لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*
فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحه: 57
حرارت و انرژی الکترومغناطیسی
خورشید مهمترین منبع انتشار امواج الکترومغناطیسی مورد نیاز در سنجش از راه دور است. تمامی موارد در درجه حرارت بالاتر از صفر مطلق (273- درجه سانتی گراد) امواج الکترومغناطیسی ساطع می کنند. میزان انرژی ساطع شده از هر ماده تابعی از دمای سطحی ماده است. این خاصیت توسط قانون استفن – بولتزمن[1] بیان شده است که عبارت است از :
W= δT4
W = کل تابش ساطع شده از سطح ماده بر حسب وات بر متر مربع (Wm-2)
δ = ثابت استفن – بولتزمن که برابر با 10-8Wm-2K-4 × 6697/5 است.
T= دمای مطلق (K°) مادهی ساطع کننده بر حسب درجه ی کلوین .
کل انرژی ساطع شده از یک ماده با توان چهارم دمای ماده نسبت مستقیم دارد یعنی با افزایش دما، سرعت تابش ساطع شده از ماده افزایش می یابد. نکته ی مهم آن است که معادله ی بالا برای شرایطی صادق است که ماده به عنوان جسم سیاه[2] رفتار کند. جسم سیاه، جسمی فرضی است که تمام انرژی تابیده شده به آن را جذب و کل آن را ساطع می نماید. همانگونه که کل انرژی ساطع شده از یک جسم با دما تفییر می کند، توزیع انرژی ساطع شده نیز تغییر می یباد. تصویر 1-10 منحنی توزیع طیفی انرژی جسم سیاه با دمای بین 300 تا 6000 درجه ی کلوین و محور Y میزان توان انرژی ساطع شده از جسم سیاه را به فواصل یک میکرومتری طول موج نشان می دهد. مساحت زیر هر منحنی برابر کل تابش ساطع شده است. هر چه دمای جسم تشعشع کننده بیشتر باشد میزان کل تشعشعات ساطع شده از آن بیشتر خواهد بود. همانگونه که منحنی ها نشان می دهند، با افزایش درجه ی حرارت یک جابه جایی به سمت طول موج های کوتاه تر در هر نقطه ی اوج منحنی تشعشات جسم سیاه، دیده می شود. طول موجی که در آن تشعشات جسم سیاه به حداکثر می رسد، مرتبط با درجه ی حرارت آن جسم است که توسط قانون جابه جایی وین[3] محاسبه می شود:
m=λ
Mλ= طول موج حداکثر انرژی ساطع شده ( μm )
A= ثابت وین ( μmK2898)
T= دمای K°
بنابراین برای جسم سیاه ، طول موجی که در آن حداکثر انرژی ساطع می شودف با دمای جسم سیاه نسبت عکس دارد.
معمولاً لامپ هایی از خود نور ساطع می کنند که روی منحنی انرژی ساطع شده از جسم سیاه در حرارت 3000 درجه ی کلوین قرار دارند. بنابراین این گونه لامپ ها نور آبی رنگ کمی از خود خارج می کند و ترتیب طیفی آن ها شبیه خورشید نیست.
حرارت سطح زمین حدود 300 درجه ی کلوین (27 درجه ی سانتی گراد) است. اصولاً حداکثر انرژی ساطع شده از سطح زمین در طول موج حدود 7/9 میکرومتر روی می دهد و چون این تابش ناشی از گرمای زمین است، بنابراین به آن انرژی « مادون قرمز حرارتی » می گویند. این انرژی قابل عکس برداری نیست، اما سنجنده های حرارتی مانند رادیومتر ها و اسکنر ها نسبت به آن حساسند. خورشید حداکثر انرژی را در طول موج 5/0 میکرومتر منتشر می کند و چشمان ما نسبت به این مقدار انرژی و طول موج حساس است، از این رو با وجود نور خورشیدی قارد به رؤیت سطح زمین می باشیم.
سنجش از دور حرارتی
امروزه معلوم شده است داده های حرارتی می توانند مکمل یکدیگر داده های سنجش از دور (داده های انعکاسی) باشند. (Alavi panah، 2001).
در سنجش از دور حرارتی برای تخمین دما از انرژی ساطع شده توسط اشیاء و پدیده ها استفاده می شود. نمودار 2-10 عواملی را که روی دمایی تابشی مؤثرند، نشان می دهد.
