جزوات مطالب تخصصی

کتاب خانه های طیفی در سنجش از دور – ویژگی ها و کاربردهای کتاب خانه طیفی

امیرحسین احراری
نوشته شده توسط امیرحسین احراری

مقاله کاربردی کتاب خانه های طیفی در سنجش از دور منتشر شد! در این مقاله، کتاب خانه طیفی به همراه ویژگی ها و کاربردهای آن در زمینه پردازش تصاویر ماهواره ای تجزیه و تحلیل شده است. با استفاده از این مقاله شما با ماهیت این ابزار با ارزش به همراه کارایی های آن آشنایی پیدا خواهید کرد. درصورتی که اطلاعات کافی در ارتباط با کتاب خانه طیفی و نقش آن در پردازش تصاویر ماهواره ای ندارید، این مقاله برای شما بسیار مفید خواهد بود. 


مقدمه

کتاب خانه طیفی در حقیقت به عنوان مرجع شناسایی رفتار طیفی پدیده های مختلف سطح زمین است. در کتاب خانه طیفی، رفتار طیفی هریک از پدیده های سطح زمین در محدوده بازتابی طیف الکترومغناطیس نمایش داده می شود. به عبارت دیگر رفتار طیفی عبارت است از نسبت جذب و بازتاب امواج الکترومغناطیسی رسیده به پدیده ها در طول موج های گوناگون.


طیف الکترومغناطیس

دامنه امواج الکترومغناطیسی کاربردی در سنجش از دور به عنوان طیف الکترومغاطیسی شناخته می شود. امواج کاربردی در سنجش از دور شامل محدوده های مرئی، مادون قرمز بازتابی، مادون قرمز حرارتی و مایکروویو است. عموما رفتارهای طیفی پدیده ها به بازتاب هایی اطلاق می شود که در محدوده مرئی و مادون قرمز بازتابی اتفاق افتاده است. 


رفتارطیفی تصاویر ماهواره ای

رفتارهای طیفی پدیده ها با استفاده از تصاویر ماهواره ای قابل اندازه گیری است اما محدودیت هایی نیز دارد. اولین محدودیت تعداد باندها است. در حال حاضر عموم تصاویر ماهواره ای از نوع چندطیفی است که تعداد باندهای آن کم با پهنای زیاد است. علاوه بر تعداد باندها دومین عامل محدود کننده اثرات اتمسفر و توپوگرافی سطح زمین است. اتمسفر بدلیل اثرات جذب و پخش و ابرها همواره مانع از اندازه گیری کاملا دقیق امواج بازتاب شده می گردد. در همین راستا خطاهای رادیومتریکی ناشی از توپوگرافی مانند سایه ها نیز مانع از ثبت درست انرژی های منتشر شده از پدیده ها می گردد. 


با وجود آنکه روش های تصحیح اتمسفری (روش های نرم افزاری) برای تصحیح این اثرات استفاده می شوند اما قدرت آن ها نسبی است و قابلیت برطرف سازی مطلق خطاها را ندارد. بر همین اساس در حالت عادی هرگز امکان برآورد رفتارطیفی کاملا دقیق از پدیده ها در تصاویر ماهواره ای عملا وجود ندارد.


با توجه به محدودیت های مذکور عملا تصاویر ماهواره ای برای ثبت نسبت بازتاب به صورت کاملا دقیق قابل استفاده نیستند. در این بین کتاب خانه های طیفی امکانی را فراهم کردند تا شما بتوانید این اطلاعات را با دقت بالایی به دست آورید.


اسپکترومتر

رفتارطیفی دقیق هریک از پوشش های سطح زمین با استفاده از اسپکترومتر قابل ثبت است. اسپکترومتر یکی از ابزارهای دستی سنجش از دور است که در عملیات های زمینی استفاده می شود. اسپکترومتر یک طیف سنج دستی است که قابلیت ثبت میزان بازتاب پدیده ها در طول موج های مرئی و مادون قرمز بازتابی را دارد. با استفاده از این ابزار شما می توانید با حضور در منطقه مورد مطالعه خود، میزان بازتاب دقیق هریک از پدیده ها را ثبت نمایید. 


اسپکترومترها قابلیت استفاده در محیط و آزمایشگاه ها را دارا است. با استفاده از بازتاب های ثبت شده توسط اسپکترومتر امکان تصحیح اتمسفری دقیق تصاویر ماهواره ای فراهم است. در عین حال داده های بازتابی اسپکترومتر برای انجام بسیاری از پردازش ها به عنوان داده ورودی در نظر گرفته می شود. به عنوان مثال در فرایند طبقه بندی spectral angle mapper، به عنوان یک ورودی مهم در نظر گرفته می شود. 


طیف سنج ها برای ثبت داده های طیفی از باندهای بسیار زیادی برخوردار هستند بطوریکه گاهی تعداد آن ها به بیش از ۵۰۰ نیز میرسد. تعداد بسیار بالای باندها و پهنای کم آن به همراه عدم اثر اتمسفر، تضمین کننده دقت طیفی داده های آن است. در حال حاضر هیچ سنجنده ای با توان تفکیک مکانی متوسط دارای چنین تعداد باندی نیست. 


