سنجش از راه دور ویژگی های برف در زمینه اخطار بهمن

سنجش از راه دور ویژگی های برف در زمینه اخطار بهمن – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه زمین شناسی – منابع طبیعی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

بررسی و سنجش از راه دور ویژگی های برف در زمینه اخطار بهمن

چکیده

تحقیق گزارش شده در این مقاله به عنوان بخشی از پروژه ای تحت عنوان  “applikasjoner Fjernanalyse i naturskade og urbane” می باشد که به وسیله مرکز فضایی نروژ تامین مالی شده است و با مشارکت موسسه ژئو تکنیکی نروژ (NGI) انجام پذیرفته است. ما در اینجا گزارشی را در این زمینه ارائه می نمائیم که هدف از آن یافتن ارتباطی بین پارامترهای برف می باشد که حاصل آمده از داده های ماهواره در فضا و همچنین متغیرهای اندازه گیری شده در محیط طبیعی در زمینه برف می باشد تا آنکه قابلیت ایجاد مدلی گردد که به ما اجازه پیش بینی مواردی همچون نوع دانه های برف را خواهد داد که به عنوان یک برآورد میدانی از طریق آنالیز داده های فضایی حاصل می شود. نقطه تمرکز مطالعه گزارش شده در اینجا جمع آوری همزمان داده های محیط طبیعی و اکتساب داده های ماهواره ای به منظور استقرار ارتباطی بین متغیرهای وابسته به بهمن و متغیرهای حاصل آمده از داده های سنجش از راه دور می باشد. علی الخصوص، ویژگی های دانه های برف سطحی که در محیط  طبیعی حاصل آمده اند با ویژگی های دانه های برف که از طریق داده های چند طیفی از حسگر ماهواره MODIS حاصل آمده است مقایسه       می شوند. در این بررسی داده های حاصل آمده از ماهواره مورد مطالعه قرار می گیرد. بعلاوه     داده های حاصله از چهار منطقه مورد آزمایش نیز بررسی خواهند شد: سه منطقه واقع در رشته کوههای  Strynefjell است و چهارمین منطقه در ناحیه اسلو نزدیک Lillestrøm قرار دارد. حاصل آوردن و آنالیز متغیرهای برف از  داده های MODIS برای دو فصل برفی ۲۰۰۷-۲۰۰۸ و ۲۰۰۹، از دسامبر الی می حاصل گردیده است. دو مورد از ویژگی های های خاص بر هر ناحیه یافت شده اند. اندازه دانه برف مشاهده شده در خلال چندین روز افزایش می یابد(معمولاً ۲-۳ روز)، درحالی که دمای برف کاهش نشان می دهد. به واسطه کمبود رویه های سنجشی میدانی همزمان ، تائید این موضوع که چنین مواردی معرف برفک سطحی  می باشند امکان پذیر نخواهد بود. با این وجود، در یک مورد برفک سطحی در یک زمان در ناحیه Norefjell مشاهده شده و آنالیز داده های منطبق ماهواره ای از Norefjell نیز معرف افزایش  SGS در خلال چندین روز بوده است. برآوردها در منطقه Lillestrøm در ارتباط با مشخص نمودن یک ارتباط دقیق بین اندازه دانه برف مشاهده شده از طریق ماهواره و همین اندازه همراه با شکل آن از طریق برآورد میدانی میباشد. برای مطالعات متعاقب توصیه می شود تا برآوردهای محیط طبیعی به میزان قابل توجهی افزایش یابد تا آنکه فرصت منطقی جهت حاصل آوردن رویه های سنجشی همزمان در محیط طبیعی و با استفاده از ماهواره فراهم گردد.

