مقدمة في صور الأقمار الصناعية

مراقبة الأرض: تتم مراقبة الكوكب باستمرار وتصويره بواسطة الأقمار الصناعية. قبل عام 1972 ، لم تكن الأقمار الصناعية مصممة لدراسة سطح الأرض أو مراقبته. بدلاً من ذلك ، تم استخدامها بشكل أساسي في المهام العسكرية. تم تسويق الصور في عام 1984 ، لكنها واجهت العديد من مشكلات التمويل. أدى ذلك إلى إصدار قانون سياسة الاستشعار عن بعد للأرض لعام 1992. واحتضن القانون الجديد تكنولوجيا الاستشعار عن بعد ، وشجع البحث وتطبيقات القطاع العام ، وسمح للشركات التجارية بإطلاق الأقمار الصناعية وبيع الصور. ونتيجة لذلك ، تم تصميم أقمار مراقبة الأرض المخصصة للتطبيقات غير العسكرية لإجراء عمليات رصد عالمية طويلة المدى لسطح الأرض والمحيطات والغلاف الجوي.

أصبحت أجهزة الأقمار الصناعية مجهزة لرصد الغطاء النباتي ، وانصهار الجليد ، ومستوى سطح البحر ودرجات الحرارة ، وتركيزات غازات الغلاف الجوي ، وغيرها الكثير. يتم الاستفادة من هذه الأرصاد في التنبؤ بالأرصاد الجوية ، والرصد البيئي ، ورصد الكوارث ، وأغراض رسم الخرائط.

يدور اليوم أكثر من 2200 قمر صناعي حول الأرض ، ويتغير المشهد الفضائي بسرعة. الأقمار الصناعية الشائعة الاستخدام هي على حد سواء تجارية أو برعاية حكومية وتشمل WorldView و QuickBird و IKONOS و Landsat و MODIS و AVHRR و TRMM والعديد من الشركات الأخرى التي ترعاها العديد من الشركات والدول المختلفة.

القمر الصناعي لاندسات 5 ، في مداره من 1984 إلى 2013. صورة من هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية

 

القدرات الطيفية ، الدقة ، والتردد

تستخرج الأقمار الصناعية المعلومات من الطاقة التي تتفاعل مع مكونات سطح الأرض.

تقوم مستشعرات الاستشعار عن بعد بقياس الإشعاع الكهرومغناطيسي من الانعكاس وبقياس الانبعاثات وانعكاس الانبعاث.

يعمل الضوء كموجة يمكن وصفها من خلال الطول الموجي والتردد ، بما في ذلك الطيف الكهرومغناطيسي. تحتوي الأطوال الموجية الأطول على طاقة أقل وتحتوي الأطوال الموجية الأقصر على طاقة أكبر.

الطيف الكهرومغناطيسي.

الطيف الكهرومغناطيسي واسع وليس كل الأطوال الموجية متساوية في الفعالية ولا تتفاعل بشكل كبير مع الأسطح ذات الأهمية لأغراض الاستشعار عن بعد.

نطاقات الطيف الكهرومغناطيسي المستخدم في الاستشعار عن بعد تشمل الأطوال الموجية التالية:

المرئي

الأزرق: 0.4 - 0.5 ميكرومتر

الأخضر: 0.5 - 0.6 ميكرومتر

الأحمر: 0.6 - 0.7 ميكرومتر

القريبة من الأشعة تحت الحمراء

0.7 - 1.2 ميكرومتر: تميز الغطاء النباتي الأخضر جيدًا

الأشعة تحت الحمراء المتوسطة

الأشعة تحت الحمراء ذات الموجات القصيرة (SWIR: 1.2 - 3 ) ميكرومتر تقدر رطوبة التربة والغطاء النباتي بصورة جيدة.

3-8 ميكرومتر تكتشف مصادر درجات الحرارة المرتفعة بشكل جيد.

 

تشير الدقة المكانية إلى حجم المنطقة على الأرض التي يتم تمثيلها بقيمة بيانات واحدة في الصور ، ويتم التعبير عنها عادةً بحجم البكسل في البيانات النقطية (الراستر).

الدقة الطيفية هي عدد وعرض النطاقات الطيفية التي يكتشفها جهاز استشعار الأقمار الصناعية.

