بررسی کیفیت مدل رقومی ارتفاعی تهیه‌شده از تصاویر سنتینل -1 برای استخراج آبراهه‌ها: مطالعۀ تطبیقی در حوضۀ آبخیز تفتان

مقدمه

شبکۀ آبراهه از ویژگی‌های مهم برای مدل‌سازی هیدرولوژیکی، تجزیه‌وتحلیل ژئومورفولوژیکی چشم‌انداز و بسیاری از کاربردهای دیگر است (Luo et al., 2014, p. 183). تعیین دقیق آبراهه برای درک جریان آب از روی زمین و کاهش سیلاب حیاتی و ضروری است (Cho et al., 2007, p. 3182). به‌طور کلی به کمک بررسی‌های مورفومتری شبکۀ آبراهۀ حوضه‌ای آبخیز رفتار رودخانه برای سال‌های آینده تخمین و برآورد می‌شود (Parveen et al., 2012, p. 1042). به‌تازگی مدل‌های رقومی ارتفاعی^[1] به‌عنوان ابزاری قدرتمند برای ارزیابی تغییر شکل چشم‌انداز با زمان، مکان و به‌ویژه با بررسی و تحلیل شبکۀ آبراهه ظهور کرده است (Paul et al., 2017, p. 311). پژوهش‌ها نشان‌دهندۀ آن است که با افزایش قدرت تفکیک مکانی مدل رقومی ارتفاعی، اطلاعات مستخرج و مشتق از آن بیشتر ‌می‌شود (مکرم و همکاران، 1397، ص. 81)؛ از این رو، ترسیم شبکۀ آبراهه به قدرت تفکیک مکانی مدل رقومی ارتفاعی وابسته است (Paul et al., 2017, p. 311). در بسیاری از موارد در کشور ما به علت فقدان مدل رقومی ارتفاعی با قدرت تفکیک مکانی زیاد از نقشه‌های توپوگرافی اسکن و رقومی‌شده به‌منظور تهیۀ مدل رقومی ارتفاعی و استخراج مشتقات آن استفاده می‌شود که این روش زمان‌بر و به دقت بسیار زیاد نیازمند است. با پیشرفت‌های اخیر در زمینۀ سنجش از دور این محدودیت تا حدودی پوشش داده و با استفاده از روش‌های مختلف مدل رقومی ارتفاعی با دقت مکانی زیاد و بدون محدودیت زمانی و مکانی تهیه می‌شود. اغلب از چهار تکنیک رایج: عملیات زمینی (نقشه‌برداری میدانی)، فتوگرامتری، تداخل‌سنجی راداری و تکنیک لایدار برای تهیۀ مدل رقومی ارتفاعی استفاده می‌شود (Bossler et al., 2010, p. 25; Jansen., 2015, p. 10). از بین این روش‌ها تصاویر ماهواره‌ای اپتیک و راداری رایج‌ترین منبع برای تولید مدل رقومی ارتفاعی به ‌شمار می‌آیند (Jacobsen et al., 2013, p. 483; Ghannadi et al., 2022, p. 1). مزیت اصلی تصاویر راداری در مقایسه با تصاویر اپتیک، این است که این نوع تصاویر در شرایط مختلف آب و هوایی و حتی در شب در دسترس هستند. در برخی موارد، مدل‌های رقومی ارتفاعی تولیدشده از تصاویر استریوی نوری و راداری برای بهبود کیفیت این مدل‌ها تلفیق می‌شوند (Bhardwaj et al., 2019, p. 1 Ghannadi et al., 2022, p. 1). تداخل‌سنجی راداری و رادارگرامتری دو تکنیک مهم برای تهیۀ مدل‌های رقومی ارتفاعی با استفاده از تصاویر راداری است. در فرایند رادارگرامتری از تصاویر دامنۀ^[2] راداری با زوج تصاویر استریوسکوپی حاصل از یک جهت و درعین‌حال، زاویۀ انتشار متفاوت استفاده و در تداخل‌سنجی راداری اختلاف سیگنال‌های فاز^[3] به کار گرفته می‌شود (Crosetto., 2000, p. 367). اغلب دو نوع الگوریتم برای جریان تکی و جریان چندگانه برای محاسبه جهت آبراهه رایج است. در کنار این الگوریتم‌ها یک الگوریتم دیگر مدل رقومی ارتفاعی با عملگر ریخت‌شناسی ریاضی تحلیل می‌شود؛ از این رو، مدل‌های رقومی ارتفاعی به‌منظور استخراج آبراهه‌ها با قدرت تفکیک مکانی زیاد مناسب هستند (Yan et al., 2018, p. 1322 Amatulli., 2018, p. 1) تاکنون پژوهش‌های بسیار کمی در ایران دربارۀ استخراج شبکۀ آبراهه با استفاده از مدل‌های رقومی ارتفاعی با توان تفکیک مکانی زیاد انجام شده است. در این بخش به پیشینۀ داخلی و خارجی تهیۀ مدل رقومی ارتفاعی با دقت مکانی زیاد و استخراج شبکۀ آبراهه از مدل‌های رقومی دقت زیاد توجه می‌شود.

پیشینۀ پژوهش

حسین‌زاده و جهادی طرقی (1389) مدل‌های رقومی ارتفاعی تهیه‌شده از سنجندۀ استر، نقشه‌های توپوگرافی و عکس‌های هوایی را به‌منظور استخراج حوضۀ آبریز ارزیابی کردند. آنها بیان داشتند که الگوریتم‌های هیدرولوژی استخراج آبراهه از مدل‌های رقومی ارتفاعی در مناطق کم شیب برای تجزیه‌وتحلیل‌های طول رود ناتوان و در مناطق پرشیب با خطاهایی همراه بوده است.

