بخشی از مقاله
چکیده
اقلیم شناسی پدیده گرد و غبار به طور عمده بر پایه اندازهگیریهای مختلفی است که بهوسیله تکنیکهای سنجش از دور و تحلیل دادههای غبار و مدلسازیهای عددی انجام میشود. از بین این روشها تحلیل رخداد غبار و تحلیل دادههای ماهوارهای معمولتر می باشد. تعیین غلظت غبار در این تحقیق براساس روش اهداف تیره است. باندهای بکار برده شده در این روش، باند 0/66، 0/47 و 2/12 میکرومتر می باشد. از باند 2/12 میکرومتر برای تعیین بازتابندگی سطوح تاریک استفاده میشود. وقتی بازتابندگی بزرگتر از 0/05 باشد، عدم اطمینان در رابطه بین بازتابندگی در باندهای 2/12 با باندهای 0/47 و 0/66 بهوجود میآید.
اگر سطوح به اندازه کافی در باند 2/12 میکرومتر تاریک نباشد، استخراج خصوصیات هواویزها با دقت کمتری که ناشی از بازتابندگی زیاد سطوح است، امکانپذیر است. در نهایت با در نظر گرفتن ضریب غلظت، مقادیر عمق نوری به غلظت غبار تبدیل شد. و در نهایت بازتاب سطحی در باندهای 2/12 و 0/66 0/47 میکرومتر به دست آمد و در ادامه نیز عمق نوری در باند 0/47 محاسبه و غلظت غبار نیز بدست آمد.
.1 مقدمه
ذرات غبار براساس قطرشان بهوسیله باد تا فواصل مختلفی حمل میشوند و در جایی در پایین دست منطقه در سطح زمین رسوب میکنند. در جو وجود ذرات غبار فرایندهایی مانند تشکیل ابر و تابش را تحت تأثیر قرار میدهد. غلظت بالای ذرات معلق بر سلامتی افراد جامعه تأثیر زیادی دارد. غلظت ذرات 1PM10 و 2PM2.5 بهعنوان شاخصهای کلیدی کیفیت هوا در نظر گرفته میشوند. فرسایش بادی منجر به کیفیت بحرانی هوا در مناطق پرجمعیت میشود که در نزدیکی چشمههای اصلی تولید غبار هستند و موجب اختلال در فعالیتهای اجتماعی و اقتصادی افراد جامعه میشود و از همه مهمتر بر سلامتی آنها تاثیرات مضری دارد.
در این ذرات آلایندههای زیادی یافت شدهاند که از جمله آنها فلزات، علفکشها، دیگزین و ذرات هستهای میباشند، بنابراین کمیسازی چشمههای غبار و برآورد غلظت غبار در مطالعات کیفیت هوا بسیار با اهمیت است - . - 5 بررسی تغییرات مکانی و زمانی گرد و غبار نیازمند اطلاع از وضعیت زمین شناسی، اقلیمشناسی و سینوپتیک این پدیده است. اقلیم شناسی پدیده گرد و غبار به طور عمده بر پایه اندازهگیریهای مختلفی است که بهوسیله تکنیکهای سنجش از دور و تحلیل دادههای غبار و مدلسازیهای عددی انجام میشود. از بین این روشها تحلیل رخداد غبار و تحلیل دادههای ماهوارهای معمولتر است - . - 9 هر چند دادههای هواشناسی برای مناطق بیابانینسبتاً کم هستند و شبکه ایستگاههای هواشناسی در مناطق غیر بیابانی متراکم نیستند ولی ماهوارههای مشاهده زمینی اطلاعات گستردهای را برای مطالعه غبار در مقیاس وسیع تهیه میکند.
