Please ensure Javascript is enabled for purposes of website accessibility
plus
reset
minus
plus
minus
تاریخ انتشارجمعه ۱۵ مرداد ۱۴۰۰ ساعت ۲۲:۴۳
کد مطلب : ۴۴۸۸

استفاده از پهپاد در نقشه‌برداری مناطق ساحلی و آب‌های کم عمق

مهندس غلامرضا کریم‌زاده، اداره کل ژئودزی و نقشه‌برداری زمینی
استفاده از پهپاد در نقشه‌برداری مناطق ساحلی و آب‌های کم عمق
plusresetminus
استفاده از پهپاد در نقشه‌برداری مناطق ساحلی و آب‌های کم عمق
 
چکیده
باتیمتری یا عمق‌سنجی با استفاده از روش‌های مختلف از جمله عمق‌یابی صوتی، لیزر هوابرد، و روش ماهواره‌ای سنجش از دور انجام می‌شود. انتخاب روش و تکنیک باتیمتری مستلزم انجام بررسی‌های لازم در مورد اهداف مد نظر، شرایط منطقه، و بالاخره هزینه و کارآیی هر یک از گزینه‌های مذکور است. به عنوان مثال، برای پایش تغییرات مناطق خشک ساحلی یا برای هیدروگرافی (آبنگاری) در مناطقی به عمق صفر تا دو متر که در آن عمق‌یابی صوتی چند‌طیفی عملاً دچار مشکل است یا در شرایطی که آبنگاری با استفاده از تجهیزات صوتی (مانند اکوساندر)، پر هزینه و زمان‌بر خواهد بود، فناوری باتیمتری چندطیفی پهپادی را می‌توان به عنوان جایگزینی مناسب در نظر گرفت. نتایج مطالعات موردی نشان داده است که با روش باتیمتری پهپادی در عمق‌هائی تا حدود 5 متر، می‌توان به دقت تفکیک مکانی حدود 20 سانتی‌متر دست یافت.
 
مقدمه
مناطق ساحلی به این دلیل که در اثر فرایندهای طبیعی و فعالیت‌های انسانی دائماً در حال دگرگونی و تغییر شکل هستند، در همۀ نقاط دنیا محیط‌هائی پویا محسوب می‌شوند. عوامل مختلف زمین‌شناسی و ژئومورفولوژیکی‌، هیدرودینامیکی‌، بیولوژیکی‌، اقلیمی و انسانی در بروز این تغییرات نقش دارند. تعامل مجموعه عوامل یادشده در بازه‌های زمانی مختلف، موجب بازساخت پویای ساحلی می‌گردد که با عبارت مورفودینامیک ساحلی بیان می‌شود. از سوی دیگر، مناطق ساحلی میزبان بسیاری از زیرساخت‌ها و زیست‌بوم‌های حساس و کلیدی هستند. همچنین، حدود 40 درصد از جمعیت جهان در فاصله 100 کیلومتری ساحل سکونت دارند و حدود 10 درصد نیز در مناطقی با ارتفاع کمتر از 10 متر از سطح دریا، زندگی می‌کنند. بنا بر این، بخش مهمی از اقتصاد کشورهای دارای مرزهای دریائی به ویژه اقتصاد معیشتی مردم به مناطق ساحلی وابسته است.
با این توصیف، پویائی شکل ساحل و وجود لندفرم‌های مختلف، حساسیت بالای اکوسیستمی و بالاخره اهمیت ویژۀ اقتصادی مناطق ساحلی ایجاب می‌کند تا تدوین و اجرای سیاست‌ها و برنامه‌‌های مؤثرِ پایش، ارزیابی و حفاظت سواحل در اولویت قرار گیرند. مدیریت یکپارچه مناطق ساحلی نیازمند جمع‌آوری، پردازش  و تحلیل داده‌های مختلف زیستی، فیزیکی، شیمیایی، هیدرودینامیکی، زمین‌شناسی، مورفولوژی و توپوگرافی سواحل و نیز داده‌های باتیمتری (عمق‌سنجی) و هیدروگرافی (آبنگاری) آب‌های ساحلی در سری‌های زمانی مشخص است. باتیمتری مؤلفه‌ای مهم در کاربردهای دریایی، اجرای پروژه‌های مهندسی و پایش فرسایش‌های ساحلی است. اطلاعات دقیق و موثق عمق‌سنجی در اموری مانند مطالعات فرسایش ساحلی‌، ناوبری دریایی‌، نقشه‌برداری و پایش رفتار کف (بستر) دریا، برنامه‌ریزی لایروبی و مدیریت ساحل کاربرد دارد.
  
