عنوان مقاله: فناوري تصويربرداري فراطيفي
وضعیت نگارش: مقاله کامل است
تعداد بازدید از این مقاله: 4626
خلاصه مقاله:
دستيابي به دادههاي فراطيفي به عنوان يکي از تحولات مهم و اساسي در فناوري سنجش از دور، طي سالهاي اخير از جنبههاي مختلف سختافزاري و نرمافزاري، پيشرفت شايانتوجهي داشته و طراحي و توسعه الگوريتمهاي مختص پردازش اين نوع دادهها در سطوح گوناگون، امروزه از جمله جذابترين و مهمترين موضوعات تحقيقاتي در زمينه سنجش از دور محسوب ميشود. به همين منظور، در اين مقاله علاوه بر بررسي مفاهيم مقدماتي و ويژگيهاي اين نوع دادهها و کاربردهاي فراوان آنها، به معرفي يکي از مهمترين سنجندههاي فراطيفي فضايي به نام هايپريون نيز خواهيم پرداخت.
فهرست:
|
گروه های موضوعی مربوط به این مقاله:
|
مقدمه
بهرهگيري از فناوري سنجش از دور و انواع تصاوير ماهوارهاي در طي سالهاي اخير به عنوان يکي از مهمترين منابع جمعآوري اطلاعات به منظور مطالعه و پايش منابع زميني و بهرهبرداري بهينه از آنها، توجه بسياري از کارشناسان و متخصصان علوم مختلف از جمله زمينشناسي، معدن، محيط زيست، هواشناسي، کشاورزي، هيدرولوژي و غيره را به خود جلب نموده است. بر همين اساس نيز متناسب با ويژگيها و نيازهاي هر يک از علوم مذکور، سنجندههايي با قابليتهاي متفاوت طراحي و ساخته شده است. اما با توجه به محدوديتهاي موجود در فناوري ساخت و توليد سنجندهها از بعد سختافزاري، توان تفکيک مکاني و يا طيفي آنها در برخي موارد پاسخگوي نياز کارشناسان نبوده و موجب کاهش قابليت اطمينان و دقت نتايج و عدم امکان بررسي جزئيات ميشد. در حالي که امروزه با پيشرفت سريع و شايانتوجه صنايع الکترونيک و الکترواپتيک و فناوري ساخت قطعات الکترونيکي با ابعاد بسيار کوچک و سامانههاي اپتيکي پراکنش طيفي دقيق، امکان طراحي و ساخت سنجندههايي با توان تفکيک مکاني و طيفي بسيار خوب فراهم شده و اين امر دستيابي متخصصان به دادههايي دقيقتر با ارزش اطلاعاتي بيشتر را فراهم نموده است. يکي از انواع اين دادهها که از قابليت تفکيک طيفي بسيار بالايي برخوردار است، تصاوير فراطيفي است که در ادامه بحث به ويژگيها و کاربردهاي آنها خواهيم پرداخت.
تصويربرداري فراطيفي براي اولين بار به منظور جمعآوري دادههاي مناسب براي تهيه نقشههاي زمينشناسي و اکتشاف معادن در اواخر دهه هفتاد ميلادي در ايالات متحده آمريکا انجام شد و به سرعت توسعه و گسترش يافت. مهمترين مرحله پيشرفت و تحول اين فناوري، در سال 1989 و همزمان با ساخت [سنجنده هوابرد آويريس] توسط مرکز جيپيال ناسا صورت گرفت که قادر به نمونهبرداري در 224 باند طيفي بود و پس از آن انواع سنجندههاي فراطيفي هوابرد و فضايي ديگر نيز طراحي و ساخته شدند که نمونههايي از آنها در جدول (1) ارائه شده است.
