بخشی از مقاله
چکیده
در چند دهه گذشته وقوع پدیده کشند قرمز رشد روز افزونی داشته و به یکی از نگرانیهای شهرهای ساحلی تبدیل شده است. به دلیل زیان بار بودن پدیده کشند قرمز هم برای انسان و هم برای موجودات دریایی و خسارات جبران ناپذیر این پدیده بر صنعت ماهیگیری، کشف به موقع آن به منظور انجام اقدامات مناسب برای جلوگیری از گسترش کشند قرمز ضروری میباشد. در این پژوهش از باندهای قرمز 665 - نانومتر - ، سبز 560 - نانومتر - ، آبی 490 - نانومتر - و دو باند در محدوده مادون قرمز 842 - و 865 نانومتر - تصاویر ماهواره سنتینل-2 به منظور کشف پدیده کشند قرمز در جزیره لانتائو هنگکنگ استفاده شده است.
در این روش برخلاف روشهای پیشین ارائه شده، ویژگیهای طیفی مورد استفاده برای کشف پدیده و حد آستانه این ویژگیها به صورت اتوماتیک، سازگار با منطقه مطالعاتی و نوع کشند قرمز واقع شده در آن منطقهصرفاً، با در اختیار داشتن دو تصویر از منطقه قبل از وقوع و یک تصویر هنگام وقوع پدیده انتخاب میشود. برای بررسی کارایی الگوریتم از دادههای میدانی دانلود شده از پایگاه داده کشند قرمز هنگ کنگ استفاده شد و مشخص گردید 84 درصد نقاط قرارگرفته در محل وقوع پدیده به عنوان کشند قرمز و 97 درصد نقاط قرارگرفته در خارج از محل وقوع به عنوان عدم وقوع کشند قرمز به درستی توسط الگوریتم تشخیص داده شدهاند.
-1 مقدمه
پدیده کشند قرمز در سال های اخیر به یکی از بزرگترین نگرانیهای مناطق ساحلی تبدیل شده است. این پدیده به علت رشد انفجارگونه انواع مختلف فیتوپلانکتونها رخ میدهد. برخی از انواع این فیتوپلانکتون ها مواد سمی از خود ترشح کرده که برای انسان و زیست دریایی مضر است و انواع دیگر که ماده سمی از خود ترشح نمی کنند میتوانند با مصرف اکسیژن حل نشده موجود درآب باعث مرگ و میر آبزیان و لطمه به صنعت ماهیگیری بشوند.[1]
براساس گزارش پایگاه داده کشند قرمز هنگکنگ، در سه سال گذشته این پدیده بیش از 200 بار در مساحتهای مختلف در این منطقه اتفاق افتاده و در برخی موارد باعث ایجاد خسارت به صنعت ماهیگیری شده است. در برخی مطالعات با بررسی بیشتر توصیفی داده غلظت کلروفیل و دمای سطح آب سنجندههایی مانند SeaWiFS و MODIS و تکیه بر دادههای میدانی اقدام به کشف، بررسی و نظارت بر پدیده کشند قرمز شده است.[2,1]
از جمله روشهای دیگر برای کشف پدیده کشند قرمز، اعمال الگوریتمهای کشف آنومالی بر روی داده غلظت کلروفیل و دمای سطح آب میباشد که برخی محققین از این روش برای نظارت بر پدیده کشند قرمز در کالیفرنیا و خلیج مکزیک استفاده کردهاند.[3] در برخی موارد محققین اقدام به ارائه اندکس کشند قرمز نموده و در منطقه مطالعاتی خاص به نتایج قابل قبولی رسیدهاند. اکثر این اندکس ها برای باندهای سنجنده SeaWiFS طراحی شده است.[4]
از جمله روشهای دیگر برای کشف پدیده کشند قرمز می توان به محاسبه نسبت بازتابش در باندهای آبی و سبز و قرمز و مادون قرمز و در نظر گرفتن یک حد آستانه نام برد. همچنین تفاضل بازتابش در باندهای مختلف از دیگر روشهای مرسوم برای کشف تودههای فیتوپلانکتونی میباشد که بدین منظور می توان از تفاضل بازتابش در باندهای قرمز، آبی، سبز و مادون قرمز استفاده کرد.[5]
در سال 2006 محققین از روش نسبت بازتابش در باندهای مختلف برای کشف کشند قرمز در آبهای کشور کره و با استفاده از تصاویر ماهواره Landsat استفاده کردند.[6] همچنین در سال 2008 از روش تفاضل بازتابش در باندهای مختلف برای مطالعه پدیده کشند قرمز در آبهای شمال غربی اقیانوس آرام در کنار دادههای جریانهای اقیانوسی استفاده شد.[7] اکثر الگوریتمهای فوق برای سنجنده های MODIS و SeaWiFS معرفی شدهاند. مشکل اول در این سنجندهها توان تفکیک مکانی ضعیف آنها بوده که امکان بررسی پدیده در مقیاس کوچک را فراهم نمیکند. همچنین سنجنده SeaWiFS از سال 2010 از رده خارج شده است.
