0

وبلاگ

سامانه آموزش سیستم اطلاعات جغرافیایی و سنجش از دور مقالات دانش محور آشنایی با SAR با استفاده از مثال

آشنایی با SAR با استفاده از مثال

ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید

Follow us on Social Networks

Instagram: giscoders

ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید

Follow us on Social Networks

Instagram: giscoders

آشنایی با Synthetic Aperture Radar یا SAR با استفاده از مثال

اصول و مبانی Synthetic Aperture Radar

Synthetic Aperture Radar (SAR) یک تکنولوژی نوظهور در سنجش از دور می باشد. در حقیقت ماهواره سنتینل-1 با نوعی سنسور فعال مجهز شده است که همچون ماهواره های Radarsat و TerraSAR از تکنولوژی راداری استفاده می کند. مهمترین مزیتی که در پشت این تکنولوزی قرار دارد آن است که این تکنولوژی می تواند تصاویر با قدرت تفکیک بالاتری در هر شرایط آب و هوایی و حتی در شب ایجاد کند. امروزه در این مقاله به دنبال بررسی با جزئیات این تکنولوژی نیستیم. در عوض تصاویر SAR را با ذکر مثال بررسی و تفسیر می کنیم و برخی از کاربردهای این تکنولوژی در دنیای واقعی را بیان مطرح می سازیم.

قابلیت های خفاش مانند تکنولوژی SAR

اینطور گفته می شود که تکنولوژی SAR چیزی شبیه به مسیریابی و جهت یابی خفاش است که با استفاده از انعکاس امواج در غارها و در فضاهای تاریک انجام می گیرد. هنگامی که خفاش در غار پرواز می کند، از امواج صوتی برای جهت یابی و مسیریابی استفاده می کند. معمولاً آنها امواج صوتی بین 50 تا 120 دسیبل ایجاد می کنند. هنگامی که این امواج به دیواره ها برخورد می کنند و سپس متعکس شده و به خفاش برگشت می کنند بر اساس اکوی ایجاد شده حفاش فاصله خود تا دیواره ها و اجسام را تشخیص می دهند. در اصل اصول مشابهی در مورد تکنولوژی SAR نیز مشاهده می شود. در این تکنولوژی ماهواره پالس امواج میکروویو را به سمت زمین ارسال می کند. این پالس ها به سطح زمین برخورد کرده و به سمت ماهواره برگشت داده می شوند و سنسور ماهواره بر اساس این سیگنالهای برگشتی از سطح زمین تصویر سازی می کند.

معمولاً ماهواره های راداری دارای نگاه جانبی هستند. این بدین معنا است که آنها دقیقا به سمت نادیر تصویر برداری نمی کنند و دارای مقداری زاویه به نسبت نادیر هستند. این نوع منظر ماهواره ها مزیت هایی را فراهم می آورد که در ادامه به برخی از آنها اشاره خواهیم کرد. همان طور که پیش تر ذکر شد، رادار موج کوتاه می تواند در طول شب و همچنین از میان دود و ابر تصویر برداری انجام دهد. در هر زمانی از روز و در هر شرایط آب و هوایی SAR کار می کند. در حقیقت، طول موج های بلند تر می توانند بهتر می توانند در ابرها و حتی زمین نفوذ کنند. برای مثال رادار باند L دارای طول موج بلندتری به نسبت رادار باند C و رادار باند X می باشد.

انواع انتشار امواج راداری

منظر جانبی رادار، با انواع مختلفی از سطوح زمین مواجه می گردد. سه نوع مکانیسم اصلی انتشار امواج راداری عبارتند از انتشر آئینه ای، انتشار پحشیده و انتشار بازتابی. نخست طرحی شماتیک از هر یک از این سه نوع انتشار فراهم می آوریم و سپس تفسیر و توضیحی از اینکه هر یک از این مدل های انتشار در کجا و چه شرایطی ایجاد می شوند، ارائه می کنیم.

سطوح صاف (Smooth Surface)

انعکاس سطوح صاف ناشی از سطوح مسطح زمین همچون جاده ها و آبها می باشد. در این نوع از انتشار مقدار بسیار کمی از پالس انرژی تابیده شده به سمت سنسور برگشت داده می شود (همچون آئینه). در این شرایط پیکسل ها به نظر تیره و تاریک دیده می شوند خصوصا زمانی که مقادیر کمتر از 20dB باشند.

Smooth surface (specular reflection)

سطوح ناهموار (Rough Surface)

انتشار از سطوح ناهموار همچون انتشاری که در زمین های کشاورزی و پوشش های گیاهی اتفاق می افتد. در این ظرایط بازتاب در همه جهات اتفاق می افتد. برای مثال در این شرایط مقدار عددی پیکسل ها بیش از 20dB در مقیاس خاکستری خواهد بود.