عوامل مؤثر بر دما
عوامل مؤثر بر دمای جنبشی به دو گروه عمده بیلان انرژی حرارتی و ویژگی های حرارتی مواد تقسیم میشود:
بیلان انرژی حرارتی شامل عواملی مانند حرارت خورشیدی، تابش رو به بالا در طول موج های بلند، تابش رو به پایین، تبادل حرارت بین زمین و جو و منابع حرارتی مانند آتش، آتشفشان و غیره است؛ ویژگی های حرارتی مواد شامل هدایت حرارتی، گرمای ویژه، چگالی، ظرفیت حرارتی، انتشار حرارتی و اینرسی حرارت است.
توان تشعشی طیفی[4]
هر جسمی در دمای بالاتر از صفر مطلق(صفر درجه کلوین یا 15/273- درجه سانتی گراد)، از خود انرژی ساطع می کند. اینکه چقدر انرژی و در چه طول موجی ساطع میشود، بستگی به توان تشعشعی سطح و دمای جنبشی آن دارد. توان تشعشعی، توانایی تشعشع یک جسم واقعی در مقایسه با جسم سیاه در دمای یکسان است و یک خاصیت طیفی است که با ترکیب مواد و آرایش هندسی سطح بستگی دارد. جسم سیاه، جسمی فرضی است که همه انرژی وارده در تمام طول موج ها را جذب و سپس ساطع می کند. این بدان معنی است که توان تشعشعی یک چنین جسمی برابر یک است. بدیهی است جسم سیاه در طبیعت وجود ندارد و یک ایدآل است.
توان تشعشی با اپسیلون(ε) نشان داده میشود و بین صفر و یک نوسان می کند.
ε برای مواد در محدودۀ 70/0 تا 95/0 است. دمای جنبشی، معیاری از میزان انرژی جسم حرارتی است. دمای جنبشی با واحدهای مختلف مانند درجه کلوین•k))، درجه سانتی گراد(•C) و درجه فارنهایت(•F) نشان میشود.
نتایج آزمایش های توان تشعشعی بر روی مواد مختلف در طول موج های گوناگون نشان می دهد که توان تشعشعی با طول موج تفاوت می کند. بنابراین میزان توان تشعشعی مواد در محدوده طیفی 5/11- 5/10 میکرومتر(باند4ماهواره NOAA) با توان تشعشعی مواد در محدودۀ طیفی 5/12- 4/10 میکرومتر(باند6 لندست TM) یکسان نخواهد بود. علاوه بر این توان تشعشعی مواد با شرایط مواد نیز فرق می کند.
خاک خشک، توان تشعشعی 92/0 و همان خاک در حالت مرطوب، توان تشعشعی 95/0 از خود نشان می دهد. توان تشعشعی برای درختان برگ ریز در حالت بدون برگ95/0و برای حالتی که درخت سر سبز است، 98/0اندازه گیری شده است. جدول 1-10 توان تشعشعی مواد و پدیده های مختلف را در دامنۀ طیفی 14-8 میکرومتر نشان میدهد. اختلاف اندکی توان تشعشعی سطح زمین در باندهای حرارتی سنجنده های ماهواره ها دارند. برای داده های AVHRR، اختلاف توان تشعشعی سطحی باندهای4 و5 معمولاً بین 002/0تا005/0است(LiوBecker،1993). بنابراین وقتی توان تشعشعی باندهای حرارتی معلوم باشد، دمای سطحی را میتوان با استفاده از روش پنجره اسپلیت محاسبه کرد. با توجیه تفاوت های توان تشعشعی مختلف در مناطق وسیع، معمولاً از توان تشعشعی فرضی استفاده میشود. خاک لخت و تاج پوشش دو پدیدۀ مهم سطحی اند. اصولاً دامنۀ توان تشعشعی خاک از 84/0تا 98/0تغییر میکند، در حالی که دامنۀ توان تشعشعی تاج پوشش از94/0 تا99/0 و پوشش متراکم از98/0تا 0/1متغیر است(Olioso،1995). برای مناطق کشاورزی، جایی که تاج پوشش گیاهی قالب است، تغییرات توان تشعشعی برگ، خطایی به بزرگی 5/1 درجۀ کلوین در استخراج دمای سطح زمین (LST) از تشعشعات در محدودۀ 5/12- 5/10 میکرومتر ایجاد می کند.
ویژگی های سنجش از دور حرارتی
اختلاف اساسی بین سنجش از دور در ناحیه مادون قرمز حرارتی و ناحیه های دیگر طیف EM، به سبب مواردی است که برخی از آنها بستگی به اکتساب داده های حرارتی، کایبراسیون، تصحیحات هندسی و اتمسفری دارد و در زیر بحث می شود.
