بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی روشهاي عمق سنجی با استفاده از تصاویر ماهواره اي
چکیده
بطور کلی عملیات عمقسنجی در نواحی ساحلی براي اطلاع از اجزاي زیر آب به منظور انجام فعالیتهایی نظیر کشتیرانی، لایروبی، قراردهی خطوط لوله و کابل، تعیین نقاط پر خطر ساحلی، مطالعات هیدرولوژیکی، تهیه نقشههاي جنس بستر، اطلاع از زیستگاههاي دریایی، جهت کاربرد در امور محیط زیست، نظامی و مهندسی و نظایر آن ضرورت دارد. اندازه-
گیریهاي دورهاي از مناطق ساحلی وسیع به روش مستقیم آبنگاري (عمقسنجی با اکوساندر) بسیار هزینهبر بوده و زمان زیادي را به خود اختصاص میدهد. بنابراین سنجش از دور با توجه به توانایی بالا در جمع آوري اطلاعات در زمان کوتاه و در محدودهاي وسیع، راهکاري بسیار مناسب و مؤثر میتواند باشد. این موضوع در کشورهایی مانند ایران که داراي مرزها و نواحی آبی گسترده میباشد از اهمیت بیشتري برخوردار است. در این مقاله روش هاي مختلف عمق سنجی از روي تصاویر ماهواره اي مورد آزمایش قرار می گیرند و نتایج هر یک با هم مقایسه می شوند.
کلمات کلیدي: عمق سنجی ، اندازهگیریهاي دورهاي، تصاویر ماهواره اي
-1مقدمه
اساس روش عمق سنجی از روي تصاویر ماهواره اي، بر مبناي وابستگی طیفی تصویر با عمق آب میباشد. به بیان دیگر هرچه آب عمیقتر باشد تصویر تیرهتر بوده که علت اصلی آن جذب و پراکندگی انرژي نور در آب است. البته عکس این عبارت همیشه صحیح نمی باشد یعنی همیشه نمیتوان گفت هرچه تصویر تیره تر باشد، عمق آب بیشتر است. همین مساله باعث شده است که دقت و بکارگیري روش عمقسنجی سنجش از دور با محدودیتهاي قابل توجهی همراه باشد.
علت این امر آن است که شدت درجات روشنایی تصویر علاوه بر میزان عمق آب به عوامل متعدد دیگري نیز وابسته است که مهمترین آنها عبارتند از طول موج نور، کالیبراسیون طیفی سنجنده، توان تفکیک طیفی و مکانی سنجنده، پدیده اختلاط طیفی، اثرات زمین مرجع سازي تصویر، اثرات اتمسفري و فرا اتمسفري، برق خورشیدي روي سطح آب، تلاطم آب، زاویه میل اخذ تصویر، میزان شفافیت ستون آب، مواد محلول و شناور در آب، جنس بستر آب و میزان بازتابش آن و درنهایت حداکثر عمق آب. هرچه این عوامل با دقت و صحت بیشتري مدلسازي شوند، اثرات آنها بصورت ترمهاي تصحیحی از روي درجات روشنایی تصویر برداشته شده و عمق آب با صحت بالاتري بدست میآید.
مهمترین این عوامل میزان شفافیت و حداکثر عمق آب است که بطور مستقیم روي نفوذپذیري نور در آب تاثیر می گذارد. بطور کلی روش عمقسنجی سنجش از دور تنها در نواحی آبی شفاف و کم عمق (عمق کمتر از حداکثر30 متر) قابل بکارگیري است که معمولا این شرایط در دریاچه ها و سواحل دریایی کم عمق وجود دارد .[1] همچنین عدم آگاهی از تغییرات جنس بستر که به طور مستقیم روي شدت نور بازتاب یافته و درنتیجه درجات روشنایی تصویر تاثیر میگذارد باعث میشود که تخمین عمق آب با خطاهاي شدیدي همراه شود به این ترتیب دقت توپوگرافی بستر بدست آمده از روش عمق سنجی سنجش از دور را نمیتوان در حد روشهاي مستقیم اندازهگیري در هیدروگرافی دانست ولذا نمیتوان براي کاربردهاي دقیق مانند ناوبري کشتیها به آن اطمینان نمود. اما خروجی این روش براي انجام مطالعات کم هزینه و سریع در پهنههاي آبی گسترده و البته کم عمق و شفاف قابل استفاده است که تمرکز اصلی در آنها بررسی ساختار ژئومورفولوژي بستر آب و نحوه تغییرات آن یا ارائه یک زونبندي کلی از تغییرات عمق آب می باشد .[1] البته اخیرا با معرفی سنجندههاي با توان تفکیک طیفی و مکانی بالا امکان بکارگیري این روش در نواحی کوچک مانند اسکلهها یا رودخانهها (کم عمق و شفاف) براي انجام کاربردهایی نظیر تخمین حجم لایروبی بستر آب نیز فراهم آمده است .[1] در این مقاله پس از معرفی داده هاي مورد استفاده و نحوه تصحیح آنها تعدادي از روشهاي عمق سنجی ماهواره اي بررسی می گردند و نتایج هر یک با هم مقایسه می شوند.
