بخشی از مقاله
تخمین سطح پوشش برف با استفاده از تصاویر اهوارهای لندست-8
چکیده
شناسایی و تخمین سطح پوشش برف نقش بسزایی در مطالعات هیدرولوژی، مدیریت و تامین منابع آبی و مسائل مربـوط بـه روان آب حاصل از ذوب برف از جمله بررسی خطر سیل دارد. مناطق برفی عموما در مناطق کوهستانی و صـعب العبـور قـرار دارنــد لــذا بررســیهای میــدانی بســیار پرهزینــه و مشــکل اســت؛ و همچنــین اســتفاده از ایســتگاههای هواشناســی دارای محدودیتهایی در تعداد و پراکندگی هستند. استفاده از تصاویر ماهوارهای و سنجش از دوری با توجه به هزینـه کـم، بـه روز بودن و پوشش وسیع میتواند در این زمینه راه گشا باشد. بر همین مبنا با توجه به اینکه مـاهوارهی لندسـت-8 دارای قـدرت تفکیک مکانی وطیفی مناسب است هدف اصلی این پژوهش تخمـین سـطح پوشـیده شـده از بـرف بـا اسـتفاده از تصـاویر ماهوارهای لندست-8 میباشد. به این منظور ابتدا با بررسی رفتار طیفی برف، شاخص و حد آستانه مطلـوب بـرروی بانـدهای محدوده مرئی، مادون قرمز میانی و حرارتی طیف الکترومغناطیس، طراحی شدند و پیکسلهای برفی شناسایی شدند و سپس براساس قدرت تفکیک مکانی و تعداد پیکسلهای شناسایی شده در مرحله قبل سطح پوشیده شده از برف تخمین زده شد.
کلمات کلیدی: برف، دمای سطح زمین، لندست-8، سنجش از دور حراتی .
.1 مقدمه
مساحت پوشش برف، پارامتر مهمی در بررسی و مطالعه چرخه هیدرولوژی و مطالعات اقلیم شناسی است. پوشش برف نقش موثری در بررسی منابع تامین آب، رطوبت خاک و بودجه انرژی سطح زمین دارد. آگاهی از میزان ذخایر برفی نقش بسزایی در برنامه ریزیهای مدیریتی در حوزه منابع آبی و محیط زیست دارد[6] این پارامتر میتواند در کنترل سیلاب ها و جلوگیری از ایجاد سیل موثر باشد. با استفاده از مساحت پوشش برف میتوان میزان روان آب حاصل از ذوب را محاسبه کرد. بنابراین، پایش مکانی و زمانی سطح پوشیده شده از برف و آب معادل برف از اهمیت بالایی برخوردار است .
بررسی سطوح برفی با توجه به اینکه عموما این سطوح در مناطق کوهستانی، مرتفع و صعب العبور قرار دارند از طریق مطالعات میدانی و منطقهای با محدودیتها و مشکلات زیادی همراه است. مطالعات میدانی بسیار پرهزینه و زمان بر است که در نتیجه روشی بهینه نیستند. همچنین استفاده از ایستگاههای هواشناسی به دلیل محدودیت در تعداد و ماهیت نقطهای بودن اندازهگیری آنها برای مطالعه این پدیده مناسب نیستند. استفاده از تصاویر ماهوارهای در این زمینه با توجه به ارزان بودن، پوشش وسیع و بروز بودن کاربرد وسیعی دارد. از تصاویر ماهوارهای در تعیین تغییرات روزانه سطح پوشش برف، دمای برف و عمق آب برف استفاده میشود.
در این تحقیق با توجه به قدرت تفکیک مکانی وطیفی مناسب ماهواره لندست-8 از این ماهواره جهت استخراج سطح پوشش برف استفاده شد. برای این منظور ابتدا با بکارگیری و بررسی امضای طیفی برف و تابع پاسخ طیفی باندهای ماهواره لندست-8 شاخص و حد آستانههای مطلوب برای این ماهواره تعریف شد و بر مبنای همین شاخصها ابتدا پیکسلهای برفی استخراج و سپس براساس تعداد این پیکسلها و قدرت تفکیک مکانی لندست-8 مساحت پوشش برف در منطقه مورد مطالعه تعیین گردید.