ثبت داده های حرارتی
بیشتر سنجنده های حرارتی، داده ها را به صورت غیر فعال دریافت میکنند. این گونه سنجنده ها انرژی ساطع شده از اشیا را ثبت میکنند. دستگاه های متعددی برای دریافت اطلاعات پدیده های سطحی در ناحیه 8 تا 12 میکرومتر وجود دارد. این وسایل، زمینی، هوایی یا فضایی است. در اینجا به منظور آشنایی با دستگاه های اسپکترومتر، به ذکر چند نوع از آنها پرداخته میشود:
یکی از این دستگاه های قابل حمل، اسپکترومتر تشعشعی صحرایی(JpL) است که در ناحیه 5 تا 15 میکرومتر طراحی شده است(Hoover و Kahle،1987). این دستگاه به دلیل سنگینی و بزرگی زیاد از رده خارج شده و اسپکترومترهای سبکتر مانند
THIRSPEC(Rivard و همکاران،1994) و µFTIR (Hoover و Kahle ، 1996) جایگزین شده است. THIRSPEC، دستگاه اسپکترومتر مادون قرمز حرارتی، در عملیات صحرایی به کار می رود. دامنۀ طیفی مفید این دستگاه بین 9/7 تا 3/11 میکرومتر است. وزن این دستگاه با احتساب باتری حدود 30کیلوگرم است. دستگاه µFTIR کوچک بوده امکان دریافت امواج مادون قرمز پدیده های سطحی بین 2 تا 14 میکرومتر را فراهم میسازد. این دستگاه 16 کیلوگرم وزن و6 باند طیفی دارد. تصویر 3-10 این دستگاه را که شامل یک جعبۀ توری با وزن 1/4 کیلوگرم است، نشان میدهد.
دتکتورهای این دستگاه با استفاده از نیتروژن مایع خنک میشود.
سایر دستگاه های معمول به شرح زیر است:
سنجندۀ AAS: 24 باند که 17 مورد آنها در محدودۀ مادون قرمز حرارتی است.
سنجندۀ AHS :48باند بین 4/0و13 میکرومتر
سنجندۀ AMSS: 4 باند که 6 مورد آن بین 8 تا 12 میکرومتر است.
سنجندۀ MODIS: 4 باند بین 8تا5/12 میکرومتر با قدرت تفکیک 1 کیلومتر.
سنجندۀ MAS: 50 باند بین 5/0 و 14 میکرومتر
سنجندۀ MIVIS: 12 باند بین 4/0 تا 13 میکرومتر
سنجندۀ TIMSS: 6 باند بین 8 تا 12 میکرومتر
سنجندۀ ATLAS: 3 باند در بخش نور مرئی و مادون قرمز نزدیک و 6 باند در ناحیه SWIR و5 باند در ناحیه مادون قرمز حرارتی دارد.
سنجندۀ Landsat Tm6: قدرت تفکیک زمینی 120متر
سنجندۀ Landsat7- Tm6: قدرت تفکیک زمینی 60متر
سنجندۀ ASTER: قدرت تفکیک زمینی 1 کیلومتر(در باندهای مادون قرمز حرارتی)
سنجندۀ AVHRR: قدرت تفکیک زمینی1 کیلومتر
طول موج
در سنجش از دور حرارتی، بیشتر محدودۀ طیفی 14-8 میکرومتر به کار می رود. البته بعضی از سنجنده ها مانند سنجندۀ TMماهواره ی لندست( باند 6)، در محدودۀ طیفی 6/12- 4/10 میکرومتر عمل میکنند تا بتوانند از محدودۀ حداکثر جذب اوزن که در محل 6/9 میکرومتر است، اجتناب کنند. بعضی از باندهای حرارتی در سنجنده های چند طیفی مانند ASTER ویژۀ کاربردهای زمین شناسی طراحی شده اند.