روش‌های معمول باتیمتری (عمق‌سنجی)
داده‌های عمق‌سنجی به طور سنتی به وسیلۀ عمق‌یاب‌های صوتی (یا اکوساندرهای) منصوب روی شناورها جمع‌آوری می‌شوند. در این روش، باتیمتری عموماً با فناوری عمق‌یابی صوتی تک‌پرتو یا عمق‌یابی صوتی چندپرتویی انجام می‌شود. استفاده از این فناوری در آب‌های کم عمق و البته در سطحی وسیع، مستلزم انجام کاری پر خطر، پر زحمت و بسیار گران است. برآورد شده است نقشه‌برداری دریائی با فناوری عمق‌یابی صوتی چندپرتویی در منطقه‌ای کم عمق به وسعت یک کیلومتر مربع، تقریباً ده روز عملیاتی طول می‌کشد و تا ده هزار یورو هزینه دارد. البته علاوه بر مسائل مربوط به زمان و هزینه، دشواری‌های دیگری نیز در رابطه با تردد شناورهای هیدروگرافی از جمله اخذ مجوزهای لازم و شرایط دریا وجود دارند که نباید نادیده گرفته شوند. از سوی دیگر در عمق‌های کمتر از دو متر، انجام عملیات هیدروگرافی با عمق‌یاب صوتی چندپرتویی دارای محدودیت بوده و معمولاً عملیات تا عمق حدود یک متری در نزدیکی خط ساحل با یک قایق کوچک مجهز به عمق‌یاب صوتی تک‌پرتویی یا از طریق تعیین موقعیت ماهواره‌ای GPS-RTK انجام می‌شود.
علاوه بر فناوری عمق‌یابی صوتی، تکنیک‌های دیگری نیز در زمینۀ اخذ داده‌های عمق‌سنجی توسعه یافته‌اند. برای مثال باتیمتری لیزر هوابرد Airborne Laser Bathymetry (ALB)، یک تکنیک سنجش از دور فعال برای اخذ داده از مناطق کم عمق با استفاده از نور لیزر سبز است، که در سال‌های اخیر به سرعت توسعه یافته است. اگر چه در رویکرد سنتی همچنان روی هیدروگرافی با اکوساندرها (یا عمق‌یاب‌های صوتی) تأکید می‌شود، ولی باید اذعان کرد که طی سال‌های اخیر فناوری لیزر هوابرد و نیز تصاویر ماهواره‌ای با وضوح بالا به طور فزاینده‌ای برای پایش سواحل و تهیه نقشه‌های هیدروگرافی و توپوگرافی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. امروزه‌، گردآوری داده‌ها با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای چندطیفی و الگوریتم‌های مختلف مبتنی بر سنجش از دور نیز معمول شده است. باتیمتری ماهواره‌ای(Satellite-Derived Bathymetry - SDB) روشی نوین در نقشه‌برداری آب‌های کم عمق است که بر پایۀ پردازش تصاویر ماهواره‌ای چندطیفی استوار است. اگر چه دقت مکانی نتایج این روش در مقایسه با عمق‌یابی سنتی صوتی (به عنوان مثال‌، عمق‌یابی صوتی چندپرتوئی) یا باتیمتری لیزر هوابرد پائین‌تر است، اما کارائی آن در زمینۀ نقشه‌برداری دریائی و هیدروگرافی به اثبات رسیده است. البته باید در نظر داشت که تصویربرداری ماهواره‌ای و جمع‌آوری داده‌ به منظور پایش کف و بستر دریا‌ها در هوای ابری و شرایط نامساعد دریا با مشکلات و کاستی‌هائی همراه است.
اولین کاربرد داده‌های سنجش از دور در برآورد عمق آب به سال 1975 بر می‌گردد، زمانی که ناسا توپوگرافی کف دریا در باهاما (Bahamas) را با استفاده از تصاویر چند طیفی ماهواره لندست یک (Landsat 1) تا عمق حدود 20 متری محاسبه کرد. از اوایل دهۀ 2000 برای تعیین عمق آب‌های ساحلی با استفاده از تصاویر دقیق ماهواره‌ای، مدل‌های متعددی مبتنی بر پدیدۀ فیزیکی انتقال تابشی ایجاد و استفاده شده‌اند. در واقع، باتیمتری ماهواره‌ای به عنوان راه حلی مقرون به صرفه از نظر زمان و هزینه به منظور تعیین مورفولوژی بستر دریا در مناطق کم عمق ارائه شد. دقت باتیمتری ماهواره‌ای نیز به تدریج و به ویژه با استفاده از سنجنده‌های ماهواره‌ای دقیق، مانند ماهواره‌های WorldView-2، WorldView-3 و Quick Bird  شرکت دیجیتال گلوب بهبود یافت. گفتنی است که سنجندۀ ماهواره WorldView-2 دارای توان تفکیک 50 سانتی‌متر برای تصاویر پانکروماتیک و 2 متر برای تصاویر 8 باندی (چند طیفی) است. البته در پنج سال اخیر، داده‌های ماهوارۀ سنتینل (Sentinel-2A/B) از برنامه کپرنیک نیز در دسترس قرار گرفته است. داده‌های این ماهواره رایگان بوده و نتایج استفاده از آن در باتیمتری ماهواره‌ای، به ویژه در مناطق وسیع، رضایت‌بخش و امیدوار‌کننده است.
 