.2 ماهواره لندست-8
ماهوارههای لندست توسط سازمان ناسا طراحی و در مدار قرار گرفته اند ماهوارههای لندست تا قبل از پرتاب ماهواره لندست 8 - شامل سه نسل بودند که ماهوارههای لندست 1، 2 و 3 نسل اول، لندست 4 و 5 نسل دوم و لندست 6 و 7 نسل سوم هستند. ماهوارههای لندست در مدارهای خورشید آهنگ در هر 99 دقیقه یک بار به دور زمین میگردند و مدار گردش این ماهوارهها به گونهای انتخاب شده که حدود ساعت 9/45 به وقت محلی، از بالای خط استوا عبور میکنند.[2]
ماهواره لندست 8- پروژه مشترک سازمان فضایی آمریکا و سازمان زمین شناسی این کشور بوده است که بطور موفقیت آمیز در 11 فوریه 2013 در مدار مربوط به خود قرار گرفت. این ماهواره از دو سنسور اصلی تشکیل شده است: (1 سنسور OLI که دارای 9 باند طیفی در محدوده مرئی، مادون قرمز نزدیک و مادون قرمز با طول موج کوتاه محدوده طیف الکترومغناطیس قرار دارد (2 سنسور TIRS که دارای 2 باند در محدوده مادون قرمز حرارتی است. توان تفکیکی مکانی این سنجنده در مورد باندهای سنسور 30 OLI متر می باشد و برای 2 باند حرارتی 100 متر است و این سنجنده دارای یک باند پانکروماتیک با توان تفکیک مکانی 15 متر می باشد. زمان عبور مجدد این سنجنده از یک منطقه 16 روز می باشد[5] داده های این سنجنده هم اکنون به صورت رایگان توسط سازمان زمین شناسی آمریکا ارائه می گردد. این دادهها را میتوان از طریق آدرس اینترنتی سایت زمین شناسی آمریکا (earthexplorer.usgs.gov) دریافت کرد. یکی از مهم ترین مزیتهای این ماهواره نسبت به نسلهای قبلی لندست مجهز شدن این ماهواره به دو باند حراتی و بهبود توان تفکیک مکانی باندهای غیر حرارتی این ماهواره میباشد. ابتدا دادههای این ماهواره دارای مشکلات و خطای کالیبراسیون بودند که در حال حاضر این مشکل رفع شده است و دادهها توسط سازمان زمین شناسی آمریکا مجددا مورد پردازش قرار گرفتند و تصحیح شدند. جدول 1 ویژگی باندهای این ماهواره را نشان میدهد.
جدول -1 ویژگی باندهای ماهواره لندست 8-
.3 استخراج برف از تصاویر لندست-8
در این بخش رفتار طیفی برف و همچنین مقایسه رفتار طیفی آن با سایر پدیدهها بررسی شده است. با توجه به این بررسی جهت استخراج پیکسلهای برفی از تصاویر ماهواره لندست-8 از سه محدوده مرئی، مادون قرمز میانی و حرارتی استفاده شد. که در این قسمت شرح داده شدند. شکل 1 نشان دهنده امضای طیفی سه نوع برف دانه ریز، متوسط و درشت میباشد که از کتابخانه طیفی استر استخراج شدهاند.
شکل -1 امضای طیفی انواع برف (نمودار افقی: طول موج - نمودار عمودی: میزان انعکاس) [3]
.1-3 محدوده مرئی
با توجه به شکل 1 میتوان گفت که انعکاس برف در محدوده مرئی طیف الکترومغناطیس بالاست و همانطور که مشخص مقدار این انعکاس در محدوده بین 85 تا 95 درصد است. همچنین افزایش اندازه ذرات برف باعث کاهش در مقدار انعکاس میشود. بررسی امضای طیفی برف با سایر پدیدهها که در شکل 2 نشان داده شده است نشان میدهد که برف نسبت به سایر پدیدهها دارای انعکاس بالاتری در محدوده مرئی میباشد البته ابر هم دارای انعکاس بالایی در این محدوده میباشد. در نتیجه براساس موارد ذکر شده میتوان برف را نسبت به سایر پدیدهها در این باند براساس انعکاس بالا تشخیص داد که این مقدار در حدود 90 درصد است البته استفاده از این باند به تنهایی نمیتواند راهگشا باشد چون ابر شرایط مشابهی با برف در این محدوده دارد.