برای نخستین بار قنادی و همکاران (1397) با استفاده از تصاویر سنتینل -1 و تکنیک تداخل سنجی راداری مدل رقومی ارتفاعی شهر و حومۀ تهران را تهیه کردند. نتایج حاکی از آن بود که دقت ارتفاعی (انحراف معیار) مدل رقومی ارتفاعی به‌ترتیب در مناطق هموار و کوهستانی معادل 26/1 و 32/10 متر است. این پژوهشگران پیشنهاد کردند که از تصاویر سنتینل -1 برای تهیۀ مدل‌های رقومی ارتفاعی مناطق هموار و غیر کوهستانی استفاده شود.

مکرم و همکاران (1397)برای ارزیابی، مدل‌سازی و استخراج آبراهه در جنوب شهرستان از الگوریتم جاذبه برای بهبود و افزایش دقت مکانی مدل رقومی ارتفاعی 90 متر استفاده کردند. پژوهشگران اظهار داشتند که استفاده از مدل جاذبه علاوه ‌بر بهبود دقت مکانی مدل رقومی ارتفاعی باعث افزایش دقت در استخراج آبراهه شده است.

چو و همکاران در پژوهشی از داده‌های هوابرد با قدرت تفکیک مکانی 1 متر برای تهیۀ مدل رقومی ارتفاعی و استخراج آبراهه بهره گرفتند. نتایج این پژوهش نشان‌دهندۀ آن بود که شناسایی کانال آبراهه با استفاده از مورفولوژی در مقیاس دقیق‌تر و با تأثیر بروی اطلاعات ارتفاعی عملکرد خوبی دارد (Cho et al., 2006).

لیو و ژانگ برای استخراج شبکۀ زه‌کشی در منطقۀ مطالعاتی‌شان از مدل رقومی ارتفاعی با دقت 5 متر استفاده کردند. استفاده از این مدل رقومی ارتفاعی پژوهشگران را قادر کرد تا پارامترهایی همانند تعداد و طول آبراهه‌ها را با دقت زیاد استخراج کنند (Liu & Zhang, 2010).

شاوکی و همکاران از مدل‌های رقومی ارتفاعی جهانی (اس آر تی ام^[4] و آلوس^[5]) برای ارزیابی هندسۀ پیکسل پایۀ شبکۀ آبراهه بهره گرفتند و نتایج حاصله را با مدل رقومی زمین^[6] لایدار^[7] با دقت مکانی 5/12 متر ارزیابی کردند. نتیجۀ ارزیابی نشان از این دارد که مدل رقومی ارتفاعی آلوس با کمترین خطای ریشه میانگین مربعات (57/4) نسبت‌به سایر مدل‌های رقومی جهان برتری دارد (Shawky et al., 2019).

قنادی و همکاران به‌منظور حذف خطای تداخل‌سنجی نقاط دورافتاده در تهیۀ مدل رقومی ارتفاعی با سنتینل -1 از فیلتر 2 بعدی کالمن استفاده کردند. پژوهشگران به این نتیجه دست یافتند که روش پیشنهادی به‌عنوان روشی مؤثر برای به‌روزرسانی نیمه خودکار DEM های تولیدشده از تصاویر سنتینل -1 استفاده می‌شود (Ghannadi et al., 2022).

حوضۀ آبخیز تفتان به‌عنوان منطقۀ مطالعاتی در این پژوهش انتخاب شده است؛ زیرا این حوضه، منطقه‌ای با پستی و بلندی به‌نسبت زیاد و دارای سرشاخه‌های اصلی (رتبۀ 1 و 2) است. پس حائز اهمیت است که این سرشاخه‌ها برای مدیریت منابع طبیعی در زمینۀ آبخیزداری استخراج شوند. یکی دیگر از دلایل اصلی انتخاب این حوضه در دسترس بودن داده‌های ماهواره‌ای با معیارهای مناسب بود.

همان‌طور که از پژوهش‌های پیشین مشاهده شد، تاکنون در پژوهش‌های داخلی و خارجی از مدل رقومی ارتفاعی سنتینل -1^[8] به‌منظور استخراج شبکۀ آبراهه استفاده نشده و درحقیقت این پژوهش جزو اولین پژوهش در زمینۀ یادشده است. هدف از این پژوهش، تهیۀ مدل رقومی ارتفاعی از سنتینل -1 با روش تداخل‌سنجی راداری، تطابق و ارزیابی آن با مدل رقومی ارتفاعی آلوس پالسار -1 با دقت مکانی 5/12 متر و درنهایت، استخراج شبکۀ آبراهه از مدل‌های رقومی ارتفاعی سنتینل -1، آلوس، اس آر تی ام و تان دم ایکس^[9] است که با یکدیگر مقایسه و ارزیابی خواهند شد.

مواد و روش

در این بخش توضیحات مختصری از منطقۀ مطالعاتی و داده‌های مورداستفاده اراِئه شده است. در ادامه، روی داده‌های مورداستفادۀ پیش‌پردازش، پردازش صورت گرفته و در گام آخر داده‌ها تجزیه‌وتحلیل می‌شود.

منطقۀ موردمطالعه

منطقۀ مطالعاتی این پژوهش (اطراف کوه تفتان) در حدود 30 کیلومتری شهرستان خاش در منطقۀ تفتان است. منطقۀ موردمطالعه بین مختصصات 60 درجه و 59 دقیقه، 61 درجه و 30 دقیقه طول شرقی، عرض شمالی 28 درجه و 18 دقیقه و 28 درجه و 49 دقیقه قرار دارد (شکل 1). بیشترین ارتفاع این منطقه مربوط به قلۀ آتشفشانی تفتان با ارتفاع 3941 متر است. شرایط نامناسب اکولوژیکی منطقه ازنظر بارش، استقرار و رویش پوشش ‌گیاهی را با محدودیت و مشکل مواجه کرده است. تیپ غالب پوشش ‌گیاهی حوضه را گیاه درمنه تشکیل داده است. متوسط بارندگی و همچنین دمای سالیانۀ این منطقه به‌ترتیب 9/174 میلی‌متر (بیشترین بارندگی در فصل زمستان) و 7/15 درجۀ سانتی‌گراد (مردادماه گرم‌ترین ماه سال با 2/36 درجۀ سانتی‌گراد و بهمن‌ماه سردترین ماه سال با 11/1- درجۀ سانتی‌گراد) است. درحقیقت محدودۀ مطالعاتی جزو مناطق خشک در جنوب شرقی کشور محسوب می‌شود که بارندگی‌های شدید و سیل‌آسا در فصول زمستان و بهار دارد (جهانتیغ، 1395، ص. 81).