ايده اساسي طراحي و توسعه سنجندههاي فراطيفي بر مبناي مفاهيم فيزيکي مورد توجه در سنجش از دور در مورد طيف الکترومغناطيس شکل گرفته است. همانطور که ميدانيد هر عنصر يا ماده خاص بر اساس ترکيب و ساختار مولکولي خود، عکسالعمل بازتابي مشخصي به نواحي مختلف طيف الکترومغناطيس در طولموجهاي گوناگون نشان ميدهد و اين عکسالعمل براي عناصر و مواد مختلف در شرايط يکسان، متفاوت بوده و مانند اثر انگشت انسانها براي هر ماده منحصر بهفرد است. اين عکسالعملها در طولموجهاي گوناگون با پهناي باند بسيار کم توسط طيفسنج ثبت شده و نتيجه آن يک نمودار شبهپيوسته تحت عنوان منحني طيفي خواهد بود. اندازهگيريهاي مذکور در محيط آزمايشگاهي و در شرايط معين براي مواد مختلف انجام شده و منحنيهاي حاصل در يک بانک اطلاعاتي تحت عنوان کتابخانه طيفي ذخيرهسازي ميشوند و به عنوان طيف مرجع جهت مقايسه با منحنيهاي بازسازي شده توسط سنجندههاي مختلف مورد استفاده قرار ميگيرند.
با توجه به شرايط موجود در آزمايشگاه، نمونهبرداريهاي طيف مرجع با پهناي باند بسيار کوچک در حدود يک نانومتر هم قابل انجام است که نتيجه آن يک طيف شبهپيوسته از مواد مختلف است. اما به دليل متحرک بودن سکوي حامل طيفسنجهايي که در سنجندههاي تصويربرداري چندطيفي قرار گرفتهاند و سرعت بالاي آن، زمان و فرصت کافي براي نمونهبرداري دقيق وجود نداشته و فواصل نمونهبرداري افزايش مييابد. البته اين امر مرتبط با نوع اطلاعات مورد درخواست از سنجنده بوده و فواصل نمونهبرداري در سنجندههاي مختلف که براي کاربردهاي خاص طراحي شده اند، متفاوت است. اما طي سالهاي اخير فناوري ساخت طيفسنجها اين امکان را به وجود آورده که با وجود نصب آنها در سکوهاي متحرک، قادر به نمونهبرداري با پهناي باند بسيار کوچک درحدود ده نانومتر در محدوده طيفهاي مرئي، مادونقرمز نزديک و مادونقرمز کوتاه باشند (2500-400 نانومتر) که با انجام يک محاسبه ساده رياضي مشاهده ميشود نتيجه اين نمونهبرداري، جمعآوري و ثبت اطلاعات طيفي عناصر مختلف در بيش از 200 باند طيفي بوده و منحنيهاي طيفي بازسازي شده شباهت زيادي با طيف مرجع اندازهگيري شده در محيط آزمايشگاه خواهند داشت.
اصولاً عنوان فراطيفي نيز به همين دليل در مورد اين نوع دادهها مورد استفاده قرار ميگيرد که حاوي اطلاعات طيفي باارزشي در تعداد باندهاي طيفي بسيار زياد با توان تفکيک طيفي بسيار بالا هستند. اين ويژگي امکان تشخيص و تمايز مواد و عناصر مختلف از يکديگر را با وجود شباهتهاي طيفي زياد، بر اساس مقايسه پاسخ طيفي هر يک از آنها در طولموجهاي گوناگون فراهم ميسازد. درحالي که در دادههاي چندطيفي به دليل وسعت پهناي باند طيفي بازسازي شده ممکن است در محدودههايي از طيف الکترومغناطيس که تفاوت فاحشي در منحني طيفي عناصر وجود دارد نمونهبرداري انجام نشده باشد و منحني يکساني از دو ماده مختلف در آن ناحيه حاصل شود و امکان تشخيص آنها وجود نداشته باشد. در اشکال (1) و (2) به ترتيب تفاوت نمونهبرداري سنجندههاي چندطيفي و فراطيفي و عدم توانايي تشخيص سنگ معدني کائولينيت در داده چندطيفي تيام قابل مقايسه است.
 | | شکل 1- مقايسه نمونهبرداري سنجندههاي چندطيفي و فراطيفي |
 | | شکل 2- عدم توانايي تشخيص سنگ معدني کائولينيت توسط داده چندطيفي |
البته اين ويژگي موجب افزايش قابل توجه حجم دادههاي فراطيفي نسبت به دادههاي چندطيفي شده و در نتيجه روشهاي ذخيرهسازي، فشردهسازي و نمايش آنها نيز متفاوت خواهد بود.