دریافت داده های روزانه و شبانه
داده های حرارتی هم در روز و هم در شب دریافت می شوند. در برخی موارد، به داده های حرارتی در هر دو زمان نیازمند است. به عنوان مثال یکی از کاربردها مهم توأم داده های حرارتی روزانه و شبانه، مطالعه ی دمای مناطق شهری است. LO و همکاران (1997) حرارت چندین شهر را با استفاده از تصاویر حرارتی مادون قرمز با قدرت تفکیک مکانی بالا ارزیابی کردند. آن ها دریافتند که به هنگام روز، بخش های تجاری و سپس مناطق حمل و نقل بالاترین درجه ی حرارت را دارند و پایین ترین درجه ی حرارت به ترتیب مربوط به محل های دارای آب، پوشش گیاهی و اراضی کشاورزی است. خانه های مسکونی، ترکیبی غیر یکنواخت از ساختمان و چمن و درخت دارند و دارای درجه حرارت متوسط می باشند. در شب، مناطق تجاری، خدماتی، صنعتی و حمل و نقل سریع تر خنک می شوند و اصولاً درجه حرارت آن ها در ساعات اولیه ی بامداد قدری بیشتر از پوشش های گیاهی و کشتزارهاست. آب ظرفیت گرمایی بالایی دارد، بنابراین در ساعات اولیه ی بامداد گرمتر از دیگر پدیده هاست (Jensen، 2000). تصویر زیر مقایسه ی تصاویر مادون قرمز حرارتی آتلانتا در شب و روز را نشان می دهد. این تصویر مربوط به باند 13 (2/10 – 6/9 میکرومتر) ATLAS بوده و دارای قدرت تفکیک مکانی 10×10 متر را است. این تصویر امکان مقایسه ی حرارت پدیده هایی مانند آب، آسفالت، پوشش گیاهی، مناطق مسکونی و غیره را فراهم می سازد. از چنین اطلاعاتی می توان برای موارد زیر استفاده کرد:
- مدل کردن رابطه ی بین رشد مناطق شهری و افزایش گرما در طول زمان؛
- مدل کردن رابطه ی بین رشد مناطق رو به توسعه و تغییرات شهر و کیفیت هوا در طول زمان؛ و
- مطالعه ی اثر توسعه ی شهری بر ویژگی های بیلان انرژی سطحی
با استفاده از چنین تصاویری می توان توصیه های لازم برای درختکاری جهت کاهش دما را ارائه کرد. (Quttrochi و Ridd، 1998).
قدرت تفکیک زمینی و تصحیحات هندسی
بیشتر سنجنده های حرارتی، دارای سیستم ثبت و کالیبراسیون هستند و در درون آنها دو جسم سیاه[5]به نامهایBB1 وBB2 نصب شده که برای تصحیح رادیومتریک داده های دریافت شده استفاده می شوند. سنجنده ها به هنگام اندازه گیری تشعشعات، گرم می شوند این مسأله موجب محدودیت فیزیکی سنجنده ها از لحاظ اندازه گیری و تفکیک مکانی داده ها ایجاد میکند. قدرت تفکیک مکانی پایین تر داده های حرارتی در مقایسه با داده های انعکاسی ماهواره ها، مشکلاتی مانند تطبیق هندسی و غیره ایجاد می کند. در این موارد نقاط کنترل زمینی منطبق با داده هایی با تفکیک مکانی مختلف نه تنها مشکل است، بلکه موجب خطای زیادی می شود. برای حل این مشکل می توان ابتدا تصویر حرارتی را با تصاویر دارای قدرت تفکیک طیفی متوسط انطباق داد و در مرحلۀ بعد، انطباق با تصاویر دارای قدرت تفکیک طیفی بالاتر انجام شود(Prakash و همکاران، 2000).
قدرت تفکیک زمینی عبارت است از حداقل فاصلۀ بین دو شیء که یک سنجنده می تواند متمایز و(به صورت تفکیکی) ثبت کند(Simonett،1983) و به این طریق جزییات قابل تفکیک در تصاویر ماهواره ای مشخص می شود. داده های سنجش از دور با قدرت تفکیک زمینی بالاتر قابلیت تفسیر را افزایش می دهد(Munechika و همکاران، 1993). به کارگیری باند کانکروماتیک SPOT (با قدرت تفکیک 10 متری) سبب افزایش دقت در تصاویر TM طبقه بندی شده پوشش گیاهی( با قدرت تفکیک 30متری) از 71 به 85 درصد شده است(Grignetti، همکاران، 1997). مطالعۀ اراضی شمال کالیفرنیا نشان می دهد هنگامی که قدرت تفکیک زمینی داده های ماهواره ای بیش از 90متر باشد، دقت نقشه های حاصله به شدت کم می شود(GAO، 1999). به کارگیری داده های با قدرت تفکیک زمینی بالاتر حجم و هزینۀ نگه داری داده ها و پردازش آنها را افزایش می یابد. در حالی که قدرت تفکیک زمینی بالاتر همیشه منجر به دقت بیشتر نتایج نمی گردد(Kogima و Takara، 1996). به منظور کاهش هزینۀ داده ها، می بایستی از داده های با قدرت تفکیک زمینی مناسب برای مطالعۀ مورد نظر استفاده شود. قدرت تفکیک زمینی مطلوب آن است که میزان اطلاعات در پیکسل به حداکثر برسد (َAtkinson، 1997). Hypanen(1996) دریافت قدرت تفکیک زمینی مطلوب در طبقه بندی جنگل بستگی به گونه های درختی، سن جنگل و باند طیفی به کار رفته دارد.
