بخشی از مقاله
چکیده
ذخیره برف در حوزههای کوهستانی از منابع آب مهم است. طبق برسی های انجامشده حدود60 درصد آبهای سطحی و57 درصد آبهای زیرزمینی کشور در مناطق برفگیر جریان دارند .در سالهای اخیر اهمیت و کاربردهای دادههای روزنه ترکیبی راداری - - SARبا توجه به مزیتهای عمدهای نسبت به سایر سیستمهای سنجشازدور دارند رو به فزونی بوده است
در این پژوهش ابتدا با استفاده از تولیدات ماهواره MODIS و الگوریتمSnow map نقشه سطح پوشش برف وسپس با استفاده ازدوازده تصویر راداری سنجنده TERRA SAR X BAND و DINSARبه گونه ای که ابتدا یک تصویر به عنوان تصویر پایه وبقیه تصاویر نسبت به تصویر اول تداخل سنجی انجام شد سپس بین مناطقی که پوشش برف بود مقدار جابه جای بدست آمده انها نشان دهنده تغیرات عمق برف است ودر مرحله بعد نقشه عمق برف بین مهرماه 1391تا اردیبهشت1392 استخراج شد.که نتایج بیان گیر دقت کلی 91.3 درصدو ضریب کاپای 84.45 نقشه سطح برف و نقشه عمق برف با ضریب تعمیم 85 درصد و RMSE برابر 2.78 است که این نتیجه که ازلحاظ آمار در سطح 99 درصد معنیدار بود .
مقدمه
برف مخلوطی از کریستال های یخ ، آب به حالت مایع و هواست. کریستال های یخ به جای مانده بر سطح زمین حاصل نزولات اتمسفری یا باد هستند. در صورتی که سطح برف در مجاورت اتمسفر آلوده قرار بگیرد ، سطح روی آن را لایه ای از غبار خواهد پوشاند. - 40 - برف تا حداکثر 53% سطوح زمین در نیمکره شمالی و تا حداکثر 44% کره زمین در هر فصل را می پوشاند. حداقل یک سوم آب مصرفی جهت آبیاری باغات و زمین های کشاورزی در جهان از آب حاصل از ذوب برف تامین می شود.
همچنین برف در تامین آب شیرین مصرفی مورد نیاز بشر اهمیت بسیاری دارد. وجود برف در حوضه های آبریز تاثیر به سزایی در توان ذخیره آب و همچنین برقراری تعادل در چرخه آب و انرژی دارد. برای مثال آلبیدو بالای برف موجب انعکاس بالاتر درصدی از اشعه خورشید و ریزموج نسبت به سطوح فاقد برف شده و سطح پوشاننده عایقی بر روی زمین را تشکیل می دهد؛ بنابراین با وجود سرد بودن دمای هوا در بالای برف خاک زیرین یخ نمی زند و در برابر هوای سرد محافظت می شود
مدلسازی روان آب ذوب برف از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا دانش کافی از پوشش برف علاوه بر مدیریت مصرف آب ناشی از ذوب برف می توانند به مسئولین برای آمادگی بیشتر جهت رویارویی با مشکلات ترافیک و حمل و نقل جاده ای و حوادثی از جمله سیل و بهمن یاری رساند. امروزه سنجش از دور در زمینه برف سنجی و کاربرد هیدرولوژی برف نقش مهمی را ایفا می کند.
نقشه های پوشش برف روزانه ، بیشینه و میانگین چند روزه و همچنین نقشه های آب معادل برف روزانه و میانگین چند روزه از جمله اطلاعات تولید شده به کمک فناوری سنجش از دور و مورد نیاز در مدلسازی ذوب برف است. باید اشاره کرد که این اطلاعات به تنهایی نمی تواند به صورت کاربردی مورد استفاده قرار گیرد و از تلفیق آنها با محصولات دیگر سنجش از دور و یا اطلاعات زمینی استخراج شده است که می توان نقشه های قابل اطمینانی را برای به کارگیری در مدل های هیدرولوژیکی تولید نمود.
از تلفیق تصاویر راداری وتصاویر اپتیکی که از لحاظ قدرت تفکیک مکانی به هم نزدیک هستند و همچنین مدل رقومی منطقه می توان نقشه ی برف با تفکیک کلاس های برف خیس و برف خشک تولید نمود. با استفاده از تصاویر راداری در قطبیت های افقی و عمودی و فرکانس های مختلف ، مشخصه های برف از جمله آب معادل استخراج شده است.
رادار با گشایش مصنوعی با استفاده از روش های پردازش سیگنال و استفاده از اثر تغییر فرکانس داپلر به کمک اطلاعات مداری ماهواره می تواند تصاویری با قدرت تفکیک بالاتر ایجاد نماید. پردازش رادار با گشایش مصنوعی به طرز قابل قبولی قدرت تفکیک نقاط هدف را در راستای حرکت ماهواره و نیز عمود بر جهت پرواز ، بهبود می بخشد. قدرت تفکیک مناسب در جهت عمود بر راستای پرواز از طریق استفاده از سیگنال رادار با پهنای باند بالا به دست می آید. به علت که شیفت فرکانس داپلر به موقعیت هدف قبل و یا بعد از مرکز تابش راداری وابسته است ، فرکانس سیگنال برگشتی از هدف ، تا زمانی که نقطه هدف در جای پای رادار قرار دارد یک باند فرکانسی را جاروب می نماید. با چنین اطلاعاتی سیگنال با پهنای باند وسیع در جهت آزیموت تولید می شود و این خود سبب بهبود قدرت تفکیک می شود.
