طراحی شاخص طیفی در 10 دقیقه

در این جزوه آموزشی (آشنایی با شاخص های طیفی گیاهی) دستور العملی ارائه شده که با استفاده از آن میتوانید در مدت زمان 10 دقیقه یک شاخص طیفی را برای پدیده مورد مطالعه تان تعریف کنید. 

درصورتی که به شاخص های طیفی علاقمند هستید حتما این فایل آموزشی را دانلود نمایید. 

اگر بدنبال فرمول پنهان روش ایجاد شاخص های طیفی هستید این مطلب آموزشی برای شما بسیار مناسب و کاربردی خواهد بود. 

در این جزوه آموزشی به نکاتی درباره طراحی شاخص ها اشاره شده که هرگز در هیچ دانشگاهی برای دانشجویان ارائه نمیشود. 

در این جزوه آموزشی نکات کلیدی در ارتباط با تولید شاخص های طیفی در سنجش از دور ارائه شده که کاربران با استفاده از آن میتوانند خود برای شناسایی پدیده های مورد نظرشان شاخص های بهینه کاربردی را مطابق با ویژگی های منطقه مورد مطالعه طراحی نمایند.

شاخص طیفی چیست؟

یک شاخص طیفی عبارت است از ترکیب دو یا چند باند طیفی با استفاده از عملگرهای ریاضیاتی که طی آن تصویر خروجی بدست آمده از اطلاعات بیشتری در مقایسه با تصاویر ورودی برخوردار است.

شاخص طیفی چه کاربردی دارد؟

با استفاده از شاخص های طیفی تصاویر تولید میشود که از میزان اطلاعات بیشتری نسبت به باندهای عادی سنجنده برخوردار است. به عبارت دیگر یک تصویر شاخص طیفی حاوی اطلاعاتی است که از چند باند مختلف بدست آمده و از همین رو از ارزش و اهمیت بسیار زیادی برخوردار است.

مزیت های مهم شاخص های طیفی چیست؟

• بارزسازی یک یا چند پدیده هدف
• تولید اطلاعات جدید
• ساده سازی فرایند تفسیر و پردازش تصاویر ماهواره ای
• قابلیت استفاده در مدل سازی
• افزایش دقت طبقه بندی و تولید نقشه های موضوعی با استفاده از تصاویر ماهواره ای
• کاربردی برای بسیاری از پوشش های سطح زمین
• قابل استفاده به عنوان یک محصول نهایی و یا محصول میانی قابل استفاده در پردازش های بعدی

در یک شاخص طیفی از چه عملگرهای ریاضیاتی استفاده می شود؟

در شاخص های طیفی از تمامی عملگرهای ریاضیاتی اصلی ازجمله جمع، تفریق، تقسیم و ضرب استفاده می شود.

عملگر جمع: برای تجمیع مقادیر انرژی های ثبت شده در باندهای مختلف مورد استفاده قرار میگیرد. به عنوان مثال در بخشی از فرایند محاسبه آلبدو برای پدیده های مختلف، مقادیر بازتابی بدست آمده در باندهای گوناگون با یکدیگر جمع می شوند.

عملگر تفریق: به منظور آشکارکردن اختلاف و تفاوت بین باندهای طیفی استفاده می شود. کاربرد اصلی این عملگر در زمینه آشکار سازی تغییرات بین تصاویری است که از زمان های مختلف بدست آمده. این عملگر ساده ترین و در عین حال یکی از پرکاربردترین عملگرهایی است که برای آشکارسازی تغییرات چند زمانه مورد استفاده قرار میگیرد.

عملگر تقسیم : این عملگر برای بدست آوردن نسبت اختلاف بین باندی استفاده میشود. از لحاظ عملکرد این عملگر از شباهت بسیار زیادی به تفریق برخوردار است. مهم ترین تفاوت تقسیم و تفریق  در آن است که عملگر تقسیم نقش مهمی در تعدیل اثر توپوگرافی و زاویه های تابش خورشیدی در تصاویر ماهواره ای ایفا می کند. همچنین با استفاده از عملگر تقسیم میتوان تا حدی اثر سایه های ایجاد شده توسط توپوگرافی سطح زمین را نیز نرمال کرد. همین مزایا باعث شده تا عملگر تقسیم از کاربرد بیشتری نسبت به تفریق در فرایند آشکارسازی تغییرات در تصاویر چند زمانه داشته باشد.

باندهای مورد استفاده در شاخص طیفی از چه ویژکی هایی نسبت به یکدیگر برخوردارند؟

باندهایی که در یک فرمول شاخص استفاده میشوند از رفتارهای خاص و در عین حال متفاوتی نسبت به پدیده هدف برخوردارند. به عبارت دیگر باندهایی باید در یک فرمول قرار بگیرند که نسبت به یکدیگر از بیشترین تفاوت برخوردار هستند. به عنوان مثال در شاخص پوشش گیاهی از باندهای قرمز و مادون قرمز نزدیک استفاده شده است که از رفتار  کاملا متفاوتی نسبت به آن برخوردارند (یکی بازتاب زیاد و دیگری جذب زیاد).