ترصد الأقمار الصناعية في المدار نفس النقطة على الأرض في فترات منتظمة ، تُعرف بأوقات إعادة الزيارة. تختلف هذه الأوقات اعتمادًا على المدار والارتفاع والموقع والمساحة وما إلى ذلك وهي ضرورية لتحليل السلاسل الزمنية واكتشاف التغيير الحادث.

تم تجهيز المستشعرات بأنظمة تصوير مختلفة: ماسحات whiskbroom (عبر المسار) والماسحات الضوئية (على طول المسار).

تتحرك ماسحات Whiskbroom في اتجاه المسار المداري أثناء المسح عبر المسار باستخدام مرآة. ينتج عن هذا عرض واسع ودقة متفاوتة مع زاوية المسح ويمكن أن يتسبب في تشويه البكسل. تشمل ماسحات whiskbroom الشائعة Landsat MSS / TM / ETM + و AVHRR.

تتحرك ماسحات Pushbroom في اتجاه المسار المداري أثناء المسح على طول المسار دون أي مرآة. ينتج عن هذا عرض رقعة أضيق وعدم تشويه البكسل. ماسحات Pushbroom لأجهزة الاستشعار عالية الدقة المكانية تُعدُّ الأفضل وتشمل Landsat 8 و QuickBird و IKONOS.

التطبيقات العلمية

تتمتع صور الأقمار الصناعية بالعديد من المزايا للباحثين ، مثل الحصول على مناظر عالمية ، والأرصاد متعددة المقاييس ، والأرصاد المتكررة ، والأرصاد المباشرة ، والغطاء الكامل ، وحتى الخصائص الطيفية غير المرئية.

سمحت ضخامة تغطية الصور عبر المكان والزمان أيضًا بتطبيق للاستعانة بمصادر مستخدمين خارجية جماعية ، وسمح لعلماء المواطنين (مثلك) بوضع علامات على الصور لتحديد الظواهر.

بسبب هذه المزايا الهامة ، ظهرت مجموعة واسعة من التطبيقات. تتضمن أمثلة التطبيقات العلمية لصور الأقمار الصناعية ومنها ما يلي:

كشف التغيير Change Detiction

تتكون المناطق القطبية من جغرافيا ومناخ متطرفين ، ولديها أنظمة إيكولوجية (بيئية) معقدة ، ولديها تغيرات بيئية ليست كأي مكان آخر في العالم.

تقوم خرائط PGC بمعالجة هذه الأماكن البعيدة, وأنتجت مؤخرًا نموذج ارتفاع رقمي عالي الدقة وعالي الجودة للقطب الشمالي باستخدام صور الاستريو البصرية.

يُعد نموذج الارتفاع الرقمي Arctic بواسطة PGC استجابة للطلب المتزايد على الأدوات الدقيقة لقياس التغير الطبوغرافي وتأثيراته العديدة في القطب الشمالي.

تصنيف الصور Image Classification

أتاح الاستخدام المتكرر للمعلومات المستخرجة باستخدام الاستشعار عن بعد, مطابقة فئات المعلومات للنطاقات الطيفية (أو مجموعة من النطاقات الطيفية).

توفر خرائط الغطاء الأرضي واستخدام الأراضي فهمًا أكبر للبيئات المختلفة والعمليات المكانية المتعلقة بها.

تصنيف الصور

المصدر: C. Kuenzer et al.

 

تقييم المخاطر

أنتجت مبادرات مثل مشروع رسم خرائط مخاطر الملاريا في إفريقيا (MARA / ARMA) خرائط لمدى ملاءمة المناخ لانتقال الملاريا من خلال توصيف ظروف المرض اللازمة للانتقال وربطها بالمتغيرات المناخية الرئيسية التي لوحظت من الصور المستشعرة عن بعد.

الزراعة

ساعدت الدقة المكانية العالية ، ومركبات الألوان التي تم الحصول عليها من TTAMRSS (نظام استشعار عن بعد متعدد الأطياف ومحمول جواً) المزارعين والمستشارين الزراعيين في تكساس على تحسين إدارة المحاصيل المختلفة.