روش اینترفرومتری فاز در تصاویر راداری نیز در تعیین آب معادل برف مورد استفاده قرار گرفته است.توانایی InSARدر تهیه نقشه های توپوگرافی و کشف جابجایی ها در تغییر شکل های زمین ناشی از عوامل گوناگون چون زلزله ، استخراج معادن ، آتش فشان وغیره اثبات شده است. اگرچه برای انجام این منظورها امکانات دیگری چون GPS، توتال استیشن ،لیزر اسکن ها وغیره در اختیار است اما به دلایل زیر که مقایسه ای است بین این روشها و روش InSAR ، مطالعه واستفاده از این تکنیک لازم می نماید
در یک سیستم تصویر برداری رادار ، سنجنده رادار فرستنده و گیرنده موج در طیف میکروویو است. در این نوع تصویر برداری امکان تهیه ی تصویر در هر شرایط آب و هوایی ، روشنایی و با قدرت تفکیک مکانی بالا فراهم است. علاوه بر این ، مانند تصاویر سنجنده های غیر فعال میکروویو ، به علت نفوذ امواج میکروویو در سطوحی مانند : برف ، یخ ، خاک و ....امکان ثبت اطلاعات راجع به خصوصیات زیرین این سطوح نیز در تصویر برداری رادار ممکن شده است.
تصویر برداری رادار با گشایش مصنوعی سیستمی فعال است که در آن می توان تفکیک مکانی تصویر برداری نسبت به تصویر برداری رادار در هر دو راستای پرواز و عمود بر پرواز افزایش یافته است. هرچه طول موج بیشتر شود نفوذ بیشتر خواهد شد. طول موج های بلندتر از تابش مایکروویو - به عنوان مثال، نسبت به نور مرئی - به معنای آن است که رادارهای تصویربرداری به مشکلات معمول از اتمسفر میرایی حساس نیستند معمولا تنها باران بسیار سنگین مانع از انتقال انرژی مایکروویو هستند. در اصل، سیگنال های رادار قادر به نفوذ در عوارضی که جامد فرض میشوند را دارند از جمله پوشش گیاهی و سطح خاک. .در عمل، ارزیابی وجود یا مقدار نفوذ راداردر اجسام جهت تفسیر تصاویر خاص بسیار دشوار است.
میزان نفوذ با عمق پوسته ارزیابی میشود عمقی که قدرت سیگنال را به1/e مقدار سطح، یا در حدود %37 کاهش میدهد. عوارض مختلف نفوذ متفاوتی دارند: مشخصات عمق پوست، که در واحد استاندارد طول اندازهگیری شده، مقادیر میانگین تغییر سیگنال رادار به میزان نفوذ در اجسام مختلف را ارایه میدهد. بازه ی طیفی سنجنده های رادار با گشایش مصنوعی قادر به تصویر برداری در باند های 0 Lبا فرکانس - 1.25GH طول موج - 24cm با فرکانس - 5.3GH طول موج - 5.6cm و باند X با فرکانس - 9.6GH طول موج - 3.1cm هستند. هرچه طول موج بیشتر باشد قدرت نفوذ موج در پدیده ای مانند خاک و یا برف نیز افزایش می یابد.
همچنین رطوبت در خاک یا برف باعث کاهش شدید نفوذ موج به عمق خاک یا برف می شود. به طوری که نفوذ باند L وباند C در برف خشک به ترتیب حدود 50 و 20 متر است و در صورتی برف مرطوب باشد ، این نفوذ به چند سانتی متر کاهش می یابد. - 45 - در صورتی که برف خشک باشد ، در باند C رادار مقادیر پس پراکنش از سطح زیرین برف غالب است و تصاویر حاصل از باند C که دارای برف خشک و یا بدون برف هستند ، شباهت زیادی دارند. در صورتی که برف مرطوب باشد ، مقادیر پس پراکنش به دلیل جذب موج توسط آب موجود در برف کاهش می یابد و بنابراین برف مرطوب از سایر پدیده ها قابل تشخیص خواهد بود. مطالعات تئوری و تجربی نشان می دهد راداری با فرکانس دوگانه در باند X وباند Ku با قطبیت های مشابه و متفاوت می تواند پارامتر های مطلوب برف را به خوبی برآورد کند
منطقه مورد مطالعه
ارتفاعات تهران در 51 درجه و 6 دقیقه تا 51 درجه و 38 دقیقه طول شرقی و 35 درجه و 34 دقیقه تا 35 درجه
و 51 دقیقه عرض شمالی قرار گرفتهاست و ارتفاع آن از سطح آبهای آزاد بین 1800 متر در شمال تا 5610 متر در مرکز و در جنوب متغیّر است. تهران در بین دو وادی کوه و کویر و در دامنههای جنوبی رشته کوه البرز گسترده شده است
شکل 1 نقشه منطقه مورد مطالعه
داده های سنجنده نوری وراداری
داده های ماهواره ماهواره terra sar x band
ماهواره - terra sar x bandهمچنین به عنوان TSX یا 1-TSX نامیده می شود - یک ماهوارهای آلمانی SAR برای کاربردهای علمی و تجاری - پروژه ملی - است. این ماهواره خورشید اهنگ با مداری نزدیک قطبی در ارتفاع514.8 کیلومتری سطح زمین در مدار قرار دارد .در این پژوهش از تصاویر ماهواره TERRA SAR Xدر بازه زمانی ماه اکتبر سال 2012 تاماه می2013در منطقه تهران به تعداد دوازده تصویر مورد استفاده قرار گرفت مد تصویر بردار ی که برای این پژوهش استفاده شده است
