پردازش تصاویر لیدار

پردازش تصاویر لیدار عنوان کتابی است که به آموزش پردازش تصاویر لیدار توسط نرم‌افزار‌های مختلف می‌پردازد مانند:ArcGIS ،ENVI LiDAR،SAGA GIS و QGIS

پردازش تصاویر لیدار را سعید جوی‌زاده، معصومه حیدری و زینب زرگری تألیف کرده و توسط نشر آکادمیک چاپ شده است.

در ادامه بخشی از کتاب پردازش تصاویر لیدار را مطالعه می‌کنیم:

فصل اول

مروری مختصر بر سنجش از دور

• 1-1 از تفسیر عکسهای هوایی تا سنجش از دور

نقطه آغاز علم سنجش از دور مدرن را مي‌توان از زمان توسعه پرواز دانست. در سال 1858، اولين عكس‌ هوايي توسط گاسپار فيليکس تورناکون از فراز شهر پاريس به‌وسيله يك بالن تهيه شد.در سال 1903 از کبوترهای جاسوس در ماموریت‌های نظامی استفاده شد. در واقع، توسعه صنعت هواپيمايي نقطه عطفي در تاريخ سنجش از دور به‌حساب مي‌آيد. در سال 1908، ويلبر رايت اولين هواپيماي عكاس را رهبري نمود و بونویلان در آن به تهيه عكس‌هاي هوايي ‌پرداخت. در سال‌هاي آخر جنگ جهاني اول، عكس‌هاي هوايي به صورت گسترده‌اي براي اهداف شناسايي به‌كار گرفته شدند. در 4 اکتبر 1957 اولین ماهواره ساخت بشر با نام «اسپوتنیک یک» توسط کشور شوروی در مدار زیر قرار گرفت که این اقدام منجر به آغاز عصر بهره‌برداری از فضای ماوراء جو بوده است.در سال 1959 میلادی اولین تصویر ماهواره ایی توسط فضا پیمای Explorerآمریکا گرفته شد.  در سال 1972 ناسا اولین ماهواره ارزیابی منابع زمینی بنام ERTS-1 را به فضا پرتاب کرد که بعدها تحت نام لندست شناخته شد. در سال 1972 اولین سری ماهواره‌های لندست با دوربین و سنجنده‌های RBV (Return Beam Vidicon)، MSS (multispectral sensor) و TM(Thematic Mapper) در چهار و هفت باند توسط ایالات متحده آمریکا در مدار زمین قرار گرفته، از این مرحله که تصویربرداری از حالت آنالوگ خارج و بصورت رقومی درآمد، دریچه ای جدید برای پردازش تصاویر و نهایتا" تعبیر و تفسیر آنها به روی بشر گشوده شد. فرانسه در سال 1986 اولین سری ماهواره‌های SPOT را با قدرت تفکیک 10 و 20 متر (در سه باند) به فضا فرستاد. هندوستان سری ماهواره‌های IRS (Indian Remote Sensing) را در سال 1988راه اندازی نمود. ژاپن در سال 1990 سری ماهواره‌های MOS (Marine Observation Satellites) و آژانس فضایی اروپا سری ماهواره‌های ERS را به فضا فرستادند.

(European Remote-Sensing Satellites). در سال 1991، کانادا سری ماهواره‌های  Radar-sat   (Radio Detection and Ranging-Satellite )را در مدار زمین قرار داد.

در سال 1995، برزیل و چین با مشارکت یکدیگر ماهواره CBERS  (China-Brazil Earth Resource Satellite) پرتاب نمودند.

در سال 1996، آمریکا ماهواره IKONOS با قدرت تفکیک 1 متر و 4 متر را به فضا فرستادند.

در سال 1999 ماهواره‌های QuickBird با قدرت تفکیک 61 سانتیمتر و 44،2 متر و در سال 2001  OrbView با قدرت تفکیک 1 متر و 4 متر به فضا فرستاده شد.