Rough surface (Diffuse scattering)

بازتاب چندگانه (Double-bounce)

اغلب بازتاب چندگانه در سازه های انسان ساخت و عوارض و اشیا ساخته شده توسط انسان اتفاق می افتد. در این شرایط پالس ارسالی از ماهواره از یک سطح به سطح دیگر منعکس شده و بعد از دو یا چندین انعکاس پی در پی به سمت سنسور ماهواره برگشت داده می شود. برای مصال ارزش پیکسلی این نواحی در تصاویر راداری به رنگ سفید دیده می شوند و دارای مقادیر بیش از 10dB می باشند.

Double bounce backscatter

تفسیر تصاویر SAR

اکنون که با مبانی و اصول اولیه SAR آشنا شدید، نگاهی به تصاویر SAR خواهیم داشت با توجه به انواع مدل های انتشار امواج یا پالس های راداری. در ایم مثال از تصاویر رادارست-2 استفاده شده است همان طور که در شکل مشاهده می شود، تصویر به وضوح همه سه نوع تابش برگشتی امواج راداری را نشان می دهد.

Radarsat-2 image: double bounce, specular reflection, and diffuse backscatter

انعکاس آئینه ای (Specular Reflection)

در سین تصویری که در بالا نشان داده شده است، رودخانه ی از شرق به غرب در حال جریان می باشد. همان طور که در بالا مشاهده می شود، انرژی بسیار نی به سمت سنسور راداری منعکس شده است. ر این مورد پیکسل ها تاری بوده و دارای db پائینی هستند. چنین حالتی همچنین در بخش جنوب شرقی که دارای سطوح سنگ فرش شده و پوشیده جاده و فرودگاه است نیز مشاهده می شود. این نواحی نیز دارای انعکاس آئینه ای مربوط به سطوح صافه می باشند.

باز پحش چندگانه (Double-Bounce Scattering)

از طرف دیگر، رنگ سفید روشنی که در مرکز تصویر مشاهده می شود را می توان به عنوان عوارض شهر تفسیر نمود. سنسور رادار بازپخش چندگانه امواج را دریافت می کند بدین معنا که این پالس های منتشر شده مجددا به سنسور راداری باز گشت داده می شود. البته این عوارض در این مقیاس نامشخص هستند که دلیل آن بازپخش چندگانه امواجی است که به آنها رسیده و چندین باز دچار انعکاس شده است. به دلیل آنکه ارزش پیکسلی آنها بیش از 10dB است در تصویر به صورت سفید روشن مشاهده می شوند.

بازتاب پخشیده (Diffuse Scattering)

در نهایت، عمده نواحی تصاویر راداری را بازتاب از سطوح ناهموار تشکیل می دهد. در اصل بازپخش آئینه ای و بازپخش چندگانه بخش کمی از انعکاس امواج راداری را در بر می گیرد. این انعکاس می تواند از اراضی کشاورزی، پوشش های گیاهی، مراتع و علفزارها و سایر عوارض سطح زمین باشد. این انعکاس پخشیده یا Diffuse یا پراکنده است زیرا مقادیر بسیار زیاد و یا بسیار کم امواج برگشتی در تصاویر مربوط به این نواحی وجود ندارد.

موارد استفاده و کاربردهای تکنولوژی SAR

چطور می توانیم مفاهیم و اصول SAR را در دنیای واقعی مورد استفاده قرار دهیم ؟ هزاران کاربرد مختلف سنجش از دوری در استفاده از این تکنولوژی وجود دارد. همچنین SAR دارای کاربردهای گسترده ای علوم محیطی، امنیت، نظامی و … می باشد. در اصل یکی از پرکاربردترین این موارد در بخش جستجو و نجات است.

در عملیات جستجو و نجات، شرایط آب و هوایی معمولاً نا مناسب است. در مورد آتش سوزی های جنگلی، دود به طور کامل دید را مختل می سازد. به دلیل آنکه امواج موج کوتاه SAR تحت تاثیر این شرایط قرار نم گیرد، ناجیان از این امواج برای یافتن عوارض و اشیا مربوط به انسان بر روی سطح زمین استفاده می کنند. خصوصا آنها به دنبال باپخش چندگانه هستند در جائی که حادثه اتفاق افتاده است. یا در جائی که سیلاب حادث شده به دنبال انعکاس آئینه ای هستند که احتمال بسیار زیادی دارد اشیا و عوارض مربوط به انسان عامل ایجاد آن باشد.