کتاب خانه طیفی

همانطور که پیش تر به آن اشاره شد، کتاب خانه طیفی به عنوان مرجع شناسایی رفتار طیفی پدیده های مختلف سطح زمین محسوب می شود. با استفاده از کتاب خانه طیفی می توانید رفتار طیفی پدیده های مختلف را شناسایی کرده و آن ها را از یکدیگر متمایز نمایید. به عبارت دیگر کتاب خانه طیفی یک کتاب خانه از رفتارهای طیفی عموم پدیده های سطح زمین است. 


رفتارهای طیفی ثبت شده در کتاب خانه ها با استفاده از اسپکترومترهای آزمایشگاهی تولید شده است. محیط آزمایشگاه بصورت کاملا کنترل شده است تا اثر عوامل بیرونی در ثبت بازتاب پدیده ها به حداقل برسد. با توجه به تعداد بالای باندهای طیف سنج ها و محیط کنترل شده آزمایشگاه، دقت ثبت رفتارهای طیفی آن بسیار بالا است.


کتاب خانه های طیفی انواع مختلفی دارند. به عبارت دیگر هر سازمان معتبری در جهان مانند سازمان ناسا و سازمان زمین شناسی ایالات متحده آمریکا هریک کتاب خانه طیفی خاص خود را دارند که بر اساس استانداردهای خاصی تهیه شده است. 


کتاب خانه های طیفی مطرح دنیا 

بسیاری از مراکز مهم تحقیقاتی در کشورهای گوناگون اقدام به تولید کتاب خانه های طیفی منطبق بر ساختار محیطی کشور خود کردند. به عنوان مثال کتاب خانه طیفی سازمان USGS بر اساس ویژگی های زیست محیطی کشور آمریکا طراحی شده و بصورت کامل برای سایر مناطق در جهان مناسب نیست. امروزه در کشور ما نیز کتاب خانه طیفی بومی توسط سازمان فضایی جمهوری اسلامی ایران تهیه شده که از طریق سایت این سازمان برای کاربران در دسترس است. مهم ترین و معروف ترین کتاب خانه های طیفی جهان عبارت اند از:

  • کتاب خانه طیفی سازمان USGS
  • کتاب خانه طیفی سازمان JPL NASA
  • کتاب خانه طیفی ASTER
  • کتاب خانه طیفی دانشگاه John Hopkins

کاربرد کتاب خانه طیفی

 کتاب خانه های طیفی از کاربردهای متنوعی برخوردار هستند که برخی از آن ها کیفی و تحلیلی و برخی دیگر کمی و تفسیری است. بصورت خلاصه کاربردهای کتاب خانه های طیفی به موارد زیر خلاصه سازی می شود:

  • استخراج رفتارطیفی 
  • مقایسه رفتارهای طیفی
  • اعتبارسنجی تصحیح اتمسفری
  • شناسایی و جداسازی پدیده ها
  • طبقه بندی تصاویر
  • شناسایی محدوده های جذبی
  • تطابق سنجی طیفی

استخراج رفتارطیفی

یکی از ابتدایی ترین کاربردهای کتاب خانه طیفی استخراج رفتارهای طیفی پدیده های گوناگون است. فرض کنید که می خواهید رفتار طیفی گیاه سالم را از یک مرجع معتبر استخراج کرده و در پژوهش خود استفاده نمایید. در این رابطه کتاب خانه طیفی با پوشش هزاران پدیده متنوع به عنوان بهترین مرجعی است که امکان استخراج اطلاعات آن فراهم است. در این کتاب خانه ها رفتارهای طیفی انواع پوشش های گیاهی، خاکی، آبی و حتی انسانی مانند فلزات ذخیره سازی شده و قابلیت استفاده در پژوهش های گوناگون را دارد. 


مقایسه رفتارهای طیفی

دومین کاربرد مهم کتاب خانه طیفی در ارتباط با مقایسه رفتارهای طیفی پدیده ها است. به عنوان مثال اگر بخواهید رفتار طیفی گیاه سالم و خشک شده را مقایسه کنید، به خوبی از طریق کتاب خانه طیفی این کار فراهم است. در این کتاب خانه ها ابزاری وجود دارد که امکان شناسایی موقعیت محدوده های جذبی به همراه اندازه گیری میزان عمق آن ها را میسر می کند. در فرایند مقایسه رفتارهای طیفی باید به موقعیت های جذبی و عمق آن توجه داشته باشید. چرا که موقعیت جذب در رفتار طیفی مهم ترین عامل در جداسازی پوشش های مختلف بر اساس ویژگی های طیفی آن ها است.