با استفاده از عمق نوری هواویز 7 - ، - 10 و شاخص جذب هواویز که از سیگنالهای ماهوارهای استخراج میشوند - 6 - ، میتوان اطلاعات زیادی را در مورد غبار در مقیاس وسیع بهدست آورد. ماهوارههای سنجش از دور دارای مزایای زیادی در پایش غبار هستند که بهدلیل پوشش مکانی و زمانی فوقالعاده آنها است. سنجندههای ماهواره توانایی ثبت سیگنالهای تابشی از هواویزها و سطوح مختلف زمین در باندهای مختلف طیفی را دارند. این کانالها بهطور معمول با روزنههای جوی3 و باند جذب بخار آب هماهنگ هستند.
سیگنال باندهای مختلف برای آشکارسازی پدیدههای غبار میتوانند ترکیب شوند و با استفاده از این ترکیبات، متغیرهایی را برای کمیسازی بار غبار و اندازه ذرات غبار میتوان استخراج نمود - . - 4 پدیده گرد و غبار و توفانهای گرد و غباری از نیمه دوم قرن بیستم مورد توجه بسیاری از محققان در سطح جهان قرار گرفته و در کشور نیز از دهه 70 به بعد مورد توجه محققان کشور قرار گرفته است که هر یک از جنبههایی آن را مورد مطالعه و بررسی قرار دادند که از جمله این موارد می توان به مطالعات تجریشی در سال 1385 اشاره کرد که، پارامتر ضخامت نوری هواویزها را بازتاب کننده غلظت ذرات معلق معرفی کردند و سپس داده های MODIS-AOD در دوره های 20 اکتبر تا 7 نوامبر - 28 مهر تا 16 آبان - و 6 تا 22 آوریل - 18 فروردین تا 3 اردیبهشت - برای دو ماهواره ترا و آکوا بر فراز شهر تهران اخذ و پردازش نمودند.
در این مقایسه ضریب همبستگی میان داده های زمینی برای ماهواره آکوا برابر 0/22 و برای ماهواره ترا 0/17 حاصل شد که همبستگی خوبی در این بازه مشاهده نشد - . - 3 در سال 1389 نیز قربانی و همکارانش در مطالعه ای توانایی داده های سنجنده MODIS در تحلیلهای کیفی و کمی کیفیت هوا در مناطق شهری را مورد بررسی قرار دادند. آنها در پژوهش خود از تصاویر ماهواره ای سطح اول و داده های سطح دوم این سنجنده، به همراه داده های سطح دوم این سنجنده، به همراه داده های حاصل از اندازه گیریهای ایستگاه های زمینی سنجش آلودگی هوا برای انجام تحلیلهای کیفی و کمی ذرات معلق هوا در سطوح وسیع استفاده کردند و با محاسبه ضخامت نوری هواویزها از تصاویر مودیس، برای شهر تهران رابطه خطی بین داده های زمینی و داده های ماهواره ای استحراج کرد که ضریب همبستگی آن حدود شد که نشان داد بطور کلی این همبستگی برای سنجنده های با دقت در حد MODIS و قدرت تفکیک مکانی آن، قابل قبول می باشد - . - 2
حجازی نیز با استفاده از رگرسیون خطی، بین سهم بازتابندگی ناشی از پراکنش توسط هواویزهای مستخرج از داده های سنجنده MODIS و غلظت ذرات معلق با قطر کمتر از 2/5 میکرومتر اندازه گیری شده توسط 12 ایستگاه آلودگی سنج شهر تهران یک ارتباط برقرار کرد و نقشه توزیع مکانی ذرات معلق با قطر کمتر از 2/5 میکرومتر در هوای تهران را تهیه کرد. وی در پژوهش خود از روش هواویزها به جای عمق نوری آئروسل برای برآورد روزانه غلظت ذرات معلق هوای تهران استفاده کرد که از نقاط قوت این روش به دلیل عدم استفاده از LUT4 می باشد زیرا این پیش فرضها دریچه ی ورود خطا به محاسبات خواهند بود . - 1 - مطالعات غبار با استفاده از تصاویر ماهواره در ایران تاکنون بر اساس ایجاد ماسکهای غبار و شناسایی ابر غبار از تصاویر بوده است که با استفاده از باند های مرئی و حرارتی انجام گردیده است. در این زمینه میتوان به مطالعات نظری - 1386 - ، صفرراد - 1391 - و اولاد - 1391 - نیز اشاره نمود.