باتیمتری چند طیفی پهپادی
در ده سال گذشته توسعه و تکامل سریع وسائط نقلیه هوائی بدون سرنشین یا هواپیماهای کنترل از راه دور (Unmanned Aerial Vehicle - UAV) به عنوان پلتفرم‌های سنجش از دور از یک سو و پیشرفت‌های حاصله در زمینه کوچک‌سازی ابزارهای سنجش و سیستم‌های داده از سوی دیگر، موجب افزایش استفاده از فناوری پهپاد (پرندۀ هدایت‌پذیر از دور) در جوامع علوم محیطی و سنجش از دور شده است. امروزه پهپادها سریع‌ترین سیستم‌های پایش برای خشکی‌ها و مناطق ساحلی محسوب می‌شوند و تصاویر اخذ‌شده به وسیلۀ آن‌ها، پس از تصحیح و ترمیم (اورتوفتو)، ابزار سودمندی برای مطالعات سرزمینی و محیطی هستند. قابلیت‌ها و مزایای منحصر به فرد پهپاد موجب شده است تا به عنوان یک فناوری نوین سنجش و اندازه‌گیری دقیق در مقیاس‌های مکانی کوچک تا متوسط، برای اندازه‌گیری در مناطق خطرناک یا مناطق دشوار از نظر دسترسی و همچنین برای اندازه‌گیری مکرر پدیده‌های محیطی بیشترین کاربرد را داشته باشد. البته دقت مکانی بالا، پوشش کامل منطقۀ مورد مطالعه، انعطاف‌پذیری بالای عملیاتی و همچنین امکان ارائه اطلاعات تصویری دقیق در مدت زمان کوتاه، از مزایای اصلی این فناوری به شمار می‌روند. در حال حاضر، هواپیماهای بدون سرنشین منبع ارزشمندی از داده‌ها را برای تهیه نقشه و مدل‌سازی سه بعدی و کم هزینه فراهم می‌کنند. ابزاری که به راحتی قابل حمل هستند و می‌توانند داده‌ها را در مدت زمان کوتاهی جمع‌آوری نمایند. لازم به ذکر است که این فناوری علاوه بر پایش ساحلی و تهیه داده‌های عمق‌سنجی و توپوگرافی، در امور مختلف دیگری مانند کشاورزی و باستان‌شناسی نیز کاربرد دارد.
در مطالعه‌ای که در کشور ایتالیا تحت عنوان "باتیمتری چندطیفی پهپادی" انجام و نتایج آن در نوامبر 2020 در پایگاه انتشاراتی MDPI منتشر گردید، عمق‌سنجی در منطقه‌ای کوچک با استفاده از پهپاد مجهز به دوربین چند طیفی (در همان باندهای طیفی سنجندۀ ماهواره‌ای WorldView-2) مورد بررسی و نتایج با استفاده از الگوریتم‌های موسوم به Stumpf و Lyzenga ارائه شد. در این تحقیق به منظور اعتبارسنجی نتایج و دقت روش مورد استفاده، عملیات هیدروگرافی با عمق‌یاب صوتی چندپرتویی نیز در همان دوره زمانی انجام گردید. منطقه مورد مطالعه به مساحت تقریباً 0.5 کیلومتر مربع و در توسکانی ایتالیا واقع بوده است (تصویر 1). در این مطالعه، از روشی جدید برای تهیۀ ارتوفتوموزاییکِ زمین‌مرجع استفاده شد. همچنین، تصاویر چند طیفی پهپاد برای بازیابی داده‌های باتیمتری پردازش شدند و آزمون‌های متعددی در زمینۀ ترکیب باند‌های مختلف و نیز ارزیابی دقت به عنوان تابعی از تعداد و تراکم نقاط کنترل ساحل و کف دریا، انجام گردیدند. نتایج بررسی‌ها نشان داد که با باتیمتری پهپادی می‌توان به دقت (یا توان تفکیک مکانی) حدود 20 سانتی‌متر در آب‌های کم عمق دست یافت، هزینه‌های عملیاتی را به حداقل رساند و بالاخره برای نقشه‌برداری و پایش مناطق ساحلی برنامه‌ریزی و اقدام کرد. همچنین معلوم گردید که به دلیل پوشش کامل کف دریا در باتیمتری پهپادی، مدل‌های رقومی ارتفاعی (DEM) حاصل از این روش که دارای جزئیات بالائی هستند را می‌توان با مدل‌های باتیمتری صوتی چندپرتویی مقایسه نمود. مزید بر این، عمق‌سنجی پهپادی در آب‌های بسیار کم ژرفا، جایی که انجام هیدروگرافی سنتی با کار میدانی سخت و با محدودیت‌های عملیاتی مواجه است‌، از قابلیت اجرائی بیشتری برخوردار است. به طور کل در این مطالعه، سطح کیفی فناوری باتیمتری پهپادی آشکار شد و همچنین روشن گردید که می‌توان از این روش برای استخراج داده‌های عمق‌سنجی در مناطق کوچک و البته با دقتی بالاتر از روش‌ باتیمتری ماهواره‌ای، استفاده کرد. اولین هدف این تحقیق‌، بررسی پتانسیل باتیمتری پهپادی با استفاده از مدل‌های Stumpf و Lyzenga بود که دو نمونه از متداول‌ترین و مورد استناد‌ترین الگوریتم‌های پردازش تصاویر چند‌طیفی ماهواره‌ای هستند. نتایج دقیق این مدل‌ها در برآورد عمق آب‌های کم ژرفا و بستر همگن دریا در منطقه مورد مطالعه ثابت کرد که دو مدل‌ مورد استفاده را می‌توان برای پایش منظم مناطق حساس ساحلی مورد استفاده قرار داد. البته بر اساس نتایج به دست آمده و تحت شرایط تحقیق، دقت مدل Lyzenga کمی بیشتر از مدل Stumpf بوده است.
 