شکل (1) موقعیت جغرافیایی منطقۀ مطالعاتی

Figure (1) Geographical location of the study area

داده‌های مورداستفاده

در این پژوهش از دو تصویر سنتینل -1 (با اختلاف زمانی حدود 12 روز) برای تهیۀ مدل رقومی ارتفاعی و درنهایت، استخراج آبراهه استفاده شد؛ همچنین از پروداکت‌های آمادۀ مدل رقومی ارتفاعی آلوس پالسار، اس آر تی ام و تان دم ایکس به‌منظور استخراج آبراهه در منطقۀ موردمطالعه بهره گرفته شد. مشخصات داده‌های مورداستفاده در جدول (1) آورده شده است.

سنتینل -1

ماهواره‌ی سنتینل -1 در 3 آوریل سال 2014 با همکاری اتحادیه و سازمان فضایی اروپا مأموریت خود را آغاز کرد. این ماهواره ماهیتی راداری دارد و در باند C در مدار قطبی از کرۀ زمین تصویربرداری می‌کند. ماهوارۀ راداری سنتینل توانایی اخذ تصویر را به‌صورت پلاریزه‌های دوگانه HH^[10]، HV^[11] و VV^[12]، VH^[13] دارد. این ماهواره همانند ماهوارۀ چند طیفی سنتینل -2 دارای دو نوع A و B است که با وجود دوقلوبودن این ماهواره قدرت تفکیک زمانی آن به 5 روز در مناطق استوایی کاهش یافته است. سنجنده راداری سنتینل -1 دارای چهار حالت: SM^[14]، IW^[15]، EW^[16] و ^[17]WM است که از بین این حالات، IW اصلی‌ترین حالت برای اهداف تداخل‌سنجی راداری است. به‌طوری‌که این حالت دارای توان تفکیک مکانی 20 5 در امتداد آزیموت و رنج و همچنین عرض برداشتی حدود 250 کیلومتر داراست (قنادی و همکاران، 1397، ص. 109). به‌طور کلی از اهداف این ماهواره نظارت بر یخچال‌های طبیعی، پایش و شناسایی لکۀ نفتی، سرعت امواج، پایش خطرات جابه‌جایی سطوح زمین، تهیۀ نقشۀ مناطق جنگلی، آبی، خاکی و کشاورزی و همچنین تهیۀ مدل رقومی ارتفاعی نام برده می‌شود.

آلوس -1

ماهوارۀ ALOS-1 در 24 ژانویۀ 2006 از طرف ژاپن پرتاب شد. این ماهواره دارای سه سنجندۀ PRISM^[18] برای اندازه‌گیری‌های ارتفاعی، AVNIR-2^[19] به‌منظور تهیۀ نقشۀ پوشش اراضی در باندهای مرئی و سنجندۀ راداری پالسار در باند L است. از آنجا که تصاویر این ماهواره به‌صورت پروداکت عرضه می‌شود، مرکز بایگانی داده‌های فعال توزیع‌شدۀ ماهواره‌ای آلاسکا هم‌اکنون مجموعه‌ای از محصولات دادۀ تصحیح‌شده را ازلحاظ هندسی و رادیومتری^[20] ارائه می‌دهد که از آلوس پالسار مشتق و با استفاده از بستۀ نرم‌افزاری سنجش از دور گاما پردازش شده است (Logan et al., 2014, p. 3762 ). این نوع محصولات در دو دقت مکانی متفاوت توزیع می‌شوند. محصول RT1 با اندازۀ پیکسل 5/12 متر در فرمت مدل رقومی ارتفاعی با وضوح زیاد و متوسط تولید و محصول RT2 برای تمام مدل‌های رقومی موجود در سطح 30 متر تولید می‌شود (Logan et al., 2014, p. 3762) در این پژوهش از محصولات RT1 استفاده شد.

اس آر تی ام

مأموریت توپوگرافی شاتل رادار^[21] از 11 تا 22 فوریۀ 2000 با شاتل فضایی Endeavor انجام شد. شرکای اصلی این پروژه، ناسا و آژانس اطلاعات ملی فضایی هستند که هدف اصلی‌شان به دست آوردن داده‌های راداری رقومی ارتفاعی جهان بود. رادارهای مورداستفادۀ اس آر تی ام به‌منظور جمع‌آوری تداخل‌سنجی راداری تصحیح‌شده از دو تصویر راداری در باند X با زاویۀ سیگنال متفاوت استفاده می‌کند. در طول مدت مأموریت 16 روزه‌ای که این شاتل داشت، بیش از 80 درصد داده‌های راداری را در عرض 60 درجۀ شمالی تا 56 درجۀ جنوبی از سطح زمین در هر 1 ثانیه (1arcsec) با دقت 30 متر جمع‌آوری کرد (Usgs.gov).

تان دم ایکس

تان دم ایکس^[22] (برای اندازه‌گیری رقومی ارتفاعی) یک مأموریت راداری پایش زمین است که متشکل از یک تداخل‌سنج راداری است که با دو ماهوارۀ یکسان ساخته شده است. با یک جدایش معمول بین ماهواره‌های 120m تا 500m یک مدل رقومی ارتفاعی جهانی تولید شده است. تولید مدل رقومی ارتفاعی جهانی در سپتامبر 2016 به پایان رسید. مدل رقومی ارتفاعی تان دم ایکس با قدرت تفکیک مکانی 90 متر محصولی است که از مدل رقومی ارتفاعی جهانی با 4/0 ثانیه کمانه^[23] تهیه شده و دارای فاصلۀ پیکسل کاهش‌یافتۀ 3 ثانیه کمانه^[24] است که به‌طور تقریبی مربوط به دقت 90 متر در استواست. از کاربردهای این نوع محصول به مطالعۀ زمین‌شناسی، اقیانوس‌شناسی، هیدرولوژی، کاربری اراضی، پایش پوشش گیاهی و برنامه‌ریزی شهری و همچنین مدیریت بحران اشاره می‌شود (Geoservice.dlr.de).