-2 داده ها و منطقه مورد مطالعه
تصویر ماهواره ایی مورد استفاده، تصویر آیکونوس از منطقه شمالشرقی جزیره کیش در چهار باند می باشد که بصورت Pan-Sharpen خریداري شده است و داراي رزولوشن یک متر می باشد.
علاوه بر تصویر داده هاي هیدروگرافی نیز براي کالیبراسیون و ارزیابی هر یک از روشها از این منطقه تهیه شد. جزیره کیش یکی از مناطقی است که به دلیل سرمایه گذاري زیاد به مقاصد مختلف داراي اطلاعات مکانی فراوان مانند نقشه هاي هیدروگرافی و نقشههاي بزرگ مقیاس میباشد. همچنین نواحی ساحلی این جزیره از عمق تقریباً کم و شفافیت نسبتاً خوب برخوردار بوده و بستر آن در نواحی کمعمق از کلاسهاي محدودي از جمله مرجانها، جلبکها و ماسه تشکیل یافته است.
-1-2 آماده سازي داده ها
جهت استخراج واقعی تر اطلاعات عمق از روشهاي عمق سنجی لازم است تا پیش پردازش هایی بر روي تصاویر و داده هاي هیدرو گرافی صورت گیرد این تصحیحات شامل تصحیح هندسی و رادیومتریک تصویر و تصحیح جزر و مدي نقاط هیدروگرافی می باشد. جهت تصحیح هندسی از نقشه بزرگ مقیاس جزیره کیش استفاده شد و تصویر نسبت به آن با انتخاب نقاط مشترك و استفاده از معادلات رشنال هم مرجع شد سپس تصحیحات خورشیدي بنابر الگوریتم Hedley
انجام گرفت در این روش مقادیرRi’ مقدار تصحیح برق خورشیدي شده رادیانس پیکسل در هر باند به صورت بدست می آید که bi از رگرسیون میان مقادیر رادیانس متناظر پیکسلهایی از آب عمیق در دو باند مادون قرمز نزدیک و باند مورد نظر((i حاصل میشود[2]، RNIR و R i به ترتیب مقدار رادیانس در باند مادون قرمز نزدیک و باند مورد نظر براي هرپیکسل و MinNIR حداقل مقدار رادیانس در باند مادون قرمز نزدیک میباشد. براي تصحیح اتمسفري تصویر از میانگین پیکسل هاي تیره در هر باند تصویر استفاده شد سپس با تهیه ماسکی باینري نواحی آبی از نواحی خشکی جداسازي شد. مقادیر عمق سنجی شده هیدروگرافی نیز با استفاده از جدول تصحیحات جزرو مدي نسبت به زمان تصویر برداري تصحیح شد و مقادیر رادیانس متناظر نقاط در هر باند بدست آمد و بصورت یک در میان جداشد و تحت عنوان مقادیر چک و کنترل در دو جدول مورد استفاده قرار گرفت.
-3 روشهاي عمق سنجی از روي تصاویر ماهواره ایی
بعضی از این روشها داراي ایده فیزیکی بوده و از قوانینی همچون قانون [9] Beer در آنها استفاده شده و بعضی دیگر تنها راهی براي نگاشت مقادیر ورودي و مقادیر عمق هستند.