تحليل إنتاجية المحاصيل. المصدر: S. Maas، Texas Technical University

 

إدارة الموارد الطبيعية

تقوم مستشعرات AVHRR و MODIS و SPOT بقياس الزيادة والنقص في غاباتنا العالمية كميًا.

من هذه البيانات ، يقيس العلماء مناطق الغابات القائمة, ويقدرون موارد الغابات مثل الخشب والغذاء والدواء وامتصاص ثاني أكسيد الكربون.

التطبيقات الساحلية والبحرية

تساعد النظم البيئية لجرف البحر في التحكم في مناخنا وتوفير الغذاء. قام المركز الوطني لعلوم المحيطات (NOC) بقياس العوالق النباتية ، النباتات البحرية المجهرية الموجودة في قلب السلسلة الغذائية البحرية ، كمؤشر رئيسي على إنتاجية منطقة المحيط كلها.

العوالق النباتية في المياه المحيطة ببريطانيا العظمى وأيرلندا. المصدر: NOC، UK

 

الجغرافيا الحضرية

يتسم الصراع في سوريا بانتهاكات حقوق الإنسان وتحدي القانون الدولي. هدمت الحكومة السورية أحياء يشتبه في دعمها لقوات المعارضة. استخدم العلماء صور لاندسات وأرشيفها التاريخي لرصد وتوثيق تدمير البيئات الحضرية المتأثرة بالنزاع.

المصدر: أ. ماركس ، جامعة كليرمونت للدراسات العليا

إدارة الطوارئ والاستجابة لها

تستخدم تطبيقات عبر الإنترنت مثل OpenStreetMap و Tomnod و CrisisMappers و Virtual Disaster Viewer و Google MapMaker الصور المستشعرة عن بُعد لتقديم الدعم في التأهب للكوارث والاستجابة لحالات الطوارئ.

 

المصطلحات

فيما يلي قائمة بمصطلحات وتعريفات صور القمر الصناعي شائعة الاستخدام.

ترتبط العديد من العناصر في هذه القائمة بشكل خاص بصور القمر الصناعي التجارية التي توفرها PGC والمحددات التي نستخدمها لتحديد التجميع أو المعالجة أو الإخراج.

التصحيح الإشعاعي RADIOMETRIC CORRECTION

هي عملية إزالة تأثيرات الغلاف الجوي على قيم الانعكاس للصور الملتقطة بواسطة مجسات الأقمار الصناعية أو المحمولة جواً.

عمق البِت Bit BIT DEPTH

هو نطاق القيم الذي يمكن أن يخزنه تنسيق نقطي معين ، بناءً على الصيغة 2n. يمكن لمجموعة بيانات ذات عمق 8 بت تخزين 256 قيمة فريدة.

غطاء الغيوم CLOUD COVER

هو جزء الصورة الذي تحجبه السحب.

نموذج الارتفاع الرقمي (DEM)

هو نموذج رقمي أو تمثيل ثلاثي الأبعاد لسطح التضاريس.

الرقم الرقمي (DN) DIGITAL NUMBER

هي القيمة الأصلية المعينة لبيكسل في الصورة. ستكون قيمة DN دائمًا ضمن النطاق المحدد بعمق بِت الصورة. وبالتالي ، فإن الصورة ذات العمق 8 بت سيكون لها اسم مميز بمدى من 0-255.

اللون الخاطئ False FALSE COLOR

هي مجموعة من طرق تجسيد اللون المستخدمة لعرض الصور الملونة التي تم تسجيلها في الأجزاء المرئية أو غير المرئية من الطيف الكهرومغناطيسي لتحسين معالم الأرض المختلفة.

مسافة أخذ العينات الأرضية (GSD) GROUND SAMPLING DISTANCE

 هي المسافة بين مركزي بكسلين متتاليين على الأرض. كلما زادت قيمة GSD للصورة ، انخفضت الدقة المكانية للصورة وصارت أقل وضوحًا في التفاصيل.

امتداد الهيستوغرام HISTOGRAM STRETCH

هي تقنية تحسين الصورة البسيطة التي تعمل على تحسين التباين في الصورة عن طريق "تمديد" نطاق قيم الكثافة التي تحتوي عليها لتمتد إلى نطاق القيم المرغوبة ، على سبيل المثال النطاق الكامل لقيم البكسل التي يسمح بها نوع صورة ما. غالبًا ما يشار إليه باسم contrast stretching or normalization 

أحادي المنظار MONOSCOPIC

هي الصور التي يتم الحصول عليها باستخدام منظور أو مستشعر واحد فقط.