جدول (1) مشخصات داده‌های مورداستفاده

Table (1) Specifications of the data use

روش پژوهش

در راستای اهداف این پژوهش به‌منظور پیش‌پردازش، تداخل‌سنجی راداری و تولید مدل رقومی ارتفاعی با استفاده از داده‌های ماهواره‌ی سنتینل -1 از ابزار Radar نرم‌افزار مبتنی بر پردازش تصاویر ماهواره‌ای ^[26]SNAP نسخۀ 8/0 استفاده و در آخر با استفاده از نرم‌افزار تجزیه‌وتحلیل داده‌های جغرافیایی و مکانی ArcGIS نسخۀ 5/10 آبراهه‌ها از مدل‌های رقومی ارتفاعی استخراج شد. شکل (2) نشان‌دهندۀ فلوچارت روند پژوهشی است.

شکل (2) روند پژوهشی

Figure (2) Research process flowchart

ثبت هندسی و پیش‌پردازش

برای استخراج اختلاف فاز باید دو تصویر قدیم و جدید که در این پژوهش دارای خط مبنای 161 هستند، در یک مجموع داده قرار گیرند؛ در حالی ‌که محصولات معمولی رادار در یک مرحله ثبت می‌شود، محصولات سنتینل -1 توپوسار^[27] به دلیل شکل خاص جمع‌آوری‌شان، به یکسری مراحل نیاز دارند (Braun., 2020, p. 1). بدین منظور تصاویر سنتینل -1 ثبت هندسی شدند. در این مرحله با توجه به اینکه سنتینل -1 پهنای وسیعی از زمین را در هر فریم (250 کیلومتری) پوشش می‌دهد، ابتدا منطقۀ مورد مطالعاتی در بخش توپوسار-1 انتخاب شد. در این پژوهش به دلیل اینکه منطقۀ مطالعاتی در IW3 قرار داشت، بخشی از حالت IW3 برش داده و قطبش عمودی-عمودی^[28] انتخاب شد. سپس اطلاعات مداری دو تصویر استخراج و درنهایت، دو تصویر با استفاده از مدل رقومی ارتفاعی اس آز تی ام 3 ثانیه کمان^[29] ژئوکد شدند. مشاهدۀ زمین با اسکنر‌های پیشروندۀ حالت تداخل سنجی رادار با دیافراگم مصنوعی به دقت زیادی در ترازهای نواری^[30] نیاز دارد. تراز نواری هندسی با تکیه بر مدارهای دقیق و توپوگرافی رقومی برای تداخل سنجی حالت یادشده همیشه کافی نیست. بدین منظور از روش تنوع طیفی پیشرفته (ESD^[31]) استفاده می‌شود که برای تخمین یک تغییر آزیموت ثابت بین تصاویر رادار ارائه شده است. درحقیقت این روش ناپیوستگی فاز را در پشت نوار به کمترین می‌رساند (Wang et al., 2017, p. 2423).

تدخل‌سنجی راداری^[32]

پس از انجام ثبت اطلاعات و پیش‌پردازش تصاویر، روی تصاویر ژئوکدشده عملیات تداخل‌سنجی راداری صورت پذیرفت تا تصویر فاز اینترفروگرام و همدوستی حاصل شود (شکل 3). تداخل‌سنجی راداری یک روش ژئودتیک جدید برای تعیین توپوگرافی زمین است. اندازه‌گیری‌های تداخل‌سنجی راداری بسیار متراکم است و فقط اطلاعات مربوط به LSR^[33] را می‌دهد (Geymen , 2014, p. 827). این تکنیک با اختلاف فاز بین تصاویر راداری اخذشده از یک منظر محاسبه می‌شود و فاز تصاویر دریافتی از موقعیت‌های تصویربرداری یا زمان‌های تصویربرداری مختلف، پیکسل به پیکسل باهم مقایسه می‌شوند. از تفاضل‌گیری بین این مقادیر، تصویر جدیدی با عنوان اینترفروگرام تهیه می‌شود (قنادی و همکاران، 1397، ص. 109). اطلاعات موجود در یک اینترفروگرام برای استخراج اطلاعات توپوگرافی و تولید تصاویر سه بعدی از ارتفاع زمین استفاده می‌شود (مرکز سنجش از دور کانادا، 1398، ص. 270). با استفاده از رابطۀ 1 و 2 تصویر اینترفروگرام و فاز محاسبه می‌شود (Mangla & Kumar, 2014, p. 817).

در این رابطه منظور از ، فاز سیگنال، ، مقدار پیکسل اینترفروگرام است که خود از رابطۀ زیر محاسبه می‌شود:

در رابطۀ فوق ، مقدار پیکسل اینترفروگرام، منظور از  و  به‌ترتیب تصویر قدیم (Master) و جدید (Slave) است.

یکی از مهم‌ترین پارامتر‌هایی که در مباحث تداخل‌سنجی راداری مهم است، مفهوم کوهرنسی یا همدوسی است. تصویر همدوسی، همبستگی بین دو تصویر راداری را با دریچۀ مصنوعی مختلط براساس شماری از پنجره‌های مستطیلی کوچک اندازه می‌گیرد. به‌طور کلی تصویر همدوسی نشانه‌ای از نرخ تغییر بین دو تاریخ تصویربرداری را ارائه می‌دهد (Mather & Koch., 2011, p. 1). اهمیت نقشۀ کوهرنسی به تخمین کیفیت جفت اینترفروگرام تولید شده است. درواقع، همدوسی کم (منفی) به این معناست که داده‌ها دارای نویز هستند و برای تولید مدل رقومی ارتفاعی مناسب نیستند. مقدار همدوسی از رابطۀ 3 حاصل می‌شود (Ferretti & Guarnieri., 2007, p. 1).

