کاربرد "ماهواره‌های راداری" در پایش فرونشست و مناطق زلزله‌زده

به گزارش گروه اخبار فضایی خبرگزاری تسنیم، ما دنیای اطراف خود را از طریق حواس پنج‌گانه مشاهده می‌کنیم؛ بعضی حواس نظیر حس لامسه و حس چشایی نیاز به تماس مستقیم با اجسام پیرامون دارند در حالی که حواس بینایی و شنوایی جهت شناسایی اجسام نیاز به چنین تماس فیزیکی نزدیکی ندارند؛ به عبارت دیگر ما همواره درحال بررسی و سنجش از فاصله دور هستیم.

سنجش از دور عموماً به فعالیت‌هایی از قبیل ثبت، مشاهده، درک و بررسی اشیاء یا حوادث در مکان‌های دور مربوط می‌شود. در سنجش از دور، سنجنده‌ها در تماس مستقیم با اشیاء یا حوادث مورد مشاهده نیستند. خروجی یک سیستم سنجش از دور معمولاً تصویری از منطقه مورد مشاهده است. در مرحله بعد جهت استخراج اطلاعات، این تصاویر مورد تحلیل و تفسیر قرار می‌گیرند.

اطلاعات نیز باید از طریق یک حائل میانی، از اجسام به سنجنده‌ها حمل شود و پرتو الکترومغناطیس (پدیده‌ای موجی است که در فضا منتشر می‌شود و از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی ساخته شده است) وظیفه چنین انتقالی را برعهده دارد. امواج الکترومغناطیس در فضا با سرعتی یکسان حرکت می‌کنند که معمولاً تحت عنوان سرعت نور شناخته می‌شود.

طیف الکترومغناطیس می‌تواند به چندین محدوده طول موجی و یا (فرکانسی) تقسیم شود که تنها محدوده‌ای در حدود 400 تا 700 نانومتر است که چشم انسان قابلیت رؤیت آن را دارد. ریزموج‌ها (امواج الکترومغناطیسی که طول موج آن‌ها کمتر از امواج رادیویی و بیشتر از امواج فروسرخ است) طول موج حدود یک میلی‌متر تا یک متر دارند. این امواج خود به محدوده‌های فرکانسی متعدد به نام‌هایی مانند P,L,S,C,X تقسیم می‌شوند.

از نظر طول موج، سنجش از دور را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد:

1. سنجش از دور مرئی و مادون قرمز بازتابان یا انعکاسی

2. سنجش از دور مادون قرمز حرارتی

3. سنجش از دور ریزموج یا ماکرویو (رادار )

منبع انرژی در سنجش از دور مرئی و مادون قرمز انعکاسی، خورشید است. منبع انرژی تابشی در سنجش از دور مادون قرمز، خود جسم است (هر شئ با دمای بیش از صفر کلوین، پرتو الکترومغناطیس تولید می‌کند).

در ناحیه ماکرویو، دو نوع سنجش از دور وجود دارد: سنجش از دور ماکرویو غیرفعال Passive و فعال Active. در سنجش از دور ماکرویو غیرفعال، پرتو ریزموج متصاعد شده از یک شی ثبت می‌شود اما در سنجش از دور ماکرویو فعال میزان بازگشت یا پس پراکنش (back scatter) ریزموج ارسالی از سنجنده، ثبت می‌شود.

در حقیقت این سنجنده‌های فعال ریزموج یا رادار ابزاری ویژه جهت ایجاد و گسیل امواج ماکرویو دارند. بنابراین تصویر را می‌توان در طول شب و یا روز بدون نیاز به وجود یک منبع دیگر تولیدکننده انرژی ماکرویو ثبت کرد.

ریزموج‌ها دارای مزیت دیگری نیز هستند؛ این امواج می‌توانند داخل ابر نفوذ کرده و از آن عبور کنند؛ بنابراین هنگامی که پوشش ابر در منطقه وجود دارد، باز هم امکان تصویربرداری از سطح زمین را فراهم می‌آورند.

سنجش از دور ماکرویو در زمینه هواشناسی، هیدرولوژی، اقیانوس‌شناسی، کشاورزی، مطالعه جنگل، یخ و برف، توپوگرافی، رطوبت خاک، پروفیل ازن، بخار آب موجود در جو و تشخیص لکه‌های نفتی کاربرد دارد.

پرتوسنج‌های ریزموج سنجنده‌های غیرفعالی هستند که ریزموج‌های تابیده شده از سطح زمین را ثبت می‌کنند. از چنین پرتوسنج‌هایی می‌توان برای اندازه‌گیری محتوای آب موجود در جو استفاده کرد.