متعدد الطيف MULTISPECTRAL

هي الصور التي تلتقط البيانات عند ترددات محددة عبر الطيف الكهرومغناطيسي ، وتنتج عدة نطاقات طيفية.

النظير و (إيقاف النظير) NADIR (OFF-NADIR)

هو الاتجاه الذي يشير مباشرة إلى أسفل مستشعر معين ، مشيراً إلى الزاوية اللازمة للحصول على الصورة.

الموجات تحت الحمراء القريبة (NIR) NEAR INFRARED BANDS

هي الموجات المُجمّعة من الترددات على طول الطيف الكهرومغناطيسي الأقرب إلى الضوء المرئي. مفيدة في الأرصاد والتحليلات البيولوجية.

المدار ORBIT

هو المسار المنحني لجسم سماوي أو مركبة فضائية حول نجم أو كوكب أو قمر.

التنظيم ORTHORECTIFICATION

هي عملية إزالة تأثيرات منظور الصورة (الإمالة) وتأثيرات التضاريس لغرض إنشاء علاقة صورة صحيحة مستوية.

بانكروماتي حساس للألوان PANCHROMATIC

 هي صورة ذات شريط واحد ، تُعرض عمومًا على هيئة ظلال رمادية.

البكسل PIXEL

هي  أصغر وحدة معلومات (عنصر صورة) في صورة أو خريطة نقطية (راستر)، وعادة ما يتم تمثيلها كخلية في مصفوفة من أعمدة وصفوف.

راستر RASTER

هو نوع من الصور الرقمية يتكون من وحدات بكسل فردية ذات قيم أو ألوان بيانات متنوعة.

الانعكاس REFLECTANCE

هو نسبة الطاقة المشعة الساقطة التي يعكسها سطح الأرض. يختلف الانعكاس باختلاف الأطوال الموجية للطاقة الإشعاعية الساقطة ولون السطح وتكوينه.

الاستشعار عن بعد REMOTE SENSING

هي عملية الحصول على معلومات حول موقع على الأرض من الأقمار الصناعية أو المركبات الجوية.

الدقة المكانية SPATIAL RESOLUTION

هو مصطلح يشير إلى حجم أصغر معلم جغرافي يمكن اكتشافه من الصورة.

النطاق الطيفي SPECTRAL BAND

هي  بيانات الصورة بتردد محدد عبر الطيف الكهرومغناطيسي ، بما في ذلك الضوء المرئي وغير المرئي.

المجسامي STEREOSCOPIC

هي عملية يتم من خلالها عرض صورتين لنفس الشيء تم التقاطهما بزوايا مختلفة قليلاً معًا ، مما يخلق انطباعًا بالعمق.

SWATH

 هي المنطقة التي تم تصويرها على سطح الأرض عند مرور جهاز استشعار.

الدقة الزمانية TEMPORAL RESOLUTION

هو مصطلح يشير إلى الدقة والقياس فيما يتعلق بالوقت ويصف بشكل شائع عدد المرات التي يمكن أن يعود فيها المستشعر المداري إلى نفس الموقع على الأرض.

الموجات الحرارية THERMAL BANDS

هي بيانات الصور المجمّعة عادةً من منطقة الأشعة تحت الحمراء الحرارية للطيف الكهرومغناطيسي وتقيس الإشعاع المنبعث من سطح الهدف.

اللون الحقيقي (RGB) TRUE COLOR 

هو الصورة التي تقدم عرضًا لونيًا طبيعيًا ، وتَظهر للمراقب البشري بنفس الطريقة كما لو كان هذا المراقب يشاهد المَعْلم مباشرة.

المستشعر SENSOR

هو الشيء الذي هدفه اكتشاف الأحداث أو التغييرات في بيئته. في الاستشعار عن بعد ، يشير المصطلح عادةً إلى الأداة التي تجمع الصور من المركبات المحمولة جواً أو المركبات الفضائية.