در این رابطه منظور از ، مقدار همدوسی است.  در اینجا تعداد پیکسل‌ها نیست.  و  به‌ترتیب تصویر قدیم و جدید و  زوج SLC تصویر جدید (Slave) است.

حذف موزاییک بین نواری و پیاده‌سازی فیلتر

به دلیل اینکه داده‌های TOPS^[34] به‌صورت نوار^[35] تهیه می‌شوند، در تصویر باعث ایجاد یکسری خطوط تیره می‌‌گردد که این نوارها با استفاده از موزاییک‌های بین نواری ^[36] یکپارچه می‌شوند (شکل 3). با توجه به اثرات بخار آب در جو و ضریب همبستگی مکانی و زمانی، فاز تداخل‌سنجی تولیدشده همیشه دارای نویز است (Zebker & Villasenor, 1992, p. 950). اگر نویز به‌درستی حذف یا کاهش نیابد، نه‌تنها بر کیفیت اندازه‌گیری ارتفاع یا تغییر شکل حاصل از تداخل‌سنجی تأثیر می‌گذارد، سبب باقی‌ماندن پیکسل‌های کاذب در تصویر فاز می‌شود و در روند بازیابی فاز تداخل ایجاد می‌کند (Goldstein et al., 1988, p. 713). میان روش‌های متعدد برای کاهش نویز در تصویر فاز الگوریتم گلدشتین متداول‌ترین روش برای کاهش نویز در برخی نرم‌افزارهای معروف پردازش داده‌های SAR^[37] است. این فیلتر در دامنۀ فرکانس پیاده‌سازی شده است و طیف را هموار می‌کند (Sun et al., 2013, p. 1896).

بازیابی اثر فاز

یک پیچیدگی ایجادشده در اینترفروگرام خام به علت این است که اختلاف فازهای نشان داده‌شده برحسب تعداد کل چرخۀ طول موج کامل نیستند، بلکه فقط برحسب محدوده‌ای از رنج زاویه‌ای π2 رادیان هستند که اندازه‌گیری می‌شوند. هر چرخۀ کامل از 0-π2 رادیان نشان‌دهندۀ یک فریم اینترفرومتری است. اختلاف فازهای مطلق باید با افزودن مضرب مناسبی از π2 قبل استخراج ارتفاع بازیابی^[38] شود. این مرحله به‌عنوان بازیابی فاز^[39] یاد می‌شود. به‌طور کلی اجرای این مرحله پیچیده است (Mather & Koch., 2011, p. 1). برای انجام این فرایند از الگوریتمی در نرم‌افزار ^[40]Snap استفاده شد. الگوریتم Snaphu Unwraping از رابطۀ 4 حاصل می‌شود (Reigber & Moreira., 1997, p. 869).

در این رابطه:  فاز  wrapped،  فاز بازیابی و  عدد ثابت

شکل (3) الف) تصویر فاز دارای نوار؛ ب) تصویر کوهرنسی دارای نوار؛ ج) تصویر فاز تصحیح نوارشده؛ (ج) و د) تصویر کوهرنسی نواری‌شده

Figure (3) a) Burst phase image; b) Burst coherence image; c) Burst correction phase image; (c) and d) Bursted coherence image

تبدیل فاز به ارتفاع و تصحیح هندسی

برای اینکه مقادیر فاز بازیابی‌شده به مقادیر ارتفاعی تبدیل شود، به یک مدل رقومی مبنا نیاز است تا با آن عمل ژئوکد انجام و سپس درون‌یابی انجام شود (Ali et al., 2019, p. 012019). بدین منظور در این پژوهش از مدل رقومی ارتفاعی اس آر تی ام با دقت 30 متر (1ثانیه) برای درون‌یابی ابرنقاط و تعمیم آن استفاده شد. به‌منظور تخمین ارتفاع پراکنش فازی مدل رقومی ارتفاعی تولیدشده از تکنیک تداخل‌سنجی SAR از رابطۀ 5 استفاده می‌شود.

در گام آخر به دلیل اینکه هندسۀ تصویربرداری سیستم‌های راداری به‌صورت رنج مایل است، برای زمین مرجع‌سازی مدل رقومی ارتفاعی تهیه‌شده به رنج زمینی تبدیل شد تا به‌صورت زمین مرجع شده باشد.