اعتبارسنجی تصاویر ماهواره ای 

یکی دیگر از کاربردهای کتاب خانه طیفی در ارتباط با اعتبارسنجی تصاویر ماهواره ای است. به عنوان مثال زمانی که تصحیح اتمسفری تصاویر انجام می شود، انطباق رفتارهای طیفی تصویر تصحیح شده با کتاب خانه طیفی، تضمین کننده اعتبار تصحیح اتمسفری صورت گرفته است. همواره در کلاس استاد بزرگ انوی، در جلسه تصحیح اتمسفری به این موضوع اشاره می شود. آن دسته از الگوریتم های تصحیح اتمسفری دقیق تر مانند QUAC رفتارهای طیفی پدیده ها را با دقت بسیار خوبی بازیابی می کنند به طوریکه میزان انطباق آن با رفتارهای طیفی مرجع در کتابخانه بسیار مطلوب است. این در حالی است که الگوریتم های ضعیف تر رفتار طیفی آن ها از انطباق کمتری برخوردار است.


شناسایی و جداسازی پدیده ها

شاید اصلی ترین و مهم ترین کاربرد کتاب خانه های طیفی در زمینه جداسازی و تفکیک پوشش های متفاوت است.  هریک از پوشش های قابل مشاهده در تصاویر ماهواره ای از یک رفتار ویژه و خاص خود برخوردار هستند. در فرایند پردازش رقومی تصاویر ماهواره ای شما می توانید با استفاده از الگوریتم های متنوع نسبت به شناسایی و جداسازی هریک از پدیده ها اقدام نمایید. به عنوان مثال در کاربرد کانی شناسی، با استفاده از رفتارهای طیفی ثبت شده از کانی های متفاوت در کتاب خانه طیفی، امکان شناسایی آن ها در تصاویر به خوبی فراهم می شود. 


طبقه بندی تصاویر ماهواره ای

یکی از کاربردهای جالب کتاب خانه های طیفی در زمینه طبقه بندی تصاویر ماهواره ای است. با وجود آنکه بسیاری از الگوریتم های طبقه بندی بر اساس اطلاعات آماری تصاویر مانند میانگین و انحراف معیار عمل می کنند اما الگوریتم spectral angle mapper برای طبقه بندی رفتارهای طیفی را در نظر می گیرد. در این الگوریتم رفتارطیفی مرجع هریک از کلاس ها تعیین شده و سپس در سراسر تصویر پوشش های با رفتار طیفی مشابه انتخاب و به کلاس مورد نظر اختصاص داده می شود. این روش طبقه بندی در زمینه کاربرد پردازش تصاویر ماهواره ای در کانی شناسی بسیار پرطرفدار است. 


تطابق سنجی طیفی

تطابق سنجی طیفی یک فرایند خودکار برای شناسایی پدیده ها بر اساس رفتار طیفی است. فرض کنید که رفتار طیفی بخشی از خاک را از تصویر ماهواره ای تصحیح شده استخراج کردید اما دقیقا نمی دانید مربوط به کدام کانی یا ترکیب خاکی است؟ تکنیک تطابق سنجی طیفی امکانی را فراهم می کند تا رفتارطیفی استخراج شده از تصویر در چند ثانیه با هزاران نمونه مشابه آن در کتاب خانه طیفی تطابق داده شده و نوع آن پدیده بر اساس قانون احتمالات تعیین گردد. این تکنیک نیز در زمینه کاربرد سنجش از دور در مطالعات کانی شناسی به صورت گسترده ای مورد استفاده قرار میگیرد و عدم قطعیت های آن نیز با استفاده از داده های زمینی اصلاح می گردد.


نرم افزار کتاب خانه طیفی

بهترین نرم افزار برای کار با کتاب خانه های طیفی متفاوت و انجام پردازش های مربوط به آن نرم افزار ENVI است. با استفاده از این نرم افزار به راحتی کار با کتاب خانه های متفاوت و انجام پردازش های بسیار پیشرفته بر اساس آن فراهم است. ابزارهای موجود در نرم افزار انوی شرایطی را فراهم کرده تا انواع تحلیل های طیفی و محاسبات کمی بر اساس اطلاعات موجود در کتاب خانه های طیفی در ارتباط با تصاویر ماهواره ای به انجام برسد. 


در حقیقت نرم افزار انوی قدرتمندترین نرم افزار پردازش های طیفی در دنیا است و هیچ نرم افزاری مانند آن امکان استفاده از کتاب خانه های طیفی و اعمال محاسبات کمی را فراهم نمی کند. به عنوان مثال کتاب خانه های طیفی امروزه به شکل گسترده ای در زمینه شناسایی کانی های تشکیل دهنده خاک استفاده می شوند که تمامی ابزارها و محاسبات آن در نرم افزار انوی به خوبی پوشش داده شده و مشکلات کاربران را حل می نماید. 


دانلود فایل PDF

به منظور دانلود رایگان نسخه PDF این مقاله بر روی گزینه زیر کلیک کنید. برای دانلود فایل PDF مقالات حتما باید در سایت girs عضو باشید. 


   

دیدگاهتان را بنویسید