در سال 2003 و سازمان تحقیقات فضایی هند (ISRO)، در حال تحقیق درباره پروژه ماهواره هایی است که دارای قابلیت ارسال به فضا و بازگشت مجدد به زمین هستند. این پروژه در حال سپری کردن سیر تکاملی خود در ISRO است و انتظار می‌رود در سال 2005 بهره برداری شود.

در سال 2007 میلادی ماهواره ورد ویو  Word View(1) با قدرت تفکیک  فضایی 50 سانتی متر  به فضا پرتاب شد.

در سال 2009 ماهواره Geo-eye قدرت تفکيک 41/0 متر و 6/1 متر در مدار زمين قرار گرفت. تاکنون اين ماهواره جزو مدرنترين ماهواره‌های با قدرت تفکيک بالا محسوب می‌گردد که کاربردهای فراوانی در سنجش از دور دارد.

ماهوار ه ورد ویو (2) نسل جدید تری از ماهواره فوق است که از سال 2010 فعالیت خود را با توان تفکیک فضایی 8/1 متر ودرباند سیاه وسفید با توان تفکیک فضایی 50 سانتی متر  آغاز کرده است.

امروزه فناوري سنجش از دور گسترش بسيار زيادي يافته است. سنجش از دور علاوه بر جايگاه علمي ويژه خود به عنوان ابزاري در دست دانشمندان علوم مختلف، به عنوان يک تجارت گسترده نيز مطرح است و کشورهاي بسياري وارد اين حوزه شده‌اند. نقطه كليدي توسعه اين فناوري، پيشرفت در ساخت انواع سنجنده‌ها و توسعه علم پردازش داده‌ها است. در جهان امروز، نقشه‌برداري، هواشناسي، اقيانوس‌شناسي، زمين‌شناسي و بسياري از حوزه‌هاي مشابه كاملاً وابسته به دانش سنجش از دور هستند.

در آغاز قرن بيست و يكم و با پيشرفت بي‌سابقه و سريع در حوزه ارتباطات ديجيتالي، سنجش از دور حتي به خانه‌هاي مردم عادي نيز وارد شده است. مردم امروزه مي‌توانند با استفاده از برخي خدمات اينترنتي، تصاوير ماهواره‌اي موردنظر خود را بر روي رايانه شخصي خود دريافت كنند. حتي امكان ديدن تصاويري از وضعيت خورشيد و سيارات منظومه شمسي نيز براي عموم وجود دارد. شايد اين پيشرفت را بتوان نشانه‌اي از يك جهش در فناوري سنجش از دور دانست.

• 1-2 سنجش از دور چند طیفی

محدوده مرئی و مادون قرمز نزدیک به عنوان امواج الکترومغناطیسی مورد استفاده برای سنجش از دور اپتیکی است.  یکی از مهم ترین مزیت‌های این بخش از طیف، بیشینه بودن تابش انرژی خورشیدی در طول موج‌های کوتاه است. تمامی انرژی‌های بازتاب، گسیل شده از سطح زمین در این محدوده توسط سنجنده‌های الکترونیکی جذب شده و به سیگنال‌های الکترونیکی تبدیل می‌شود. اصول سنجش از دور اپتیکی را می‌توان در شکل زیر مشاهده نمود. سپس سیگنال‌های ثبت شده توسط سنجنده برای پردازش‌های بیشتر به ایستگاههای زمینی انتقال داده می‌شود.

در سنجش از دور اپتیکی می‌توان با استفاده از امواج الکترومغناطیسی بازتاب شده از پدیده‌های مختلف سطح زمین به رفتار طیفی آنها پی برد. با استفاده از رفتار طیفی پدیده‌ها می‌توان نسبت به ویژگی‌های پدیده‌ها از نظر شیمیایی و فیزیکی پی برد و تغییرات مربوط به آن را آشکارسازی نمود. با این حال رفتارهای طیفی پدیده‌های مختلف به عنوان یک پارامتر پویا در نظر گرفته می‌شود که نسبت به تغییرات فصلی، محیطی و آب وهوایی بسیار حساس است.