استخراج شبکۀ آبراهه از مدل رقومی ارتفاعی

پس از آماده‌سازی و تهیۀ مدل‌های رقومی ارتفاعی نوبت به استخراج آبراهه‌های منطقۀ موردمطالعه رسید. در این پژوهش به‌منظور استخراج آبراهه از مدل رقومی ارتفاعی در منطقۀ مورد مطالعاتی از ابزار هیدرولوژی^[41] در نرم‌افزار ArcGIS 10.5 استفاده شد. از این ابزار برای مدل‌سازی جریان آب در سطح استفاده می‌شود. این ابزار براساس الگوریتم پرکاربرد D8 ساخته و توسعه داده شده است (O'Callaghan et al., 1984, p. 323). این روش جهت جریان یک سلول را به یکی از هشت سلول در برگیرندۀ آن هدایت می‌کند که دارای بیشترین اختلاف شیب است و اجازۀ تقسیم جریان را به چند سلول نمی‌دهد (حسین‌زاده و جهادی طرقی، 1389، ص. 200). به‌طور کلی مراحل اصلی برای محاسبه و استخراج آبراهه پرکردن فرورفتگی^[42]، شناسایی جهت جریان^[43]، محاسبۀ تجمع جریان^[44] و شناسایی و استخراج آبراهه^[45] است (Liu & Zhang., 2010, p. 1). در این راستا، ابتدا عملیات پر شدگی^[46] روی مدل‌های رقومی به‌منظور پرکردن فرورفتگی‌ها انجام شد. بهره‌گیری از این پردازش به‌منظور از بین بردن بلندی‌ها همانند قله‌ها استفاده و سپس جهت جریان آبراهه تعیین و لایۀ تجمع جریان آب از این لایه محاسبه شد. این ابزار تجمع جریان را به‌صورت وزن تجمعی تمام سلول‌های جریان‌یافته به هر سلول با شیب پایین در رستر خروجی محاسبه می‌کند. در ادامه، تصویر تجمع جریان انتخاب و استخراج شد که بزرگ‌تر و مساوی مقدار 100 پیکسل بود. این مقدار پیکسل تعیین‌شده به‌صورت سعی و خطا تعیین شد. در گام بعدی کانال آبراهه و جریانات شبکۀ زهکشی از ابزار به هم پیوست داده شد. ترکیب یک شبکۀ زهکشی یا کانال آبراهه ازنظر برخی ویژگی‌ها مانند رتبۀ آبراهه، طول جریان و تراکم زهکشی به‌صورت کمی توصیف می‌شود (Horton, 1945, p. 275). به این منظور برای طبقه‌بندی بخش‌های آبراهه براساس تعداد انشعابات بالادست، از یک سیستم سفارش جریان پایین به بالا استفاده شد که توسط هورتون توسعه‌یافته و استراهلر (Strahler, 1957, p. 913) اصلاح شده است. درنهایت، بردارسازی شبکۀ آبراهه انجام، در گام نهایی طول آبراهه‌های حاصل از مدل‌های رقومی ارتفاعی محاسبه و با استفاده از روش ارائه‌شده از سوی هورتن (Horton, 1945, p. 275) نسبت‌ طول آبراهه محاسبه شد. نسبت طول آبراهه از رابطۀ 6 محاسبه می‌شود.

در این رابطه،  نسبت طول آبراهه،  طول آبراهه رتبۀ پایین‌تر و  مجموع طول آبراهه است.

ارزیابی صحت

در پژوهشی محمدی و همکاران، به‌منظور اعتبارسنجی و میزان همبستگی مدل رقومی ارتفاعی (تهیه‌شده با استفاده از تداخل‌سنجی راداری در تصاویر سنتینل -1) از مدل رقومی ارتفاعی آلوس پالسار -1 با دقت 5/12 متر استفاده کردند (Mohammadi et al., 2020). در این پژوهش نیز مبنای اعتبارسنجی مدل رقومی ارتفاعی تولیدشده از سنتینل -1، مدل رقومی ارتفاعی آلوس پالسار -1 است. در این راستا، ابتدا به‌صورت تصادفی روی هر مدل‌ رقومی ارتفاعی تعداد 300 نقطه تعیین و برداشت شد. سپس از پارامتر‌های آماری انحراف معیار و ضریب تعیین به‌منظور برآورد همبستگی و اعتبارسنجی بین دو داده بهره گرفته شد. مقادیر ضریب همبستگی بین 1+ و 1- است. در جایی ‌که 1 نشان‌دهندۀ همبستگی خطی مثبت، 0 نبودِ همبستگی خطی و 1- همبستگی خطی منفی است. تخمین انحراف معیار نشان‌دهندۀ صحت پیش‌بینی‌های صورت‌گرفته است. در این پارامتر هرچه عدد کمتر باشد، دقت پیش‌بینی بیشتر است (Mohammadi et al., 2018, p. 1) به‌طور کلی پارامتر آماری انحراف معیار (Std) و ضریب تعیین (R2) از رابطه‌های 7 و 8 محاسبه می‌‌شود.

در این رابطه مقادیر P_i، مقادیر ارتفاعی برآوردشده با استفاده از سنجنده‌های مختلف (Sentinel-1، SRTM و TanDemX) و مقادیر O_i، مقادیر ارتفاعی آلوس پالسار -1 (در اینجا مرجع) است.

در این رابطه،  انحراف معیار،  متغیر تخمین،  متغیر واقعی (در این پژوهش مدل رقومی ارتفاعی آلوس پالسار) و N تعداد نقاط برداشت‌شده از تصویر مرجع.

یافته‌های پژوهش

پس از تهیه، آماده‌سازی مدل‌های رقومی ارتفاعی و استخراج آبراهه، نتایج نهایی حاصل شد. شکل (4) نتایج حاصل از استخراج مدل‌های رقومی ارتفاعی با استفاده از داده‌های سنتینل -1 و پروداکت‌های آمادۀ مدل رقومی ارتفاعی نشان داده شده است. طبق این اشکال تمامی مدل‌های رقومی ارتفاعی از کمینه و بیشینۀ به‌نسبت مشابه و نزدیکی با یکدیگر بهره‌مند بودند، به‌جز مدل رقومی ارتفاعی تهیه‌شده با استفاده از داده‌های سنتینل -1 که با کمی اغراق برآورد شد. به این ترتیب، کمینۀ ارتفاعی برآوردشده از سوی سنتینل -1 (718)، آلوس (737)، اس آر تی ام (759) و تان دم ایکس (735) تخمین زده و بیشینۀ ارتفاعی در منطقۀ مطالعاتی به‌ترتیب در ماهواره‌های سنتینل -1 (3994)، آلوس (3906)، اس آر تی ام (3919) و تان دم ایکس (3899) برآورد شد. نتایج پارامتر‌های آماری برای ارزیابی مدل رقومی ارتفاعی سنتینل -1 با مدل رقومی ارتفاعی مبنا (آلوس) شامل انحراف معیار و ضریب تعیین (همبستگی) در جدول (2) آورده شده است. طبق این یافته مدل رقومی ارتفاعی سنتینل -1 هبستگی مناسبی (دارای انحراف معیار به‌مراتب زیادی) نسبت‌به دادۀ مبنا دارد.