کلمات کلیدی: حسگری یا سنجش از راه دور، متغیرهای سطح برف، بهمن

سنجش از راه دور ویژگی های برف در زمینه اخطار بهمن

 ۱- مقدمه

تحقیق ارائه شده دراین مطالعه  به عنوان بخشی  از پروژه  “applikasjoner Fjernanalyse i naturskade og urbane” می باشد که بوسیله مرکز فضایی نروژ (JOP.05.09.2) تامین مالی شده است و با همکاری موسسه ژئو تکنیکی نروژNGI)) اجرا گردیده است. در این بررسی ما تحقیق انجام شده در یک بسته تحقیقاتی ۲  “Forbedret snøskredvarsling med satellittdata”را گزارش می نمائیم. هدف اصلی یافتن ارتباط بین متغیرهای برف حاصل آمده از داده های ماهواره و پارامترهای محیطی می باشد تا آنکه قابلیت ایجاد مدلی را داشته باشیم که به ما اجازه پیش بینی پارامترهایی همانند نوع دانه ای برف را خواهد داد که در محل به صورت تحقیق میدانی از آنالیز داده های فضایی به دست آمده است. این پارامترها عبارت اند از : اندازه دانه  برف، دمای سطح برف و رطوبت سطح برف. در آینده امید می رود تا این داده ها را بتوان در روتین های اخطار بهمن به کار گرفت . بر این مبنا تمرکز خاصی بر روی ناحیه قرار گرفته در اطراف نواحی کوهستانی ایستگاه NGI یعنی منطقه “Fonnbu” در ناحیه Strynefjell اعمال گردیده است.

خواص برف در ارتباط با اندازه دانه برف و نوع سطح از جمله موارد مهم در زمینه تحقیقات بهمن و اخطارهای مربوط بدان به شمار می آیند. در مناطق آب و هوایی قاره ای و میان کوهستانی، لایه های ضعیف یا سطوح مشترک برف های انباشته یا پشته شده به عنوان دلیل اصلی بهمن به شمار می آیند (شکل۱-۱). داشتن اطلاعات در خصوص چنین لایه های ضعیفی به ما کمک خواهد نمود تا درک خود را در زمینه  پیش بینی بهمن افزایش دهیم. برخی از این لایه های بالقوه ضعیف، نظیر برفک سطحی بر روی سطح برف تشکیل می گردد و در همان محل تدریجاً دفن می شوند.

سیستم سنجشی حسگرهای نوری ماهواره اقدام به بازتاب دادن نور خورشید درطول موج های مختلف در طیف مرئی و بخش فرو سرخ طیف الکترومغناطیسی نمودند. فرو سرخ نزدیک حساس به اندازه نوری دانه برف می باشد. به واسطه اندازه متمایز و ویژگی های شکلی لایه های بالقوه ضعیف نظیر به طور مثال برفک سطحی، بازتاب آنها کاملاً متمایز از دیگر انواع برف، نظیر برف تازه یا برف در حال ذوب می باشد (e.g., Bühler و همکاران، ۲۰۰۹؛ Fily و همکاران ،۱۹۹۹؛ Nolin و Dozier،۲۰۰۰). در صورتی که شرایط آب و هوایی اجازه مشاهده بصری صحنه را به ما بدهد خواهیم توانست تا نسبت به تشخیص چنین لایه هایی از طریق سنجش از راه دور اقدام نمائیم.

تمرکز این بررسی مقدماتی بر روی جمع آوری همزمان داده های محیط طبیعی و حاصل آوردن داده های ماهواره ای می باشد تا آنکه ارتباطی را بین متغیرهای مرتبط با بهمن و متغیرهای حاصله از داده های سنجش از راه دور بدست آید. مخصوصاً، ویژگی های دانه برف سطحی که در موقعیت طبیعی برآورد شده است با ویژگیهای دانه برف حاصل آمده از داده های چند طیفی از حسگر ماهواره MODIS مقایسه  می گردد.