باندهای مورد استفاده در سنجش از دور اپتیکی از توان تفکیک مکانی بالایی می‌توانند برخوردار باشند و دلیل این امر نیز بیشینه بودن تابش خورشیدی در محدوده مرئی و مادون قرمز نزدیک است. بر همین اساس میزان اطلاعات و جزییات مکانی در باندهای اپتیکی نسبت به سایر باندها بیشتر است.

یکی از مهم ترین محدودیت هایی که در سنجش از دور اپتیکال و باندهای آن وجود دارد عدم نفوذ از پوشش‌های ابری است. وجود پوشش ابر در مناطق تصویربردار توسط سنجنده مانع از استخراج اطلاعات کافی و مفید در ارتباط با پدیده‌های مختلف می‌گردد. بر همین اساس در طراحی ماهواره‌ها همواره سعی می‌شود که در فرایند تصویربرداری کمتر با شرایط ابری مواجه شود.

در عرض‌های بالا در فصل زمستان روشنایی در روز به اندازه کافی وجود ندارد و این عامل باعث کاهش کیفیت اطلاعات باند‌های اپتیکال است که نور خورشید به عنوان منبع اصلی تامین انرژی آنها محسوب می‌شود. این در حالی است که در سنجنده‌های فعال بدلیل اینکه خود دارای منبع انرژی هستند اخذ اطلاعات در هر ساعتی از شبانه روز و در هر شرایط آب و هوایی با مشکل مواجه نمی‌شود.

• 1-3 سنجش از دور ابرطیفی

سنجش از دور ابرطیفی در ارتباط با سنجنده­هایی بکاربرده می‌شود که از توان تفکیک طیفی بسیار بالایی برخوردار باشند. توان تفکیک طیفی در سنجش از دور تابعی از تعداد باند­ و پهنای باند است. هرچه تعداد باند بیشتر و پهنای آن کمتر باشد، توان تفکیک طیفی نیز بالاتر است. سنجنده­های ابرطیفی معمولا بیش از 100 باند با پهنای کمتر از 10 نانومتر را دارا هستند. در مقابل سنجش از دور ابرطیفی سنجش از دور چندطیفی قرار دارد که در آن تعداد باند­ها کمتر و پهنای باندها نیز بیشتر است. تفاوت بین سنجنده چندطیفی و ابرطیفی را می‌توان در شکل زیر مشاهده نمود.

مهم­ترین مزیت سنجنده­های ابرطیفی در این است که امکان مطالعه طیفی پدیده­های مختلف را با دقت بسیار بالاتری فراهم می­آورد. اما در عین حال مهم­ترین محدودیت ایجاد شده توسط این سنجنده­ها در افزونگی داده­ها است. میزان افزونگی در داده­های این سنجنده­ها بسیار زیاد بوده و میزان همبستگی بین باندی را افزایش داده است. به همین منظور داده­های ابرطیفی به منظور استخراج اطلاعات از آنها باید تحت روش­های پردازشی خاصی در این زمینه قرار بگیرند. عموم الگوریتم­های بکاربرده شده در این زمینه به 4 دسته کلی تقسیم­بندی می‌شود:

• آشکارسازی آنومالی­ها
• آشکار سازی تغییرات
• طبقه­بندی
• اختلاط زدایی طیفی

بالا بودن تعداد باند­ها در تصاویر داده­های ابرطیفی باعث افزایش پیچیدگی­ در فرایند پردازش داده­های ابرطیفی می‌شود. در همین راستا به منظور کاهش ابعاد داده­ها در پردازش تصاویر ابرطیفی از دو روش عموما استفاده می‌شود:

• روش انتخاب باند
• روش استخراج ویژگی