شکل (4) مدل‌های رقومی ارتفاعی مورداستفاده در استخراج آبراهه

Figure (4) Digital Elevation Models extraction used in waterway

جدول 2

شکل (5) نشان‌دهندۀ پلات همبستگی خطی بین مدل‌های رقومی ارتفاعی استفاده‌شده است؛ همان‌طور که از پلات پیداست، در این پژوهش مدل رقومی ارتفاعی سنتینل -1 ( حاصل از تداخل‌سنجی راداری) با تمامی پروداکت‌های مدل رقومی ارتفاعی استفاده‌شده به‌ویژه آلوس دارای رابطۀ خطی مناسب و نزدیکی است و تنها چند نقطه خارج از همبستگی خطی قرار دارد.

شکل (5) پلات رگرسیون خطی بین مدل‌های رقومی ارتفاعی

Figure (5) Linear regression plot between Digital Elevation Models

اشکال 6، 7، 8 و 9 نشان‌دهندۀ شبکۀ آبراهۀ استخراجی از مدل‌های رقومی ارتفاعی است؛ همان‌طور که از اشکال نمایان است، مدل‌های رقومی ارتفاعی با قدرت تفکیک مکانی بالا سنتینل -1 و آلوس هرکدام تعداد 9 شبکۀ آبراهه را استخراج کردند. مدل‌های رقومی ارتفاعی با قدرت تفکیک مکانی متوسط اس آر تی ام و تن دم ایکس فقط توانستند هرکدام 7 و 6 شبکۀ آبراهه را استخراج کنند. درحقیقت این ماهواره‌ها برخلاف ماهواره‌های سنتینل -1و آلوس قادر به استخراج آبراهه‌های رتبۀ 8 و 9 نبودند.

شکل (6) شبکۀ آبراهه استخراجی از مدل رقومی ارتفاعی سنتینل -1

Figure (6) Waterway network extracted from Sentinel-1 digital elevation model

شکل (7) شبکۀ آبراهۀ استخراجی از مدل رقومی ارتفاعی آلوس پالسار

Figure (7) Waterway network extracted from ALOS-1 digital elevation model

شکل (8) شبکۀ آبراهۀ استخراجی از مدل رقومی ارتفاعی اس آر تی ام

Figure (8) Waterway network extracted from SRTM digital elevation model

شکل (9) شبکۀ آبراهۀ استخراجی از مدل رقومی ارتفاعی تان دم ایکس

Figure (9) Waterway network extracted from TanDemX digital elevation model

در جدول (3)، تعداد آبراهه و طول شبکۀ آبراهۀ استخراجی با مدل‌های رقومی آورده شده است. طبق این یافته به‌ترتیب مجموع طول آبراهۀ استخراجی با مدل‌های رقومی ارتفاعی آلوس، سنتینل -1، اس آر تی ام و تان دم ایکس برابر 9/11752، 7/13558، 2/5879 و 0/2152 کیلومتر محاسبه شد که بیشترین طول آبراهه را سنتینل -1 و کمترین طول آبراهه را تان دم ایکس تخمین و ارزیابی کرد.

جدول (3) طول آبراهه‌های استخراجی رتبه‌ها به تفکیک هر ماهواره (کیلومتر)

Table (3) The length of the extractive waterways of the ratings by each satellite (km)

نسبت طول رتبه آبراهه‌های استخراجی در مدل‌های رقومی ارتفاعی در جدول (4) آورده شده است. درحقیقت نسبت طول آبراهه نشان‌دهندۀ نسبت بین تعداد آبراهه‌های یک رتبه به رتبۀ پایین‌تر است. با توجه به جدول (4) مشخص می‌شود که کمترین و بیشترین نسبت طول آبراهه به‌ترتیب برای مدل رقومی ارتفاعی 5/12متری آلوس برابر با 07/0 و 59/0، برای مدل رقومی ارتفاعی 9/13 متری سنتینل -1 برابر با 21/0 و 68/0، برای مدل رقومی ارتفاعی 30 متری اس آر تی ام برابر با 30/0 و 53/0 و برای تان دم ایکس با دقت مکانی 90 متر برابر با 18/0 و 1/1 است.