داده های حاصله از چهار منطقه تحت آزمایش بر این مبنا تاکنون مورد مطالعه قرار گرفته اند. سه منطقه صدر الاشاره در رشته کوه  Strynefjell، غرب نروژ (شکل۱-۲) واقع می باشند. در این مناطق می توان اقدام به حصول داده های ماهواره ای بدون اکتساب سیگنال های دیگر از پارامترهای متفاوت پیرامونی نظیر پوشش گیاهی، جاده ها و دیگر اشیاء در یک محدوده بصری مشخص برای حداقل یک پیکسل MODIS نمود. با این وجود، به واسطه ناحیه آلپ، امر توپوگرافی یا نقشه برداری بر روی سیگنال برآورد شده بوسیله حسگر ماهواره تاثیر گذار خواده بود. دو منطقه تحت آزمایش (Fonnbu و Grasdalsvatnet در ناحیه Grasdalen، نزدیک به ایستگاه تحقیقاتی برف و بهمن Fonnbu موسسه ژئو تکنیکی نروژ((NGIواقع  می باشند. محل سوم تحت آزمایش در  منطقه Breiddalsvatnet واقع است، دریاچه ای در بخش شرقی کوه Strynefjell که در اینجا تاثیرات نقشه برداری در کار نمی باشد.

سنجش از راه دور ویژگی های برف در زمینه اخطار بهمن

۲- الگوریتم هایی برای توصیف ویژگی های سطح برف

۲-۱ . پوشش کسری برف

الگوریتم پوشش کسری بصری برف (FSC) بر مبنای مدل بازتاب ـ به ـ پوشش ـ برف تجربی استوار است که در ابتدا برای  NOAA AVHRR به وسیله Østrem و همکاران (۱۹۷۹) پیشنهاد شده و سپس در شرکت Solberg و Andersen (1994) مورد پالایش قرار گرفته است. این الگوریتم، که همچنین تحت عنوان الگوریتم بازتاب ـ به ـ پوشش ـ برف خطی سوئدی (NLR) خوانده می شود متعاقباً برای کاربرد در  داده های MODIS به وسیله NR مورد تغییر و به روز رسانی قرار گرفت. این مورد در حقیقت حاصل آورنده پوشش کسری برف (FSC) برای هر پیکسل می باشد. این مدل از طریق فراهم آوردن دو نقطه تابع خطی که ارتباط دهنده بازتاب مشاهده شده (یا میزان تابندگی ) به پوشش کسری برف کالیبره شده است (شکل۲-۱). کالیبراسیون قالباً به صورت اتوماتیک با استفاده از نواحی کالیبره انجام می گردد. آمارهای حاصله از نواحی کالیبره متعاقباً جهت محاسبه نقاط کالیبراسیون برای ارتباط خطی مورد استفاده قرار     می گیرد.

۲-۲٫ رطوبت سطح برف

ما دیدگاهی را توسعه دادیم تا بر مبنای آن قابلیت استنباط برف مرطوب از طریق ترکیبی از برآوردهای دمای سطحی برف (STS) و اندازه دانه برف (SGS) به صورت یکسری از مشاهدات سری زمانی را داشته باشیم. مشاهدات دمایی معرف یک شاخص متناسبی در این موضوع می باشد که آیا برف مرطوب وجود دارد یا خیر، اما آنها به خودی خود از دقت کافی جهت فراهم آوردن شواهد مکوی در زمینه برف مرطوب برخوردار نیستند.

۲-۳٫ دمای سطح برف

الگوریتم  دمای سطح برف (STS) بر مبنای دیدگاهی است که بوسیله  Key و همکاران (۱۹۹۷) ارائه شده است. در یک بررسی مقایسه ای به وسیله  Amlien و Solberg (2003)، این الگوریتم به عنوان یکی از بهترین تکنیک های بررسی انفرادی برای حاصل آوردن STS برای جو قطبی مدنظر می باشد و می توان آن را برای داده های  MODIS و همچنین  NOAA AVHRR به کارگرفت .

۲-۴٫ اندازه دانه ای برف

برای SGS ما از شاخص اندازه دانه نرمال شده بر مبنای تحقیق انجام گرفته به وسیله Dozier (1989) استفاده نموده و آزمایشات Fily و همکاران(۱۹۹۷) را دنبال نمودیم. باندهای ۲ و ۷  MODIS در این شاخص مورد استفاده قرار گرفته که معرف حساسیت کمتر در برابر ناخالصی های برف می باشند.