-1-3روشهاي مبتنی بر مدلسازي فیزیکی تعامل نور با آب و محیطاین روشها شامل آن دسته از روشهاي عمق سنجی هستند که اساساً برگرفته از قانون Beer و فیزیک تضعیف نور با افزایش عمق بوده و در آنها به گونههاي مختلف از اطلاعات باندهاي مختلف براي ارتباط و ارائه مقادیر عمق استفاده شده است.
روش رگرسیون خطی Mishra (2006)
این روش بر مبناي مدل رگرسیون خطی است که توسط Polcyn (1970) پیشنهاد شده و در واقع حالت کلی معادله سنجش از دور زیر سطح آب به همراه گذر از سطح و پراکنش در اتمسفر است:
در این رابطه Li برابر انرژي بازتابیده اندازه گیري شده براي باند i، Lsi انرژي بازتابیده اندازهگیري شده روي آب عمیق که شامل بازتابندگی بیرونی از سطح آب (برق خورشیدي)، بازتاب حجمی ستون آب و پخش در اتمسفر است، ki ثابتی است که شامل انرژي فرودي خورشید، گذر از اتمسفر و سطح آب وکاهش آن به سبب انکسار در سطح آب میباشد، rBi ضریب بازتابندگی بستر آب براي باند i، Ki ضریب تضعیف آب براي باند i، ƒ فاکتور هندسی براي گذر مسیر از آب و Z عمق آب میباشد. نواحی عمیق آب در تصویر جایی تعریف میشوند که سیگنال، انرژي بازتابیده خیلی کوچکی در باندهاي مرئی داشته و داراي بازتابی از کف نباشند و معمولاً براي انتخاب این نواحی به شناخت اولیهاي از منطقه نیاز است.
در این روش براي افزایش دقت تخمین عمق و بکارگیري کلیه مشاهدات تصویري ممکن، به جاي بکارگیري یک باند معمولا از تحلیل مولفه اصلیPCA چندین باند سنجنده استفاده میشود. نگاشت PCA افزونگی اطلاعات را کاهش داده و پراکندگی رادیومتریکی مربوط به باندها را تبدیل به مولفه هاي طیفی غیر وابسته متعامد میکند. در بین مولفه هاي بدست آمده مقادیراولین مولفه (PC1) در الگوریتم براي تعیین عمق مورد استفاده قرار میگیرد. از آنجاکه باند آبی داراي بالاترین ضریب نفوذ درآب است بیشترین تاثیر را روي این مولفه دارد. البته این مولفه حاوي اطلاعات باندهاي سبز و قرمز نیز میباشد و به همین دلیل است که دقت تعیین عمق با آن بالاتر از دقت تعیین عمق با هر یک از باندها به تنهایی است.
در روشی که Mishra (2004) روي تصاویر Ikonos در ناحیه کم عمق وشفاف ارائه کرده است بجاي استفاده از مقادیر بازتابش مستقیماً از مقادیر روشنایی((GVs استفاده (2) و pca را بر روي این مقادیر اعمال نموده است.[4]
که فرمول (2)را به شکل زیر میتوان ساده کرد:
با در نظر گرفتن
می توان فرمول را به شکل سادهتر زیر نوشت:
ترم ln(Vi-Vsi) به عنوان مقدار تصحیح اتمسفري شده یا مقدار روشنایی تبدیل شده در نظر گرفته میشود. با ارتباط میان بازتابهاي بدست آمده از چند نقطه تصویر با دادههاي عمق نظیر آن میتوان ضرایب رگرسیون((m,b را بدست آورد. چنانچه براي بدست آوردن آنها از دادههاي تصویري مربوط به بسترهاي گوناگون استفاده شود، این ضرایب بدست آمده ناصحیح خواهند بود. بنابراین براي بدست آوردن این ضرایب، میبایست جنس بستر در قسمتهاي مختلف تصویر معلوم باشد.
روش بر مبناي حداکثر عمق نفوذ آب Dop (روش [1] (Jupp
این روش بر مبناي مدل Polcyn و داراي سه فرض اساسی است: [5 ]
تضعیف نور تابعی نمایی از عمق است.
کیفیت آب و ضریب تضعیف K در تصویر تغییري نمیکند.
رنگ و خصوصیات انکساري بستر آب ثابت است.