در واقع، نتيجه تصويربرداري همزمان در باندهاي متعدد توسط سنجنده، همزمان با حرکت سکوي هوايي و يا فضايي حامل آن، يک مجموعه داده سهبعدي متشکل از ميليونها المان تصويري خواهد بود. اين نوع داده در سنجش از دور تحت عنوان مکعب تصويري شناخته ميشود که دو بعد آن معرف اطلاعات مکاني و بعد سوم نشاندهنده اطلاعات طيفي است. به عبارت ديگر در اين نوع تصاوير، هر پيکسل تصويري به صورت يک بردار L بعدي (L نشاندهنده تعداد باندهاي طيفي) ذخيرهسازي و مورد پردازش قرار ميگيرد. در شکل (3) ميتوانيد يک نمونه از مکعب تصويري داده فراطيفي را مشاهده نماييد.
 | | شکل 3- مکعب تصويري داده فراطيفي |
به علت حجم بسيار زياد اين دادهها، بسياري از تحقيقات انجام شده در گذشته، بر موضوع چگونگي فشردهسازي، ذخيرهسازي و انتقال اين نوع دادهها و انتخاب بهينه باندهاي طيفي مناسب از ميان تمامي باندهاي موجود در الگوريتمها و کاربردهاي مختلف متمرکز شده بود. اما اخيراً مهمترين موضوعات تحقيقاتي مرتبط با اين دادهها، به توسعه و بهبود انواع الگوريتمهاي شناسايي، جداسازي، تعيين ويژگي اهداف، طبقهبندي و آشکارسازي آنها بهويژه به صورت خودكار ميپردازند.
در الگوريتمهاي طبقهبندي، هدف اصلي تعيين تعداد و نوع کلاسهاي موجود در تصوير و همچنين خصوصيات و ويژگيهاي آنها با استفاده از اطلاعات طيفي موجود در کتابخانههاي طيفي، نمونههاي آموزشي و يا اطلاعات واقعيت زميني است که نسبت به دادههاي چندطيفي امکان بررسي اشياء و پديدهها در سطوحي با جزئيات بيشتر در اين دادهها فراهم ميشود. به عنوان مثال، اگر با استفاده از دادههاي چندطيفي فقط تفکيک اراضي زراعي و غيرزراعي ميسر باشد، تصاوير فراطيفي امکان تفکيک انواع محصولات زراعي و گونههاي مختلف گياهي را نيز فراهم ميسازد. الگوريتمهاي آشکارسازي به منظور جستجو و تشخيص حضور يک يا چند هدف يا پديده خاص موجود در مکعب دادهها توسعه يافتهاند. در الگوريتمهاي شناسايي و آناليزهاي جداسازي نيز، شناسايي دقيق و تفکيک اهداف آشکارسازي شده يا موجود در کلاسهاي حاصل از طبقهبندي مد نظر است که بدين منظور، اطلاعات صحيحي از مشخصههاي طيفي آنها جهت تطابق با منحنيهاي موجود درکتابخانههاي طيفي مرجع، مورد نياز است.
با توجه به ويژگيهاي ياد شده از کاربردهاي اين دادهها ميتوان به مواردي چون شناسايي و پاکسازي مناطق جنگي آلوده، عمليات جستجو و نجات، شناسايي ادوات نظامي پنهان و استتار شده، برآورد دقيق محصولات کشاورزي، مطالعه گونههاي مختلف پوشش گياهي، آفات و استرسهاي گياهي، زمينشناسي و اکتشاف معادن به صورت دقيق، مطالعات منابع آب و آشکارسازي آلودگيها، پايشهاي زيست محيطي، مطالعات شهري، آشکارسازي اتوماتيک اهداف، تصويربرداري پزشکي و تشخيص غدد سرطاني و ... اشاره نمود.
در ادامه به معرفي سنجنده [هايپريون ] که بر روي [ماهواره ئياو-1] نصب شده است، به عنوان مهمترين سنجنده فضايي فراطيفي مورد استفاده در حال حاضر خواهيم پرداخت.
|
ماهواره ئياو-1
ماهواره ئياو-1 در تاريخ ۲۱ نوامبر سال 2000 ميلادي به وسيله ناسا و به منظور مقايسه با دادههاي ماهواره لندست- 7 به صورت آزمايشي در مدار قرار داده شد. بر روي اين ماهواره سه سنجنده شامل اولين سنجنده فراطيفي فضايي به نام هايپريون، [سنجنده چندطيفي ايالآي] و [سنجنده فراطيفي ايسي] با مشخصاتي که در جدول (2) مشاهده ميکنيد، نصب شده است.