سنجش از راه دور ویژگی های برف در زمینه اخطار بهمن

۳- برآوردهای ماهواره ای

داده های حاصله از ۴منطقه مورد آزمایش تحت بررسی قرار گرفتند. سه منطقه در محدوده رشته کوه  Strynefjell، غرب نروژ واقع است. دو منطقه مورد بررسی (Fonnbu و Grasdalsvatnet، شکل ۲-۱) در منطقه Grasdalen واقع می باشد. سومین منطقه نیز در  Breiddalsvatnet واقع است، دریاچه ای در قسمت شرقی کوه  Strynefjell. چهارمین منطقه در ناحیه اسلو (نزدیک به  Lillestrøm) قرار دارد که جهت حصول واکنش سریع برای منطقه کاری به هنگامی که وضعیت آب و هوایی اجازه اکتساب داده های ماهواره ای را میدهد، اضاف گردید.

۱-۳٫ فصل برفی ۲۰۰۸، منطقه Strynefjellet

شکل های ذیل نشان دهنده پوشش کسری برف حاصل شده (FSC) دمای سطح برف (STS)، اندازه دانه برف (SGS) و رطوبت سطح برف (SSW) برای یک منطقه در ناحیه Strynefjellet  برای فصل زمستان ـ بهار در سال ۲۰۰۸ و ۲۰۰۹ می باشد. تاریخ و زمان اکتساب داده های ماهواره ای در سمت چپ نشان داده شده اند.

۲-۳٫ فصل برفی ۲۰۰۹، Strynefjellet

کدینگ رنگ های ذیل برای این فصل مشابه با مورد تشریح شده در بخش ۱-۳ می باشد.

۳-۳٫ برآوردهای برف در ناحیه Romerike، ۲۰۰۹

تحقیقی بر روی نقشه ها و تصاویر هوایی انجام شد تا آنکه نواحی مورد بررسی محتمل نزدیک اسلو یافت شوند. این ناحیه می بایست به صورت مسطح باشد و همچنین تا حد ممکن بزرگ و بدون پوشش گیاهی همانند درختان یا بوته زارها باشد. جهت حاصل آوردن اندازه دانه برف از تصاویر MODIS، این منطقه میبایست حداقل به میزان ۵۰۰ متر در ۵۰۰ مساحت داشته باشد. برای حصول داده های دمایی و رطوبت، منطقه مذکور باید حداقل یک کیلومتر در یک کیلومتر باشد. البته یافتن منطقه ای که دارای اندازه کافی نزدیک اسلو باشد امکان پذیر نیست.

۱-۳-۳٫ برآوردهای میدانی

برآوردهای میدانی با استفاده از طیف سنج (ASD FieldSpec Pro spectroradiometer) همراه با ثبت دمای هوا و برف و همچنین چگالی برف و رطوبت آن انجام شدند. این برآوردها در روزهایی که ابر در مسیر ماهواره وجود نداشت انجام گردیدند. در طی این برآوردها در منطقه Egner در ۱۶ مارس، ابرها پدیدار شدند و منطقه را در زمان عبور ماهواره تحت پوشش قرار دادند. یک برآورد در منطقه  Sogn نزدیک NR در روزی که برف باریده بود انجام گردید. در این روز دانه های برف کوچک بوده و دارای لبه های تیزی بودند. آنها تا اندازه ای به یکدیگر چسبیده بودند اما به صورت یخ زده در کلوخه های بزرگ به یکدیگر متصل نبودند . در روزهای دیگر، این دانه ها به یکدیگر چسبیده و شکل حباب های ۳-۴ میلیمتری و بزرگتر را تشکیل دادند. بر این مبنا میتوان واحدهای گردی با اندازه یک میلیمتر را تشخیص داد. برآوردهای میدانی در جدول ۱-۳ خلاصه شده اند.