ارتفاع سنج راداری، سیگنال ماکرویو را فرستاده و سیگنال برگشتی از سطح زمین را دریافت میکند. ارتفاع زمین از طریق تاخیر زمانی سیگنال‌های برگشتی اندازه‌گیری می‌شود.

از پراکندگی‌سنج بادی می‌توان برای تعیین جهت و سرعت باد در اقیانوس‌ها استفاده کرد که سیگنال ریزموج را در جهات مختلف فرستاده و میزان سیگنال‌های پس پراکنده از سطح اقیانوس را ثبت می‌کند. میزان این سیگنال بازگشتی به ناهمواری سطح اقیانوس بستگی دارد که ناشی از وجود باد در سطح دریاست و از این رو سرعت و جهت باد را می‌توان اندازه‌گیری کرد.

یک سیستم تصویربردار ریزموج که می‌تواند تصاویری با قدرت تفکیک مکانی بالا از زمین تولید کند، رادار روزنه مصنوعی (SAR) است. SAR شکلی از رادار است که برای ایجاد تصاویر دو بعدی یا بازسازی سه بعدی اشیاء مانند مناظر استفاده می‌شود.

تصویربرداری توسط «SAR»

در تصویربرداری راداری روزنه مصنوعی یا سار، امواج به وسیله یک آنتن به سطح زمین گسیل می‌شوند، انرژی موج بازگشتی به ماهواره اندازه‌گیری می‌شود و در نهایت به کمک این تأخیر زمانی در سیگنال بازگشتی تصویر ایجاد می‌شود.

هنگامی که امواج رادار به سطحی برخورد می‌کنند، میزان انرژی بازگشتی به سنجنده به عوامل زیادی بستگی پیدا می‌کند:

1. عوامل فیزیکی نظیر ثابت دی‌الکتریک مواد موجود در سطح که آن هم به میزان رطوبت بستگی دارد.

2. عوامل هندسی نظیر ناهمواری (زبری و نرمی سطح)، شیب، جهت و توجیه اشیاء نسبت به مسیر موج راداری

3. نوع پوشش زمینی (خاک، گیاه، ساخته‌های دست بشر)

4. فرکانس موج ماکرویو، قطبش یا پلاریزاسیون و زاویه برخورد (زاویه تابش) موج

به دلیل همین نوع تعامل بین موج رادار و پدیده مورد بررسی است که می‌توانیم از رادار به منظور ارزیابی میزان رطوبت خاک، مطالعه ناهمواری‌های سطوح، طبقه‌بندی پدیده‌ها و ارزبایی تغییرات موارد یاد شده استفاده کنیم.

همانگونه که ذکر شد، یکی از ویژگی‌های مهم رادار، امکان نفوذ آن از ابر است، بنابراین عموماً از داده رادار می‌توان در شرایط زیر استفاده کرد:

در مطالعه مناطقی که همواره درصد ابرناکی بالایی دارند مانند مناطق شمالی ایران

به منظور پایش مناطق سیل زده زمانی که با بارش باران یا وجود پوشش ابر بر فراز مناطق حادث دیده

کاربرد ماهواره راداری در پایش سیل و زلزله

در این خصوص می‌توان به اقدامات ارزشمند پژوهشگاه فضایی ایران، سازمان نقشه‌برداری کشور و سازمان جغرافیایی نیروهای مسلح در پی وقوع سیلاب‌های سال 1398 اشاره کرد. شکل زیر محدوده مناطق سیل‌زده (محدوده‌های آبی رنگ) در پیرامون شهر معمولان در استان لرستان که بر اساس تحلیل تصاویر رادار صورت گرفته است را نشان می‌دهد. این تصاویر در زمان وقوع سیلاب توسط ماهواره راداری آژانس فضایی ژاپن اخذ شده است.

کاربرد جالب دیگر داده‌های رادار از نوع سار، برآورد میزان جابه‌جایی پوسته زمین پس از وقوع حوادثی مانند زلزله و فرونشست در بازه های زمانی مختلف است. در موضوع فرونشست می‌توان به اقدامات سازمان نقشه‌برداری کشور در تولید نقشه فرونشست دشت‌های مختلف کشور اشاره کرد و در موضوع زلزله می‌توان به تحلیل‌های انجام شده از داده‌های این ماهواره در پی وقوع زلزله سرپل ذهاب استان کرمانشاه در سال 1396 اشاره داشت.

شکل زیر نتایج تحلیل میزان جابه‌جایی پوسته زمین بعد از وقوع این زلزله 7.3 ریشتری بر اساس تصاویر رادار تأمین شده توسط آژانس فضایی اروپا را نشان می‌دهد.