قدرت تفکیک طیفی بیانگر توانایی یک سنجنده برای توصیف دامنه های طیفی[6]است (Gampbell، 1996). Teillet و همکاران(1997) دریافتند اختلاف در عرض باند (محدودۀ طیفی) روی مقادیرNDVI تأثیر زیادی می گذارد مشروط بر آنکه عرض باند کمتر از50 نانومتر باشد. Csillage و همکاران(1993) کلیۀ دامنه های طیفی برای مشخص کردن مسائل شوری خاک در محدودۀ طیفی نور مرئی، مادون قرمز نزدیک و میانی را مشخص کردند. یک محدودۀ باریک طیفی( باند) می تواند تغییرات ظریف و دقیق در بازتاب های سطح زمین را ثبت کند، بنابراین میزان اطلاعات را غنی میسازد. این ویژگی برای انواع پوشش های گیاهی که بازتابشان با طول تغییر میکند، صادق است. تعداد اندکی از محققان حتی آنان که در مطالعاتشان با داده های SPOT و TM سروکار داشتند. خاصیت قدرت تفکیک طیفی و مکانی را مورد مقایسه قرار داده اند، May و همکاران(1997) کارایی تصاویر TM و SPOT را در طبقه بندی پوشش گیاهی مقایسه کردند و دریافتند که داده های TM قادرند به جدا کردن بوته ها از علفزار ها می باشد و داده های SPOT برای طبقه بندی جنگل هایی از درختان خزان کافی نیست. Cushnie (1987) گزارش کرد دقت کلاس های یکنواخت چندان تحت تأثیر قدرت تفکیک طیفی داده ها قرار نمی گیرد. نتایج این قبیل مطالعات اهمیت قدرت تفکیک طیفی در تفکیک پذیری درختان و پوشش گیاهی را آشکار می سازد.
کاربردها
اطلاعات به دست آمده از ناحیۀ مادون قرمز حرارتی، کمک زیادی به مطالعۀ پدیده های مختلف میکند. و به عبارتی تغییرات جزئی درجۀ حرارت می تواند در تشخیص برخی پدیده ها و یا درک محیط به ما کمک کند. برخی کاربردهای سنجش از دور حرارتی شامل موارد زیر است:
1- تهیۀ نقشۀ حرارتی
2- تشخیص واحدهای زمین شناسی و محل گسل ها
3- رطوبت خاک
4- هیدرولوژی و تعیین محل نشست آب
5- مرز بندی مناطق ساحلی
6- آتشفشان
7- آتش سوزی ها
8- زلزله
9- مدل های محیطی
10- علوم پزشکی
11- علوم دامپزشکی
12- کاربردهای نظامی
13- حرارت ساختمان ها و صخره ها و غیره
14- تبخیر گیاهان
15- تعیین محل چشمه های آب سرد و چشمه های آب گرم معدنی
16- حیات وحش، وضعیت ماهی گیری و تعیین آلودگیهای دریاها و هوا.
کانی ها
مناسب ترین ویژگی های حرارتی کانی ها، در محدودۀ طول موج های µm 14-8 تشخیص داده شده است(Lillesand و Kiefer،1994). این ناحیۀ مادون قرمز حرارتی، با خصوصیات جذبی تعدادی مواد تشکیل دهنده در سنگ ها، مانند سیلیکات ها، کربنات ها، اکسید ها، فسفات ها، سولفات ها، نیترات ها،هیدروکسیل ها و غیره مشخص می شوند. برخی ویژگی های فیزیکی نظیر اندازۀ ذرات(بافت) و ساختمان می توانند تغییراتی در طیف تشعشعی از نظر عمق نسبی جذب، ایجاد کنند. شکل6-10 رفتار طیفی گروه های آنیونی را نشان میدهد. منحنی رفتارهای طیفی به عنوان درصد تشعشع در امتداد محورx رسم شده است. به طور کلی قله های منفی(موسوم به جذب باندی) بیانگر قابلیت جذب طیفی پایین یا بازتاب طیفی بالاست.
دانلود تحقیق کامل درمورد حرارت و انرژی الکترومغناطیسی