۲-۳-۳٫ سنجش های ماهواره ای

ناحیه ای متشکل از ۱۳کیلومتر در ۱۳کیلومتر برای برآورد بالقوه ماهواره ای در ناحیه  Romerike مورد جستجو قرار گرفت. این منطقه می بایست مسطح  و بدون جنگل و زیر ساختار باشد. ناحیه این منطقه در شکل ۷- ۳نشان داده شده است. یک نگاه نزدیکتر به این ناحیه در شکل ۸-۳ نشان داده شده است جایی که مناطق تحت بررسی در ناحیه Jølsen و Egner مشخص شده اند. همانگونه که می توان ملاحظه نمود، نواحی پیش بینی شده در بخش جنوبی وجود دارند. بخش هایی از شهر Lillestrøm در جنوب غربی    می باشد و شهر Kløfta نیز در مرکز بخش بالایی این ناحیه قرار گرفته است. باقی مانده این ناحیه غالبا مزرعه همراه با میادین زراعی و باز میباشد. با این وجود، در بسیاری از نقاط، نواحی جنگلی کوچکی همراه با درخت در امتداد کرانه های این میادین وجود دارند.

سنجش از راه دور ویژگی های برف در زمینه اخطار بهمن

۴- تفسیر برآوردهای ماهواره ای

حاصل آوردن داده های SFC ، STS، SGS و SSW برای دو فصل برفی ۲۰۰۷-۲۰۰۸ و ۲۰۰۸-۲۰۰۹ از دسامبر تا انتهای ژوئن حاصل شده است. نتایج از ژوئن مورد تفسیر قرار نگرفته است چرا که برف زیادی باقی نمانده و تصاویر تنها نشان دهنده زمین لخت و دمای فراتر از صفر درجه سانتیگراد میباشد.

۱-۴٫ منطقه Strynefjellet 

در سال ۲۰۰۸ زمستان طولانی و سرد بود. برف نیز غالبا تا ۷ می خشک بوده، در عین حال در آن زمان یک افزایش ناگهانی در دما سبب افزایش بزرگ در SGS و رطوبت برف گردید. این برف در طی روزهای آتی مرطوب گردید. سپس یک دوره هوای سردتر سبب ایجاد یخ خشک در برخی از مناطق گردید، اما این دوره چندان به طول نکشید. در انتهای می برف مرطوب بود.

۲-۴٫ ناحیه Romerike

از شکل ۹-۳ میتوان بدین موضوع پی برد که FSC برآورد شده کوچک است(یعنی بسیار کوچک) آن هم در کل دوره ومخصوصا در نواحی جنگلی، همانگونه که انتظار می رفت. یک دوره هوای سرد تا انتهای فوریه وجود داشت. از ۱۱ مارس دما افزایش یافته و به نزدیک صفر درجه از روز هجدهم رسید.

۳-۴٫ امکان پذیری بازیابی SGS 

یکی از اولین تجربه ها آن بوده است که با آغاز رویه آزمایشی در ابتدای دسامبر میتواند مشکلاتی را به وجود آورد. ما تجربه اندکی در زمینه کاربرد الگوریتم های بازیابی برف از طریق تصاویر حاصل شده قبل از شروع مارس داشتیم. به واسطه زاویه فراز پایین خورشیدی، سیگنال های برآورد شده از نور بازتاب داده شده اندک می باشند. در این وضعیت نواحی سایه دار بزرگی وجود دارند و این نواحی نور اندکی را از خورشید حاصل می آورند. FSC بازیابی شده به طور کلی بسیار اندک است. چنین موردی بر روی محاسبه SSW تاثیر می گذارد که هیچ گونه نتیجه با ارزشی را به هنگامی که FSC کاملا زیر ۱۰۰% میباشد را حاصل   نمی کند.