تصویر 1) نقشه موقعیت، ناحیه مورد مطالعه در مستطیل قرمز واقع است.

نتیجه‌گیری
داده‌ها و محصولات باتیمتری چندطیفی پهپادی از جزئیات و دقت بالائی برخوردار هستند. به علاوه، با استفاده از باتیمتری پهپادی در مناطق کوچک تا متوسط‌​​، امکان دستیابی آسان‌تر و ارزان‌تر به تصاویر لازم برای پایش مناطق ساحلی فراهم می‌گردد. البته باید در نظر داشت که مقایسۀ صحت و دقت مجموعه داده‌های حاصل از این روش با روش باتیمتری ماهواره‌ای، به انجام بررسی‌های بیشتر به ویژه در مورد شرایط و فواصل زمانی اخذ داده‌‌ها نیاز دارد. از سوی دیگر علی رغم جنبه‌های مثبت متعدد ذکرشده برای باتیمتری چندطیفی پهپادی، استفاده از این روش نیازمند آزمون‌های بیشتری است تا محدودیت‌ها و پتانسیل‌های آن بهتر درک گردد و فرایند استاندارد و قابل اعتمادی برای جمع‌آوری داده‌ها‌ طراحی شود. همچنین توصیه شده است آزمون‌های لازم روی پارامترهایی مانند ارتفاع پرواز پهپاد و سایت‌های ساحلی با ویژگی‌های متفاوت صورت پذیرند و فواصل اطمینان برای ضریب تغییرات به صورت تابعی از تیرگی آب، وضعیت سطح، و فرم یا شکل بستر دریا مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرند.
 
منبع اصلی:
 
https://www.ncc.gov.ir/vdcf.cdjiw6djcgiaw.html
ncc.gov.ir/vdcf.cdjiw6djcgiaw.html
ارسال نظر
نام شما
آدرس ايميل شما
کد امنيتی