دانشمندان از تکنولوژی SAR برای برآورد سطوح ارتفاعی با استفاده از ماموریت SRTM isSAR استفاده می کنند. این ماهواره از اینترفرامتری (InSAR) بهره می برد تا دقیق ترین مدل رقومی ارتفاعی را در سطح جهانی ایجاد می نماید. علاوه بر آن دانشمندان از تداخل سنی راداری یا InSAR برای بررسی جا به جایی های سطح زمین بر اساس اختلاف فاز استفاده می کنند.

Radar Interferometry InSAR – Terrain Displacement

همان طور که در شکل فوق مشاهده می شود، SAR مربوط به درک و فهم و شناسایی ویژگی های سطح زمین بر اساس امواج برگشتی و منعکس شده از سطح زمین می باشد. به همین دلیل است که از این تکنولوژی در یافتن نشت نفت و لکه های نفتی و همچنین امواج اقیانوسی بهره می برند. در خلال نشت نفتی، نفت بر روی آب شناور می شود که باعث ایجاد سطوح صاف تری می شود که در تصاویر راداری به رنگ تیره تر نمایش داده می شود. اما اگر به دنبال یک کشتی در اقیانوس ها باشید بایستی به دنبال انعکاس چندگانه باشید که در تصویر با پیکسل هایی روشن و سفید نمایش داده می شوند.

در نهایت، رادار موج کوتاه به نسبت عایق های الکتریی در عوارض مختلف حساست دارد. به همین دلیل است که محققین تلاش می کنند که رطوبت خاک را با استفاده از سیستم های راداری SAR مطالعه و بررسی کنند. در کشاورزی، کشاورزان می توانند از این ویژگی استفاده نموده تا رطوبت را در 1 سانتی متر فوقانی خاک های بدون پوشش را بررسی کنند. حتی برای نقشه کشی باتلاق ها، دانشمندان از تکنیک های اینچنین استفاده می کنند.

نگاهی عمیق تر بر تکنولوژی SAR

قطبی سازی یا پلاریزاسیون به معنی هم جهت سازی امواج راداری از آنتن SAR می باشد. هر دو محور مغناطیسی و الکتریکی به نسبت یکدیگر دارای زاویه قائمه هستند اما میدان الکتریکی است که تعیین کننده جهت پلاریزاسیون امواج است. SAR از یک آتن بهره می برد که می تواند پلاریزاسیون را هم در جهت افقی (H) و هم در جهت عمودی (V) انجام دهد.

هنگامی که امواج الکترومغناطیسی از یک عارضه برگشت داده می شوند، حالت پلارازیاسیون امواج الکترومغناطیسی تغییر می کند. هنگامی که سنسور این امواج برگشتی را دریافت می کند، این سنسور درجه تغییرات پلاریزاسیون از شئی هدف را اندازه گیری می کند. به عنوان مثال این تغییرت می تواند هم در پلاریزاسیون افقی و عمودی یا هر دو اتفاق افتاده باشد.

حالات مختلف زوج پلاریزاسیون ارسال و دریافت به صورت زیر می باشند :

  • HH – ارسال و دریافت افقی
  • VV- ارسال و دریافت عمودی
  • HV – ارسال افقی و دریافت عمودی
  • VH ارسال عمودی و دریافت افقی

مزیت این وضعیت آن است که می توان اطلاعات بیشتری از ویژگی های سطح زمین به دست آورد. برای مثال ما می توانیم از تکنیک های تجزیه همچون Freeman-Durden برای به دست آوردن مقدار انعکاس چندگانه و حجم بازپحش و انتشار سطوح در تصویر SAR به دست آورد.

خلاصه: دهانه ترکیبی راداری (SAR)

در صورتی که تجربه کار با سیستم راداری را نداشته باشیم  و با این سیستم آشنایی نداشته باشیم نتایج همچون دسته ای مبهم از پیکسل ها به نظر می آید. همچنین تصاویر راداری می تواند دارای نویز باشد و نیاز به همواسازی و فیلترسازی داشته باشد. با استفاده از تکنیک های تجزیه و مقداری تفسیر تصاویر SAR، این تصاویر به ابزاری بسیار ارزشمند تبدیل می شوند.

ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید

Follow us on Social Networks

Instagram: giscoders

ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید

Follow us on Social Networks

Instagram: giscoders

برچسب ها:

مطالب زیر را حتما مطالعه کنید

معرفی هفت منبع داده اقلیمی رایگان جهانی

چرخش قطبی در مقابل چرخش خورشید آهنگ

آنالیز تصویر شئی گرا (OBIA)

تعامل انرژی در سنجش از دور : انعکاس، جذب و گسیل انرژی

معرفی 6 منبع رایگان داده های لیداری

برنامه لندست : 50 سال آرشیو از تصاویر سطح زمین

دیدگاهتان را بنویسید

Copy Protected by Chetan's WP-Copyprotect.

با عضویت در خبرنامه از آموزش های جدید رایگان در ایمیل خود مطلع شوید