سنجش از راه دور ویژگی های برف در زمینه اخطار بهمن

۵-  نتیجه گیری

برآوردهای اندازه دانه برف و نوع آن در سطح جز موارد قابل توجه در حوزه تحقیق و اخطار مربوط به بهمن می باشد. در شرایط آب و هوایی بهمنی قاره ای و بین کوهستانی، لایه های ضعیف یا سطوح میانی توده برف به عنوان علت اصلی بروز بهمن به حساب می آید. برآورد حسگرهای ماهواره به صورت بصری بازتاب دهنده نور خورشید در طول موج های مختلف در بخش مشهود و فرو سرخ طیف الکترومغناطیسی می باشد. ناحیه فرو سرخ نزدیک به اندازه بصری دانه برف حساس می باشد. به واسطه اندازه متمایز و ویژگی های شکلی لایه های بالقوه ضعیف، نظیر به طور مثال برفک سطحی، بازتاب آنها کاملا متفاوت از دیگر انواع برف، نظیر برف تازه یا برف در حال ذوب میباشد. برفک سطحی غالبا تحت شرایط آسمان صاف ایجاد می گردد، بنابراین فرصت مشاهده رشد کریستال برف می تواند کاملا به طور مطلوب حاصل شود.

نقطه تمرکز این بررسی مقدماتی، در پس این گزارش، جمع آوری همزمان داده های محلی و اکتساب داده های ماهواره ای برای حاصل آوردن یک ارتباط بین متغیرهای مرتبط با بهمن و متغیرهای حاصل شده از داده های سنجش از راه دور می باشد. علی الخصوص، در اندازه گیری موضعی، ویژگی های دانه برف سطحی با خصیصه های دانه برف با توجه به داده های حاصله از طیف های متعدد حسگر ماهواره MODIS مقایسه شده است. داده های ماهواره ای بررسی شده بخشی از تحقیقات انجام گرفته در این مقاله ارائه می گردد.

داده های حاصله از چهار منطقه تحت بررسی مورد مطالعه قرار گرفته اند. سه منطقه در رشته کوه  Strynefjell، واقع در غرب نروژ میباشند. دو منطقه نزدیک به ایستگاه برف و تحقیقات بهمن Fonnbu متعلق به NGI هستند و منطقه سوم نیز در Breiddalsvatnet است. درخصوص مورد آخری، تاثیر توپوگرافی نادیده انگاشته شده است. یک منطقه چهارم نیز در ناحیه اسلو(نزدیک  Lillestrøm) اضافه شده است تا آنکه قابلیت واکنش سریع در زمینه تحقیقات میدانی به هنگامی که هوا شرایط مطلوب را برای مشاهدات ماهواره ای را در اختیار ما قرار دهد را داشته باشیم. این منطقه در یک ناحیه مسطح کشاورزی در حدود ۳۰ کیلومتری شمال شرق اسلو قرار گرفته است و بنابراین تاثیرات توپوگرافی حذف می گردند.

بازیابی و آنالیز FSC و STS و SGS و SSW از داده های MODIS برای دو فصل برفی ۲۰۰۷-۲۰۰۸ و ۲۰۰۸-۲۰۰۹ برای ماه های از دسامبر تا می انجام شده است. تیره ترین بخش فصل برفی (علی الخصوص دسامبر و ژانویه) سبب حصول نتایجی گردید که تا اندازه ای غیر واقعی بودند که علت آن ارتفاع یا  بر افراشتگی پایین خورشیدی گزارش شد. البته تشخیص این موضوع که آیا برف به طور کامل از FSC پوشش کاملی را به وجود آورده است از داده های FSC مشکل می باشد و همچنین شاخص SGS شامل مولفه مهم نویز نیز خواهد بود که علت آن نیز حساسیت نسبی متغیر MODIS– تشخیص گرهای کانال ۷ گزارش شده است.

دو مورد از موارد دارای ویژگی های مطلوب در داده های اطلاعاتی ۲۰۰۷-۲۰۰۸ مشخص گردید و دو مورد نیز در بانکهای اطلاعاتی ۲۰۰۸-۲۰۰۹ تعیین شد. SGS مشاهده شده در خلال چندین روز افزایش یافت (نوعا دو الی سه روز)، در حالی که STS کاهش یافت. به واسطه کمبود برآوردهای میدانی همزمان، امر تصدیق آنکه ایا این موارد معرف برفک سطحی هستند یا خیر نیز مشکل میباشد با این وجود، در یک مورد برفک سطحی به صورت تصادفی در ناحیه  Norefjell مشاهده گردید و آنالیز داده های ماهواره ای منطبق از  Norefjell نیز معرف افزایش SGS در خلال چندین روز بوده است.