اين ماهواره با ٦٠ ثانيه اختلاف زماني با ماهواره لندست 7 و در همان مدار به صورت خورشيد آهنگ در فاصله 750 کيلومتري از سطح زمين با زاويه ميل مداري 2/98 درجه حرکت ميکند. دوره مداري آن نيز 9/98 دقيقه بوده که بيش از ۱٤ مدار را در طول يک روز پوشش ميدهد. دوره گردش کامل اين ماهواره ۱٦ روز است و در حالت نزولي در ساعت 10:01' صبح از استوا عبور ميکند. سرعت حرکت اين ماهواره در نقطه حضيض، 74/6 کيلومتر بر ساعت است و امکان تصويربرداري از کنار با حداکثر زاويه ۲۲ درجه را نيز فراهم ميکند. به اين ترتيب، ميتوان از يک ناحيه خاص بر روي زمين در طول ۱٦روز، سه بار تصويربرداري نمود. در شکل (4) مدار حرکت اين ماهواره و سطح پوشش تصويربرداري آن در مقايسه با لندست 7 نمايش داده شده است.
 | | شکل 4- مقايسه مدار حرکت ماهوارههاي لندست 7 و ئياو-1 |
|
معرفي سنجنده هايپريون
سنجنده هايپريون از فناوري [پوشبروم ] در تصويربرداري استفاده ميکند و در هر فريم تصويري محدودهاي به عرض 6/7 کيلومتر در جهت عمود بر حرکت را برداشت ميکند. به اين ترتيب با حرکت سنجنده، اطلاعات طيفي اشياء و پديدههاي گوناگون موجود در سطح زمين در فريمهاي تصويري متوالي به صورت مکعبهاي سهبعدي به عنوان داده فراطيفي ثبت و ذخيرهسازي ميشود.
اما فناوري تصويربرداري پوشبروم مورد استفاده در اين سنجنده، با سنجندههاي عادي متفاوت است. به عنوان مثال، در سنجنده [ئيتيام+] مجموعهاي از آرايههاي آشکارساز خطي و يک آينه به کار گرفته ميشود که به وسيله آنها سطح زمين در جهت عمود بر حرکت، اسکن شده و تصوير چندطيفي به صورت دوبعدي ايجاد ميشود. با پيشرفت فناوري ساخت آرايههاي دوبعدي و قرارگيري آنها در صفحه کانوني سامانه نوري سنجنده، تصوير دوبعدي مذکور بدون نياز به حرکت قابل تشکيل است و بدين ترتيب، زمان تمرکز بيشتري به منظور ثبت اطلاعات در يک محدوده معين براي سنجنده فراهم شده و موجب بالا رفتن نسبت سيگنال به نويز و به عبارت ديگر کيفيت داده تصويري ميشود. اين سامانه همچنين مشکل مهم سنجندههاي پوشبروم با فناوري آشکارسازي خطي را که نيازمند [واسنجي] تعداد بسياري از پيکسلها هستند را نخواهد داشت و حل اين مسأله عاملي کليدي در موفقيت برنامه ساخت سنجنده هايپريون به شمار ميرود. در شکل (5) نحوه تشکيل مکعب تصويري در سنجنده هايپريون قابل مشاهده است.