.2 مواد و روش ها
برای استخراج مقادیر غبار از تصاویر ماهوارهای نیاز است بازتاب ثبت شده توسط سنجنده با استفاده از مدلهای انتقال تابش در جو شبیهسازی شود. برای این منظور نیاز به تعیین عمق نوری و خصوصیات تابشی برای گروههای مختلف اندازه ذرات در باندهای مختلف است. در این برنامه ماسک ابر براساس مقادیر بازتاب و انحراف معیار در باندهای 0/47 و 1/38 محاسبه شد. با تعیین ماسک ابر، ارزش پیکسلهای دارای ابر برابر با صفر میشود و با ضرب این ماسک در سایر باندها، اثر ابر در سایر باندها نیز از بین میرود. علاوه بر این برای تعیین اهداف تاریک از باندهای 0/66 و 2/12 میکرومتر استفاده شد. برای این دو باند نیز ماسکهایی تهیه شد.
در باند 2/12 در صورتی که مقادیر پیکسلهای این باند بین 0/01 و 0/25 نباشد، صفر در نظر گرفته میشود همچنین در باند 0/66، 50 درصد روشنترین پیکسلها و 20 درصد تاریکترین پیکسلها برابر با صفر قرار گرفت. این دو ماسک نیز در باندهای دیگر ضرب و پیکسلهای متناظر نیز از محاسبات بعدی حذف شد. کلیه محاسبات بر روی تصاویر در واحدهای 5×5 پیکسل انجام شد و دادههای 16 بیتی تصاویر MODIS به دامنه صفر تا یک تبدیل شد. با مقایسه بازتابهای بدست آمده با بازتاب ثبت شده در سنجنده مقادیر عمق نوری در هر باند بدست آمد و در نهایت با در نظر گرفتن ضریب غلظت، مقادیر عمق نوری به غلظت غبار تبدیل شد.
.3 یافته ها و بحث
با استفاده از تغییرات مکانی و مقادیر مطلق باندهای 0/47 µm و 1/38 µm ماسک ابر تهیه شد. استفاده از این دو باند اطلاعات مفیدی را در مورد ویژگیهای انواع ابرها بدست میدهد. در این صورت تغییرات مکانی باندهای 0/47 µm و 1/38 µm بهترتیب باید بزرگتر از 0/0025 و 0/003 باشد و همچنین مقادیر مطلق این دو باند باید از 0/4 و 0/025 بزرگتر باشد - . - 8 این الگوریتم مقادیر انحراف معیار را برای گروههای 3×3 پیکسل محاسبه میکند .
اگر انحراف معیار بزرگتر از 0/0025 در باند µm 0/47 باشد، گروه 3×3 پیکسل در تمامی باندها ماسک میشود. این بدین معنی است که بدون توجه به اندازه تفکیک مکانی، بازتاب در تمامی باندها بهصورت ترکیب شده با بازتاب ابرها در نظر گرفته میشود و مناطقی به وسعت 1/5×1/5 کیلومتر از محاسبات در تمام باندها حذف میشوند. در این الگوریتم آزمون آستانه انعکاسی باند مرئی با استفاده از باند 0/47 µm انجام میگیرد. اگر ارزش پیکسل از 0/4 بیشتر باشد، این پیکسل ابر در نظر گرفته میشود و در سایر باندها نیز ماسک میشود. آزمون آستانه و تغیر مکانی در باند 1/38 µm نیز مشابه با باند 0/47 µm است. هرچند در این باند اندازه تفکیک مکانی بزرگتر - 1 km - است و منطقه بزرگتری - 3×3 km - را پوشش میدهد. در نهایت ماسک ابر از ترکیب چهار عملیات فوق بدست میآید.
