آشنایی با سنجش از دور راداری – ویژگی ها و کاربردها

در حالی که بسیاری از محققین از تصاویر سنجش از دوری غیرفعال مثل لندست و مادیس و سنتنیل ۲ استفاده می کنند نوع دیگری از این داده ها به نام SAR وجود دارند که مخفف Synthetic Aperture Radar است که به معنی رادار دریچه مصنوعی است. این داده های سار متفاوت با داده های نامبرده شده در بالا است و از نوع سنجش از دور فعال است که در این حالت سنسور خودش امواج یا پالس تولید کرده و آن را به سمت زمین ارسال می کند و پس از برخورد به زمین انرژی برگشتی را ثبت می کند.

این امواج در برخورد به سطوح مختلفی مثل آب، رطوبت، گیاهان و عوارض انسانی رفتارهای متفاوتی از خود بروز می دهند.

جهت آشنایی با سنجش از دور فعال و غیرفعال مقاله زیر را مطالعه کنید:

آشنایی با سنجش از دور فعال و غیرفعال

SAR یا رادار دریچه مصنوعی چیست؟

تفکیک مکانی داده های راداری به طور مستقیم با نسبت طول موج به طول آنتن سنسور ارتباط دارد. هر چقدر طول آنتن بیشتر باشد با توجه به اینکه طول موج ثابت باقی بماند، دقت مکانی بیشتر می شود. ماهواره ای که با طول موج ۵ سانتی متر کار می کند برای دستیابی به دقت ۱۰ متر به آنتنی به طول ۴۲۵۰ متر یعنی ۴۷ برابر زمین فوتبال نیاز دارد.

آنتنی به این اندازه در فضا عملی نیست. از این رو  دانشمندان راه حل هوشمندانه ای ارائه کرده اند به نام دیافراگم دریچه مصنوعی. در این حالت آنتن های کوچکتر به صورت مصنوعی به آنتن های بزرگتری تبدیل می شوند و در نتیجه داده هایی با وضوح بالاتر ایجاد می شود.

نقش فرکانس و طول موج:

سنسورهایی از قبیل لندست و سنتینل، داده ها را از قسمت مرئی، مادون قرمز نزدیک و مادون قرمز کوتاه جمع آوری می کنند اما سنسورهای راداری از طول موج های بلندتر در حد سانتی متر یا متر استفاده می کنند که همین باعث نفوذ امواج در ابرها و توانایی دیدن از طریق آن ها می شود

طول موج های سار اغلب با حروفی مانند C، X، L، P نام گذاری می شوند.

تصویر زیر نشان دهنده بازه ای است که تصاویر SARدر آن قرار می گیرند.

مشخصات باندهای SAR به تفکیک در زیر آورده شده است:

Ka = به ندرت برای SAR استفاده می شود

K = به ندرت برای SAR استفاده می شود

Ku = به ندرت و عموما برای ارتفاع سنجی استفاده می شود

X = وضوح بالا دارد و جهت نظارت شهری، یخ و برف استفاده شده و نفوذ کمی در پوشش گیاهی دارد

C = این باند بیشتر در زمینه مطالعات برف و اقیانوس کاربرد دارد

S = برای پایش کشاورزی و محصولات آن مورد استفاده قرار می گیرد

L = وضوح متوسطی داشته و برای محاسبه بیوماس و تولید نقشه های گیاهی استفاده می شود

P = برای محاسبه بیوماس استفاده می شود

طول موج یک ویژگی مهم است که باید هنگام کار با SAR مورد توجه قرار گیرد زیرا تعیین می کند که یک سیگنال یا موج چقدر می تواند به محیط نفوذ کند. به عنوان مثال یک رادار با باند X که در طول موج ۳ سانتی متر کار می کند توانایی نفوذ کمی به جنگل پهن برگ دارد و بیشتر به برگ های بالای تاج برخورد دارد.

از طرف دیگر باند L دارای طول موج ۲۳ سانتی متر است که توانایی نفوذ بیشتری داشته و به شاخه های بزرگ و تنه درختان برخورد می کند. طول موج علاوه بر میزان نفوذ به جنگل ها، در سایر پوشش ها مثل خاک و یخ اثر می گذارد. به عنوان مثال دانشمندان و باستان شناسان از این داده ها جهت کشف شهرهای زیرخاکی و مدفون شده در زیر پوشش گیاهی استفاده می کنند.

رابطه طول موج و میزان نفوذ امواج:

میزان نفوذ و پراکندگی امواج ارسالی از سنسور به میزان طول موج آن باند بستگی دارد. به عنوان مثال باند C فقط به لایه های بالای تاج پوشش نفوذ می کند و بنابراین پراکنش از به دلیل برحورد به سطح ناهموار و زبر از نوع پراکنده خواهد بود. اما باندهای L و P به دلیل طول موج بزرگتر نفوذ بیشتری کرده است.