 | | شکل 5- نحوه تشکيل مکعب تصويري سنجنده هايپريون |
بخش نوري سنجندههايپريون نيز از يک تلسکوپ با طراحي آستيگمات سهآينهاي و دو طيفسنج مجزا براي محدودههاي طيف مرئي- [مادون قرمز نزديک] و [مادون قرمز کوتاه] تشکيل شده است. طيفسنج [ويانآيآر] داراي آرايههايي با ابعاد 60 ميکرومتر است که از اتصال زيرآرايههاي ۳x۳ با ابعاد 20 ميکرومتر به وجود آمدهاند. اين طيفسنج قادر به ثبت اطلاعات طيفي در 70 طولموج مختلف در محدوده طيفي 400 تا 1000 نانومتر، با توان تفکيک طيفي 10 نانومتر و در 256 رديف آرايههاي پيکسلي است. طيفسنج [سوئير] نيز داراي آشکارسازهايي با ابعاد 60 ميکرومتر در 256 رديف مکاني است که اطلاعات طيفي در محدوده 2500-900 نانومتر را در 172 باند طيفي نمونهبرداري ميکند که با احتساب طيفسنج ويانآيآر در مجموع در242 باند طيفي، اطلاعات ثبت خواهد شد. در شکل (6) بخشهاي مختلف سامانه نوري مورد استفاده در سنجندههاي فراطيفي قابل بررسي است.
 | | شکل 6- بخشهاي مختلف سامانه نوري سنجندههاي فراطيفي |
بخشهاي ديگرسنجنده نيز شامل سامانه خنککننده، سامانه واسنجي همزمان با پرواز و صفحه کانوني الکترونيکي با سرعت بالا است. پس از دريافت تصوير ثبتشده از ماهواره توسط مرکز کنترل پردازش سطح صفر بر روي آن صورت ميگيرد که شامل حذف خطاي انتقال اطلاعات و مرتبسازي قالب داده است. داده سطح صفر به همراه دادههاي کمکي و اطلاعات پردازشي به مرکز پردازش فرستاده ميشود تا ارزيابي شده و پردازشهاي سطح يک بر روي آن انجام گيرد.
از ابتداي دسامبر سال 2001 اين دادهها در سطح 1بي1 در آرشيو موجود است و به راحتي در اختيار کاربران قرار ميگيرد. همچنين امکان سفارش اخذ دادههاي جديد نيز فراهم است که البته با قيمت بسيار بالاتري نسبت به دادههاي آرشيو ارائه ميشود.
حذف اثر ساير خطاها به عهده کاربر است که مهمترين آنها عبارتند از: واسنجي دوباره، همرديفسازي پيکسلها در دو ناحيه ويانآيآر و سوئير، حذف باندهاي مشترک در دو ناحيه ويانآيآر و سوئير، حذف باندهاي صفر، حذف [خطاي نواري شدن] و انجام تصحيحات اتمسفري.
در نهايت، پس از حذف خطاهاي مذکور ميتوان با بهکارگيري اين داده در الگوريتمهاي گوناگون پردازش تصاوير فراطيفي به عنوان يک منبع غني اطلاعات طيفي در مورد اهداف و پديدههاي موجود در منطقه مورد نظر، به بررسي دقيق آنها پرداخت.
|
|
مراجع
[1] - Remote Sensing Tutorial of NASA
[2] - Shaw G.A. and Burke H.K., "Spectral Imaging for Remote Sensing ", Lincoln Laboratory Journal, Volume 14, Number1, 2003, pp. 3-28.
[3] - Manolakis D., Marden D., and Shaw G.A., "Hyperspectral Image Processing for Automatic Target Detection Applications ", Lincoln Laboratory Journal, Volume 14, Number 1, 2003, pp. 79-116.
[4] - Beck R., "EO-1 User Guide V. 2.3 ", Department of Geography, University of Cincinnati, Ohio, July 15, 2003.
[5] - Shippert P., "Introduction to Hyperspectral Image Analysis", Research Systems Inc., 2003.
[6] - Landgrebe D., “Hyperspectral Image Data Analysis as a High Dimensional Signal Processing Problem ",IEEE Signal Processing Magazine, Vol. 19, No. 1, January 2002, pp. 17-28.
[7] - Pearlman J. S., "Hyperion Validation Report", NASA/GSFC, July 16, 2003.
[8] - فهيم نژاد، حامد، ” ارزيابي تفکيک نوع محصولات کشاورزي با استفاده از دادههاي فراطيفي"، پايان نامه کارشناسي ارشد سنجش از دور، دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي، 1386.
[9] - صوف باف، سيد رضا، ” آناليز جداسازي و تشخيص آنومالي براي تعيين اهداف در تصاوير فراطيفي"، پايان نامه کارشناسي ارشد سنجش از دور، دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي، 1386.
|
|
|
|
|
نقشه سایت
1 