به بیان ساده تر باندهای مورد استفاده در یک شاخص طیفی از لحاظ نسبت جذب و بازتاب باید کاملاعکس یکدیگر باشند تا بتوان از آنها برای شناسایی پدیده مورد نظر استفاده نمود.

شباهت و تفاوت بین باندهای طیفی را با چه روشی میتوان درک کرد؟

شباهت و تفاوت بین باندی بواسطه پدیده هدف مشخص میشود. به این معنا که ابتدا باید یک پدیده را در نظر بگیریم، مثلا پوشش گیاهی. سپس بررسی کنیم که پوشش گیاهی در باندهای مختلف از چه میزان بازتاب و جذبی برخوردار است. پوشش گیاهی در باندهای آبی و قرمز میزان بازتاب بسیار پایینی دارد به گونه ای که در این تصاویر به رنگ سیاه ظاهر می شود.

برهمین اساس باندهای قرمز و آبی طیفی الکترومغناطیسی در ارتباط با نمایش پوشش گیاهی شباهت بسیاری به یکدیگر داشته و اصطلا میزان همبستگی آنها بسیار زیاد است. در مقابل باند مادون قرمز نزدیک از لحاظ طیفی میزان بازتاب بسیار زیادی در مقایسه با باند قرمز برخوردار است. به عبارت دیگر باند مادون قرمز نزدیک (بازتاب بالا) در مقایسه با باند قرمز (جذب بالا) در پوشش گیاهی از یک رابطه معکوس برخوردار هستند، یعنی این دوباند نسبت به یکدیگر از همبستگی منفی برخوردار بوده و بسیار متفاوت هستند.

نمونه های باندی مورد استفاده در تعریف شاخص های گیاه و آب

با توجه به تمامی مواردی که تاکنون در ارتباط با آن اشاره شد در این بخش تحلیلی در ارتباط با باندهای مرسوم و مورد استفاده در شاخص های آب و گیاه ارائه می شود.

شاخص های گیاهی : در شاخص های گیاهی مرسوم ترین باندهای مورد استفاده باندهای قرمز و مادون قرمز نزدیک است. دلیل این امر رفتار طیفی متفاوت این دو پدیده در پوشش گیاهی است که یکی از بیشترین بازتاب و دیگری از بیشتری جذب طیفی برخوردار است.

شاخص های آب و رطوبت : در شاخص های مرتبط با آب معمولا از باندهای مرئی چون باند آبی و باندهای مادون قرمز طول موج کوتاه بصورت ترکیبی استفاده می شود. دلیل این امر در رفتارهای طیفی متفاوت آن هاست. باندهای مرئی از بازتاب بالا و باند های مادون قرمز از جذب بالایی در ارتباط با آب برخوردار هستند و همین امر استفاده ترکیبی از آنها را برای شناسایی آب بسیار کاربردی نموده است.

فرمول های ریاضیاتی نرمال سازی در شاخص های طیفی

ساختار فرمول های نرمال سازی به این صورت است که اگر دوباند مشخص که نسبت به یکدیگر از همبستگی معکوس برخوردارند از یکدیگر کم شده و تقسیم بر حاصل جمع یکدیگر شوند، حاصل تصویری است که بازه مقادیر آن بین منفی یک تا مثبت یک خواهد بود. در فرمول هایی که از حالت نرمال سازی برخوردار هستند میتوان نتایج بدست امده را راحت تر و کاربردی تر توصیف نمود.

چگونه یک شاخص طیفی را طراحی کنیم؟

برای طراحی یک شاخص طیفی باید به مراحل زیر توجه داشته باشید :

• پدیده مورد مطالعه خود را تعیین کنید (مثلا آب)
• رفتار طیفی باندهای مختلف در آب را بدست آورید.
• با استفاده از رفتارطیفی بدست آمده باندهایی را انتخاب کنید که از بیشترین بازتاب و جذب برخوردار است (باند آبی بیشترین بازتاب و باند مادون قرمز طول موج کوتاه بیشترین جذب).
• اختلاف دوباند انتخاب شده را با استفاده از عملگرهای تفریق و تقسیم برآورد کنید (نسبت باند آبی به مادون قرمز طول موج کوتاه).
• درصورتی که پدیده هدف (آب) در تصویر خروجی بارز شد یعنی باندهای ورودی به محاسبه به درستی انتخاب شده است.
• سپس میتوانید با استفاده از ساختار فرمول های نرمال سازی نسبت به بهینه سازی شاخص آب اقدام نمایید.
• تفریق باند آبی و مادون قرمز طول موج کوتاه تقسیم بر حاصل جمع این دو باند برابر با تصویری است که آب را بارز نموده است.

در این جزوه آموزشی به نکاتی درباره طراحی شاخص ها اشاره شده که هرگز در هیچ دانشگاهی به دانشجویان ارائه نمی شود.