همچنین کشند قرمز انواع مختلفی دارد که هرکدام دارای ویژگیهای نوری متفاوتی هستند و اغلب روشهای فوق برای کشند قرمز خاص در منطقهای خاص کاربرد داشته و با تغییر منطقه مطالعاتی و یا نوع کشند قرمز، ممکن است کارایی خود را از دست بدهند. هدف از انجام این تحقیق، بکارگیری تصاویر تصحیح اتمسفری شده ماهواره سنتینل-2 با توان تفکیک مکانی 10 و 20 متر، برای کشف پدیده کشند قرمز، به منظور امکان بررسی پدیده در مقیاسهای کوچک و استخراج هوشمند ویژگیهای طیفی متناسب با نوع پدیده و محل وقوع آن، به منظور کشف پدیده، میباشد.
-2 دادهها و روشها
-2-1 مورد مطالعاتی
بر اساس اعلام پایگاه داده کشند قرمز هنگکنگ، در آبهای شرقی جزیره لانتائو بزرگترین کشند قرمز سه سال اخیر از نظر مساحت در فاصله زمانی 21 جولای 2017 تا 2 آگوست 2017 اتفاق افتاده است. فیتوپلانکتون به وجود آورنده این پدیده از نوع Thalassiosira pseudonana بوده و غلظت رنگدانه این فیتوپلانکتونها بزرگتر از 50000 سلول بر میلیلیتر گزارش شده است.
-2-2 داده ماهوارهای مورد استفاده و تصحیح اتمسفری
برای بررسی پدیده کشند قرمز از سه تصویر ماهواره سنتینل-2 که به ترتیب قبل، هنگام و بعد از کشند قرمز از منطقه مورد مطالعه اخذ شده اند استفاده گردیده است. بدین منظور از باندهای 2، 3، 4، 8 و 8A تصویر استفاده شده که توان تفکیک مکانی همه آنها بغیر از باند 8A که 20 متر میباشد، 10 متر است. تمامی تصاویر قبل از استفاده در نرم افزار اسنپ با استفاده از جعبه ابزار sen2cor تصحیح اتمسفری شدهاند . همچنین کلاسهبندی تصویر از دیگر خروجیهای این مرحله بوده که در مراحلی از الگوریتم از آن استفاده میگردد.
همانطور که در فلوچارت مشخص است، الگوریتم پیشنهادی در شش مرحله کلی بر روی سه تصویر اخذ شده از منطقه اجرا می شود . مراحل دو و چهار به حذف هوشمند قطعاتی اختصاص دارند که ممکن است به هر دلیل مناسب قرار گرفتن در پایه محاسبات بعدی نباشند و به همین دلیل این مراحل از اهمیت بالایی برخوردار هستند. در مرحله پنج ویژگیهای طیفی و حد آستانه آنها استخراج شده و در مرحله ششم تصمیمگیری نهایی در مورد هر پیکسل به منظور وقوع یا عدم وقوع پدیده با استفاده از روش رای اکثریت صورت میگیرد که در ادامه در خصوص مراحل مختلف الگوریتم پیشنهادی توضیحات بیشتری داده شده است.