انواع پخش (Scattering)

۳ نوع اصلی آن به صورت زیر است:

نوع آینه وار یا Specular

نوع پراکنده یا Diffuse

نوع Double bounce

عموما ۳ نوع سطح داریم:

سطوح صاف یا Smooth که می توان به جاده ها یا آب ها اشاره کردکه موج پس از برخورد به این سطوح انرژی کمی را برمی گرداند و در واقع شبیع آینه عمل می کند. در این حالت پیکسل ها به رنگ سیاه دیده می شوند. به این نوع انعکاس Specular reflection گفته می شود.

سطح زبر و ناهموار (Rough) که می توان به زمین های کشاورزی و مناظر گیاهی نام برد. پراکنش در این سطوح در همه جهات اتفاق می افتد و پیکسل ها به رنگ خاکستری دیده می شوند.

اشیای انسان ساز هم وجود دارند که حالت Double bounce ایجاد می شود که در این حالت موج پس از برخورد به شی به سمت سنسور برمی گردد. در اینجا پیکسل ها به رنگ سفید دیده می شوند.

همه مواردی که در بالا به ان اشاره شد در تصویر راداری زیر به خوبی مشخص است. قسمت های سیاه نشان دهنده رودخانه است که از داخل شهر عبور کرده است. قسمت های انسان ساز مثل ساختمان ها به رنگ سفید دیده می شوند و قسمت های کشاورزی و محصولات گیاهی به رنگ خاکستری دیده می شوند.

پولاریزاسیون:

پولاریزاسیون به جهت موج رادار از آنتن SAR اشاره دارد. هر دو نیروی مگنتیک و الکتریک دارای زاویه قائمه یا ۹۰ درجه ای نسبت به هم هستند. اما میدان الکتریکی، جهت پولاریزاسیون یا قطبش را تعیین می کند.

SAR از یک آنتن استفاده می کند که امواج آن به صورت افقی یا عمودی فرستاده می شود. وقتی موج پراکنده می شود حالت پولاریزاسیون می تواند تغییر کند. وقتی سنسور موج برگشتی را دریافت می کند آن درجه تغییر را از پولاریزاسیون در منبع اندازه گیری می کند.

برای مثال پولاریزاسیون می تواند H (افقی) یا V (عمودی) و یا حتی ترکیبی از هر دو باشد.

HH = ارسال و دریافت افقی

VV = ارسال و دریافت عمودی

HV = ارسال افقی و دریافت عمودی

VH = ارسال عمودی و دریافت افقی

اینترفرومتری (تداخل سنجی)

داده های رادار از اطلاعات یا پالس های رفت و برگشتی ضبط شده توسط سنسور استفاده کرده و بدین صورت فاصله را از سنسور تا هدف اندازه می گیرند. برای آشنایی با مفهوم تداخل سنجی و کاربردهای آت ویدئوی زیر را حتما ببینید:

همچنین برای آموزش تداخل سنجی به زبان ساده می توانید به لینک زیر مراجعه نموده و آموزش را تهیه کنید:

آموزش تداخل سنجی راداری به زبان ساده

معرفی نرم افزارهای کار با تصاویر راداری

۱- نرم افزار SNAP – اسنپ

عبارت SNAP مخفف عبارت SeNtinel Application Platform است که در سال ۲۰۱۴ میلادی به عنوان یک پلتفرم تخصصی در زمینه پردازش تصاویر ماهواره ای سری سنتینل به صورت رسمی از سوی سازمان فضایی اتحادیه اروپا عرضه شد.

با توجه به ویژگی های منحصر به فرد ماهواره های سری سنتینل، از همان ابتدا نرم افزارهایی چون انوی برای پردازش داده های آن ها با مشکلات و محدودیت های جدی مواجه بودند. به عنوان مثال نرم افزار انوی قابلیت خواندن اطلاعات مختصاتی و هندسی تصاویر سنتینل ۲ را نداشت و از سوی دیگر الگوریتم های لازم برای تصحیح اتمسفری تخصصی تصاویر سنتینل توسط انوی پشتیبانی نمی شد. مدت کوتاهی پس از پرتاب ماهواره های سنتینل ۱ و ۲ نرم افزار اسنپ به عنوان نرم افزار تخصصی پردازش تصاویر ماهواره ای سری سنتینل عرضه شد. هدف این نرم افزار آن بود تا تمامی نیازهای کاربران در زمینه پردازش و تحلیل داده های ماهواره های سری سنتینل را پوشش دهد و در این زمینه هم بسیار موفق عمل کرده است.

