سنجش از دور از مشاهده زمین تا تصمیم آگاهانه – فصل دوم

توضیحات

سنجش از دور؛ از مشاهده زمین تا تصمیم آگاهانه

فصل دوم

عنوان پادکست: سفر انرژی؛ از منبع تا پیکسل

وقتی یک تصویر ماهواره‌ای را مشاهده می‌کنیم، معمولاً نخستین چیزی که توجه ما را جلب می‌کند رنگ‌ها، الگوها و شکل عوارض است. اما در پشت هر پیکسل، فرایندی فیزیکی و پیچیده قرار دارد؛ فرایندی که با تولید انرژی آغاز می‌شود و با ثبت یک مقدار عددی پایان می‌یابد. به همین دلیل، می‌توان پیام اصلی فصل دوم را در یک جمله خلاصه کرد: هر پیکسل، نتیجه یک سفر انرژی است.
این سفر در سامانه‌های غیرفعال معمولاً از خورشید آغاز می‌شود. خورشید انرژی را در گستره‌ای از طول موج‌ها به سوی زمین می‌فرستد. در محدوده حرارتی نیز سطح زمین بخشی از انرژی جذب‌شده را به‌صورت تابش حرارتی گسیل می‌کند. در سامانه‌های فعال، مانند رادار و لیدار، منبع انرژی خود سامانه سنجش از دور است. سنجنده یک سیگنال مشخص را به سوی هدف می‌فرستد و بخشی از انرژی بازگشتی را اندازه‌گیری می‌کند.
انرژی الکترومغناطیسی را می‌توان هم به‌صورت موج و هم به‌صورت بسته‌های کوچک انرژی به نام فوتون توصیف کرد. طول موج و بسامد با یکدیگر رابطه معکوس دارند؛ یعنی هرچه طول موج کوتاه‌تر باشد، بسامد و انرژی فوتون بیشتر است. این تفاوت سبب می‌شود بخش‌های مختلف طیف الکترومغناطیسی، اطلاعات متفاوتی درباره سطح زمین و جو در اختیار ما قرار دهند. برای مثال، نور مرئی برای مشاهده رنگ‌ها، فروسرخ نزدیک برای بررسی وضعیت پوشش گیاهی، فروسرخ حرارتی برای مطالعه رفتار دمایی و امواج مایکروویو برای سنجش ساختار و رطوبت سطح اهمیت دارند.
البته همه انرژی تابیده‌شده به سطح زمین نمی‌رسد. جو بخشی از انرژی را جذب و بخشی را پراکنده می‌کند. بخار آب، ازن، دی‌اکسیدکربن و ذرات معلق هرکدام در طول موج‌های مشخصی بر سیگنال اثر می‌گذارند. تنها در بعضی محدوده‌های طیفی، عبور انرژی از جو بیشتر است. این محدوده‌ها را پنجره‌های جوی می‌نامیم و بسیاری از باندهای سنجنده‌های ماهواره‌ای با توجه به همین پنجره‌ها طراحی شده‌اند.
پس از عبور انرژی از جو، نوبت به برهم‌کنش آن با سطح زمین می‌رسد. بخشی از انرژی ممکن است جذب، بخشی بازتابیده، بخشی منتقل و بخشی نیز گسیل شود. سهم هر یک از این فرایندها به طول موج و ویژگی‌های ماده بستگی دارد. همین تفاوت، پایه اصلی شناسایی عوارض در سنجش از دور است.
برای نمونه، برگ سالم گیاه مقدار زیادی از نور قرمز را برای فتوسنتز جذب می‌کند، اما در فروسرخ نزدیک بازتاب بیشتری دارد. آب معمولاً در فروسرخ نزدیک و فروسرخ موج‌کوتاه تیره دیده می‌شود، زیرا بخش زیادی از انرژی را جذب می‌کند. بازتاب خاک نیز به عواملی مانند رطوبت، بافت، مواد آلی، زبری و ترکیبات معدنی وابسته است. بنابراین هر عارضه دارای نوعی رفتار طیفی است؛ اما این رفتار همیشه ثابت و یکسان باقی نمی‌ماند.
مقدار انرژی ثبت‌شده فقط به جنس سطح بستگی ندارد. وضعیت جو، زاویه تابش خورشید، زاویه دید سنجنده، شیب و جهت دامنه، زبری سطح و حتی زمان تصویربرداری می‌توانند مقدار سیگنال را تغییر دهند. برای مثال، دو دامنه با پوشش گیاهی مشابه ممکن است فقط به دلیل تفاوت در جهت و میزان روشن‌شدگی، در تصویر متفاوت دیده شوند. همچنین یک پهنه آبی آرام و همان پهنه در شرایط وزش باد، رفتار یکسانی در برابر امواج راداری ندارند.
پس از بازگشت انرژی به سنجنده، آشکارساز آن را به سیگنال الکترونیکی تبدیل می‌کند. این سیگنال پس از نمونه‌برداری و کمی‌سازی، به‌صورت مقدار عددی در پیکسل ذخیره می‌شود. در نتیجه، عدد پیکسل خودِ گیاه، خاک، آب یا دما نیست؛ بلکه اندازه‌گیری سنجنده از انرژی رسیده به آن است. برای تفسیر کمی این مقدار باید زنجیره تولید داده، ویژگی سنجنده، فراداده و ضرایب کالیبراسیون شناخته شوند. تبدیل دقیق این مقادیر به رادیانس، بازتاب یا دما در فصل‌های بعدی با جزئیات بیشتری بررسی خواهد شد.
هر پیکسل همچنین نماینده بخشی از سطح زمین است. اگر در محدوده یک پیکسل چند نوع پوشش وجود داشته باشد، سیگنال ثبت‌شده حاصل ترکیب آن‌ها خواهد بود. به چنین پیکسلی، پیکسل مختلط گفته می‌شود. بنابراین کوچک‌بودن پیکسل همیشه به معنای بهتر بودن داده نیست. تفکیک مکانی، طیفی، زمانی و رادیومتریکی باید متناسب با پرسش پژوهش و مقیاس پدیده انتخاب شوند.
در پایان، مهم‌ترین نکته این فصل آن است که تصویر ماهواره‌ای را نباید صرفاً مجموعه‌ای از رنگ‌ها یا اعداد دانست. هر مقدار ثبت‌شده، حاصل زنجیره‌ای از منبع انرژی، جو، سطح، هندسه تصویربرداری، سنجنده و پردازش است. درک این زنجیره به ما کمک می‌کند تفاوت میان سیگنال واقعی پدیده و اثر عوامل مزاحم را بهتر تشخیص دهیم.
سنجش از دور معتبر از انتخاب زیباترین تصویر آغاز نمی‌شود؛ بلکه از یک پرسش روشن، شناخت سازوکار فیزیکی پدیده و انتخاب داده متناسب با آن آغاز می‌شود. هرچه این مسیر را بهتر بشناسیم، تفسیر پیکسل‌ها علمی‌تر، نتایج قابل اعتمادتر و تصمیم‌های ما آگاهانه‌تر خواهند بود.