اجراي این روش داراي دو قسمت است:
.1تقسیم بندي تصویر بر اساس حداکثر عمق نفوذ هر باند وتعیین زونها..2 درونیابی عمق در هر زون.
از آنجا که هر باند داراي قدرت نفوذ متفاوتی میباشد در این روش پیشنهاد شده است تا براي تعیین عمق در هر قسمت تصویر از باندهاي متفاوتی استفاده شود. براي تهیه زونها ناحیهاي از آب عمیق در منطقه اي یکسان در هر باند از تصویر انتخاب میشود و حداکثر مقدار درجه خاکستري مربوط به این ناحیه در هر باند محاسبه میشود. بنابراین اگر مقادیر درجه خاکستري در ناحیهاي از هر باند بیشتر از حداکثر مقدار درجه خاکستري آب عمیق در آن باشد، میتوان فرض کرد انرژي نور توانسته است از بستر دریا به سنجنده برسد. در مرحله بعد، مقادیر حداکثري در هر باند به مقادیر عمقی متناظرش که از دادههاي عمقسنجی زمینی بدست آمده است نسبت داده میشود. به این ترتیب میتوان از طریق فرم مشابه زیر(جدول (1 که براي تصاویر لندست و در چهار باند تهیه شده است براي هر محدوده عمق، ماسکهایی تهیه و به تصویر اعمال کرد که موجب تقسیمبندي تصویر به زونهاي مورد نظر میشود.
بعد از این مرحله مقدار عمق براي هر پیکسل در هر زون ازطریق درونیابی میان محدوده عمق در آن زون، بدست میآید. در زیر مراحل انجام این کار براي زون دو شرح داده میشود.[10] طبق فرمول Polcyn (1970) و با فرض تساوي ضریب تضعیف به سمت بالا و پایین در آب، این رابطه براي باند دو به فرم زیر خواهد بود:
(6) L2=Ls2+r2e-2k2z
و با در نظر گرفتن X2=Ln( L2- Ls2) این رابطه به شکل خطی با z به صورت زیر است:
(7) X2=Ln(r2)-2k2z
از آنجا که Ln(r2) طبق فرضهاي اولیه تئوري براي باند دو ثابت خواهد بود میتوان آن را با A2 نشان داد و در نتیجه:
X2= A2-2 k2z (8)
با پیدا کردن مقدار A2 و ضریب تضعیف باند دو (k2) میتوان مقدار z را در هر نقطه از زون دو بدست آورد. بدین منظور میبایست مقادیر X2min و X2max را بدست آورد. مقدار X2min از قرار دادن zmax و مقدار روشنایی مربوط به آن (L2 deep max +1) در زون دو در فرمول (8) و مقدار X2max از قرار دادن zmin و مقدار روشنایی مربوط به آن (حداکثر مقدار روشنایی بدست آمده از هیستوگرام)در زون دو در فرمول (8)بدست میآید. مقدار zmax بیشترین مقدار عمق نفوذي است که از باند دو بدست آمده و zmin بیشترین مقدار عمق نفوذ از باند سه است. بنابراین طبق روابط زیر میتوان مقادیر مجهول k2 و A2 را بدست آورد و سپس مقدار z را در هر پیکسل در زون مربوطه بدست آورد.
روش تعیین عمق بر مبناي ترکیب باندها Lyzenga(1978)
Lyzenga روشی مستقل از تغییر عمق براي تهیه نقشه جنس بستر دریا پیشنهاد کرده است که تنها براي آبهاي شفاف نوع یک یا دو مناسب است. در این روش تصحیح اتمسفري براساس اهداف تیره است.[6]
Xi = ln (Li - Lsi ) (12)
در این رابطه Li انرژي بازتابیده پیکسل در باند i و Lsi انرژي میانگین آب عمیق در باند i است. بنابراین Li - Lsi برابر انرژي بازتابیده تصحیح اتمسفري شده میباشد. همانطور که قبلاً ذکر شد شدت نور به صورت نمایی با افزایش عمق در آب کاهش مییابد و در نتیجه لگاریتم انرژيهاي تصحیح اتمسفري شده به طور خطی با افزایش عمق کاهش مییابند.
شکل 3 پردازش هاي تصحیح ستون آب و مراحل بدست آوردن اندکس بسترهاي شنی و چمن دریایی را نشان میدهد:[7]