این نرم افزار ماهواره های زیر را پشتیبانی می کند:

• Sentinel-1
• ERS-1 and 2
• ENVISAT
• ALOS PALSAR
• TerraSAR-X
• COSMO-SkyMed
• RADARSAT-2

سایت دسترسی به نرم افزار: https://step.esa.int/main/download/snap-download

برای آموزش جامع از ۰ تا ۱۰۰ snap آکادمی سنجش از دور ایران روی لینک زیر کلیک کنید:

آموزش جامع نرم افزار SNAP

۲- نرم افزار GMTSAR

GMTSAR یک سیستم پردازش تداخل­ سنجی راداری منبع باز (GNU General Public License) است که توسط مٶسسه اقیانوس شناسی و دانشگاه سن دیگو آمریکا تهیه ­شده است. این نرم ­افزار از پردازش تداخل­ سنجی راداری در تصاویر ماهواره ­های زیر پشتیبانی می­ کند:

• ERS-1/2
• Envisat
• ALOS-1
• TerraSAR-X
• COSMOS-SkyMed
• Radarsat-2
• Sentinel-1
• ALOS-2

سایت دسترسی به نرم افزار: https://topex.ucsd.edu/gmtsar

آموزش نرم افزار GMTSAR – لطفا کلیک کنید

۳- نرم افزار PolSARPro

نرم افزار PolSARPro یک ابزار متن باز جهت پردازش و آموزش داده­ های راداری (SAR) است که توسط سازمان فضایی اروپا (ESA) در سال ۲۰۰۳ توسعه پیدا کرد. بعد از آن، طی یک قرارداد با سازمان ESA، توسعه­ این نرم­ افزار به یک تیمی در دانشگاه رن فرانسه، موسسه مایکرویو و رادار (HR) از مشاوران DLR و AEL به همراه دکتر مارک ویلیامیز سپرده شد. تاکنون، نرم افزار توسعه یافته توسط این تیم، دارای دو نسخه کامل ۴ و ۵ بوده و اخیراً نیز نسخه ۶ آن جهت تخمین رطوبت خاک (Biomass Estimation) توسعه یافته است.

این نرم ­افزار دارای رابط گرافیکی (GUI) انعطاف پذیر و کاربرپسندی است که با اتکا به راهنمای آنلاین و روش های فنی هم برای افراد متخصص و خبره در زمینه تصاویر راداری، مفید است و هم خودآموزی برای افراد مبتدی جهت ارتقای دانش خود در زمینه این تصاویر است.

PolSARPro شامل ابزارهایی برای فراخوانی داده­ ها، تبدیل داده ­ها، تغییر پایه ­های قطبش، پالایشگرهای نقطه ­ای، پردازش ­های اصلی، کالیبراسیون و شبیه­ سازی داده­ های راداری است. این نرم­ افزار برای سیستم­ های عامل ویندوز، لینوکس و مک طراحی شده و به­ صورت رایگان از وبسایت آن قابل دسترسی است.

نرم افزار PolSARPro از موارد زیر پشتیبانی می کند:

• ALOS-1 / PALSAR-1
• ALOS-2 / PALSAR-2
• COSMO-SKYMED
• GaoFen-3
• RADARSAT-2
• RISAT
• TerraSAR X
• Tandem-X
• SENTINEL-1A and -1B

سایت دسترسی به نرم افزار: https://earth.esa.int/web/polsarpro/home

آموزش نرم افزار PolSARPro – لطفا کلیک کنید

چطور تصاویر راداری را دانلود کنیم؟

برای دانلود تصاویر راداری سه سایت زیر را معرفی می کنیم که بهترین منابع جهت دانلود هستند:

1. وب سایت USGS
2. وب سایت earthdata
3. وب سایت alaska

همچنین اگر قصد یادگیری جامع مراجع مهم دانلود داده های راداری، چگونگی ثبت نام و روش دانلود داده های آنها را دارید و می خواهید روش دانلود تصاویر ماهواره ای sentinel-1، ماهواره alos palsar، سنجنده srtm و داده های altimetry را یاد بگیرید بر روی لینک زیر کلیک کنید:

آموزش دانلود تصاویر ماهواره ای راداری SAR – لطفا کلیک کنید

کاربردهای سنجش از دور راداری:

برای دانستن کاربردهای رادار ویدئوی زیر را به دقت مشاهده کنید:

معرفی دو کتاب فارسی:

کتاب پردازش تصاویر راداری با نرم افزارهای GMTSAR و SNAP به قلم سیاوش شامی و زهرا قربانی، به آموزش چگونگی پردازش تصاویر راداری با استفاده از این نرم‌افزارها و رفع نقطه ضعف بسته نرم‌افزاری StaMPS پرداخته است.

لینک تهیه کتاب – لطفا کلیک کنید

کتاب کاربرد تداخل سنجش رادار در مطالعات فرونشست توسط جناب مهندس علیرضا نصیری خانقاه و رضا شریفیان عطار نوشته شده که اکنون به صورت پی دی اف از همین سایت قابل تهیه می باشد.

لینک تهیه کتاب – لطفا کلیک کنید