جدول (4) نسبت طول آبراهۀ رتبه‌ها به تفکیک هر ماهواره

Table (4) The ratio of the waterway length of the ratings by each satellite

نتیجه‌گیری

استخراج دقیق شبکۀ آبراهه یکی از مهم‌ترین کاربردهای زمین‌شناسی و مورفومتری است. شناسایی و استخراج دقیق شبکۀ آبراهه نیاز به مدل رقومی ارتفاعی با دقت زیاد دارد. در این پژوهش تلاش شد، ابتدا با استفاده از تکنیک تداخل‌سنجی راداری مدل رقومی ارتفاعی سنتینل -1 تهیه و سپس شبکۀ آبراهه با استفاده از مدل‌های رقومی ارتفاعی با قدرت تفکیک مکانی مختلف (سنتینل -1، آلوس، اس آر تی ام و تان دم ایکس) استخراج و نسبت‌به یکدیگر مقایسه و ارزیابی شود؛ همان‌طور که در شکل (5) و نتایج پارامتر ارزیابی در جدول (2) نشان داده شده است، با وجود اختلاف ارتفاعی حدود 31 متری بین دو دادۀ سنتینل -1 و آلوس، همبستگی زیاد (99/0) و مثبتی برقرار است. به‌ عبارتی دیگر، این اختلاف ارتفاعی 31 متری بین این دو داده ناشی از 9 الی 10 نقطه از مجموع 300 نقطه برداشت شده است و به‌طور کلی این مقدار انحراف معیار به کل فرایند کاری تعمیم داده نمی‌شود؛ با این حال، میزان زیاد همبستگی (R²) سنتینل -1 نسبت به دادۀ مرجع دلیل و مزیتی برای استخراج شبکۀ آبراهه است. در این پژوهش علاوه‌ بر استخراج شبکۀ آبراهه با مدل‌های رقومی ارتفاعی با قدرت تفکیک مکانی زیاد از مدل‌های رقومی ارتفاعی با قدرت تفکیک مکانی متوسط نیز بهره گرفته شد. نظر به شکل (6) و (7) مشاهده می‌شود که تعداد آبراهه‌های استخراجی توسط دو ماهواره با قدرت تفکیک مکانی بالای آلوس و سنتینل -1 برابر است. به‌طوری که در این پژوهش سنتینل -1 با دقت 9/13 متر و آلوس با دقت 5/12 متر توانستند هرکدام تعداد 9 شبکۀ آبراهه را استخراج کنند که درحقیقت این مطابقت و نزدیکی در استخراج شبکۀ آبراهه بین این دو ماهواره بدون در نظر گیری پارامتر انحراف معیار ارتفاعی دلیل همبستگی زیاد و همچنین کمترین اختلاف دقت مکانی حدود 5/1 متری آنها باشد. در سوی دیگر ماهواره‌های اس آر تی ام و تان دم ایکس نتیجۀ به‌نسبت مشابه و نزدیکی باهم داشتند که اس آر تی ام با دقت 30 متر تعداد 7 شبکۀ آبراهه و تان دم ایکس با دقت 90 متر تعداد 6 شبکۀ آبراهه را استخراج کردند. دلیل اختلاف تعداد 1 شبکۀ آبراهه استخراجی بین این دو ماهواره اختلاف زیاد حدود 60 متر دقت مکانی آنهاست. به‌طور کلی نتایج نشان‌دهندۀ آن بود که هرچه قدرت تفکیک مکانی مدل رقومی ارتفاعی مورداستفاده بیشتر باشد، قابلیت استخراج رتبۀ آبراهه هم بیشتر می‌شود که رابطۀ مستقیمی بین دقت مدل رقومی ارتفاعی و تعداد رتبۀ شبکۀ آبراهۀ استخراجی وجود دارد. در این پژوهش یکی از دلایلی که موجب بهبود کیفیت و نبودِ گپ در تصویر مدل رقومی ارتفاعی استخراجی از داده‌های سنتینل -1 شد، به علت کمترین اختلاف زمانی بین دو تصویر (12روز اختلاف) و دارابودن خط مبنای بالا حدود 161 (بین تصویر قدیم و جدید در سنتینل -1) است. با توجه به اینکه این پژوهش برای اولین ‌بار در ایران از مدل رقومی ارتفاعی سنتینل -1 به‌منظور استخراج شبکۀ آبراهه استفاده می‌کند، پیشنهاد می‌شود، برای هرچه بهترشدن کیفیت مدل رقومی ارتفاعی با استفاده از داده‌های این ماهواره و تکنیک تداخل‌سنجی راداری به‌منظور استخراج مشتقات از آن باید چندین پارامتر شامل: مقدار رطوبت موجود در منطقه، فصل موردمطالعه، اختلاف زمانی کم بین دو تصویر به‌منظور ایجاد شرایط پایدار، خط مبنای بین 150 تا 300 و نبودِ پوشش گیاهی و حاکمیت شرایط خشکی در منطقۀ مطالعاتی در نظر گرفته شود تا مشتقات مناسبی از مدل رقومی ارتفاعی سنتینل -1 همانند شیب، جهت شیب، آبراهه، خطواره و ... استخراج شود؛ همچنین به دلیل هزینه زیاد تهیۀ مدل رقومی ارتفاعی زیر 30 متر و نبود پوشش کامل کرۀ زمین ازجمله مناطق ایران توسط ماهواره آلوس پیشنهاد می‌شود، از مدل رقومی ارتفاعی سنتینل -1 با شرط برخورداری از پارامترهای فوق استفاده و از آن نقشه خطواره و آبراهه حاصل شود.

تشکر و قدردانی

نویسندگان از آژانس فضایی اروپا، سازمان زمین‌شناسی آمریکا و مرکز بایگانی داده‌های فعال توزیع‌شدۀ ماهواره‌ای آلاسکا به دلیل در دسترس قراردادن داده‌های ماهواره‌ای و داده‌های ارتفاعی کمال تشکر و قدردانی را دارند.

[1]. Digital Elevation Model

[2]. amplitude

[3]. Phase

[4]. Shuttle-Radar-Topography-Mission (SRTM)

[5]. Advanced Land Observing Satellite (ALOS)

[6]. Digital Surface Model (DSM)

[7]. LiDAR

[8]. Sentinel-1

[9]. TanDEMx

[10]. Horizontal- Horizontal

[11]. Horizontal- Vertical

[12]. Vertical- Vertical

[13]. Vertical- Horizontal

[14]. Stripmap

[15]. Interferometric Wide

[16]. Extra Wide Swath

[17]. Wave

[18]. Panchromatic Remote-sensing Instrument Stereo Mapping

[19]. Advanced Visible and Near Infrared Radiometer type 2

[20]. Radiometric Terrain Correction

[21]. Shuttle-Radar-Topography-Mission (SRTM)

[22]. TerraSAR-X

[23]. 0.4 arcsec

[24]. 3 arcsec

[25]. Single Look Complex

[26]. SNAP Platphorm

[27]. S1 TOPOSAR

[28]. Vertical- Vertical

[29]. 3 arcsec

[30]. Burts

[31]. Enhanced spectral diversity

[32]. Interferometric synthetic aperture radar

[33]. Line of Sight of Radar

[34] .Terrain Observation with Progressive Scans SAR

[35]. Burst

[36]. Deburst

[37]. Synthetic Aperture Radar

[38]. Unwrap

[39]. Unwrap Phase

[40] Snaphu

[41]. Hydrology

[42]. Sink filling

[43]. Flow direction

[44]. Flow accumulation

[45]. Stream

[46]. Fill