تاریخچه سنجش از دور
سال 1858 گاسپارد فلیکس تورناشون (French balloonist Gaspard-Félix Tournachon)، بالن‌شناس فرانسوی، معروف به نادار (Nadar)، اولین عکس فضایی گرفته شده از زمین را توسط بالنی که بر فراز دره بیور (Bievre) عبور می‌کرد، به ثبت رساند. در دهه‌های بعد، بشر تلاش‌های زیادی برای گرفتن عکس‌های هوایی کرده است. مانند استفاده از کبوتر یا نصب دستگاه به بدن خود شخص. در نیمه دوم قرن بیست میلادی ماهواره‌ها به عنوان ابزاری برای داده‌برداری از راه دور از زمین معرفی شدند. از آن زمان تا کنون، داده‌های جمع‌آوری شده از حسگرها و ماهواره‌ها از صنایع نظامی گرفته تا بخش کشاورزی به کار گرفته شده‌اند.
سنجش از دور چیست؟
سنجش از دور، به معنای توانایی به دست آوردن اطلاعات درمورد یک شی یا یک منطقه، بدون تماس مستقیم است؛ این مفهوم در سال‌های اخیر به طرز قابل توجهی توسعه یافته است. تا جایی که امروزه به عنوان یکی از بزرگ‌ترین راه‌های جمع‌آوری اطلاعات اولیه برای کشاورزی هوشمند مبتنی بر داده شناخته می‌شود.
کشاورزی نوین – استفاده از فناوری جدید و پیشرفته برای تولید هوشمندتر و پایدارتر مواد غذایی – به میزان زیادی به در دسترس بود داده‌های خارجی قابل اعتماد بستگی دارد. استفاده از این داده‌ها به گرفتن تصمیمات بهتر در مراحل مختلف کشت کمک می‌کند. افزایش جمعیت و کاهش زمین‌های قابل کشت دو چالش اصلی پیش روی تولید مواد غذایی در آینده‌اند. بینش به‌دست آمده از این منابع است که با ارائه اطلاعات مناسب در زمان مناسب، راهنمای کشاورزان در اتخاذ تصمیمات مربوط به زراعت و برداشت محصول خواهد بود.
اساس تکنولوژی سنجش از دور
اساس کار این فناوری در پهپادها، ماهواره‌ها و سایر پلتفرم‌ها تقریبا یکسان است. انرژی به صورت نور از خورشید به زمین منتقل می‌شود. امواج نور شبیه به امواج دریا حرکت می‌کنند و فاصله بین دو پیک به عنوان طول موج در نظر گرفته می‌شود. انرژی ساطع شده از خورشید به عنوان انرژی الکترومغناطیس شناخته می‌شود که بخشی از طیف الکترومغناطیسی است. طول موج‌هایی که برای کاربردهای کشاورزی مورد استفاده قرار می‌گیرند محدوده کوچکی از طیف الکترومغناطیس را پوشش می‌دهند.
با برخورد انرژی الکترومغناطیسی به سطوح در طول سنجش از دور فراطیفی، انرژی بسته به طول موج خود و مشخصات سطح، منعکس، جذب یا منتقل می‌شود. انرژی جذب، منعکس و منتقل شده توسط فناوری ریموت سنسینگ (Remote Sensing) تشخیص داده می‌شود. ارتباط بین این سه انرژی به عنوان داده‌های سنجش از دور، امضای طیفی سطح را تعیین و آن را قابل شناسایی می‌کند.
انواع سنسورها در ریموت سنسینگ (Remote Sensing)
سنسورهای سنجش از دور به دو نوع فعال و غیرفعال تقسیم می‌شوند.
پاسخ به این سوال می‌تواند برای درک مفهوم سنسورهای فعال و غیرفعال مفید باشد:
اگر خورشید ناپدید شود، کدام سنسور کاهش عملکرد بیشتری خواهد داشت؟ سنسور فعال یا غیرفعال؟
سنسورهای فعال منبع نور یا روشنایی مخصوص به خود را دارند. این منبع به صورت فعال یک پالس ارسال می‌کند و پراکندگی منعکس شده به سنسور را اندازه‌گیری می‌کند. در مقابل سنسورهای غیرفعال نور منعکس‌شده‌ای که از خورشید منتشر شده را اندازه‌گیری می‌کنند.
سنسورهای ماهواره‌ای فعال
وقتی با فلش روشن عکس می‌گیرید، دوربین منبع نور خود را ارسال می‌کند. پس از آنکه فلش بر شی مورد نظر تابید، دوربین نور منعکس شده‌ای که به لنز تابیده شده را اندازه می‌گیرد. بنابراین زمانی که عکاس از فلش استفاده می‌کند، دوربین، سنسور فعال است. دوربین با روشن کردن هدف خود، انرژی بازتاب شده به دوربین را می‌سنجد.
می‌توانید حسگرهای فعال را مانند یک دوربین با فلش روشن تصور کنید.
سنسورهای فعال هدف خود را روشن می‌کنند. در تصویر زیر، حسگر جانبی پالس خود را به سطح زمین ارسال می‌کند. ابتدا زمین پالس را بازتاب می‌کند و درنهایت پالس به سنسور برمی‌گردد.
سنسورهای ماهواره‌ای غیرفعال
زمانی که عکاس از فلش استفاده نمی‌کند، دوربین‌ها، حسگرهای غیرفعال درنظر گرفته می‌شوند. از آنجایی که دوربین منبع نور را ارسال نمی‌کند، از نوری که به طور طبیعی از خورشید ساطع می شود استفاده می‌کند.
حسگرهای غیرفعال از نور طبیعی ساطع شده از خورشید استفاده می‌کنند؛ بنابراین بدون خورشید، سنجش از دور غیرفعال وجود نخواهد داشت.
شکل شماتیک زیر نحوه تابش نور خورشید را مشاهده می‌کنید. ابتدا نور از اتمسفر عبور می‌کند. سپس، از زمین به یک سنسور ماهواره‌ای که به دور زمین می‌چرخد منعکس می‌شود.
درواقع سنجش از دور غیرفعال بسیار شبیه به حالتی است که چشمان ما دنیا را می‌بیند.
اما قدرت سنجش از دور غیرفعال به دیدن نور در تمام طیف الکترومغناطیسی است. با تصویربرداری چند طیفی، می‌تواند ترکیب باندهای مختلفی برای شناسایی ویژگی‌های دلخواه از سطوح ایجاد کرد.
لندست، یکی از ماهواره‌های قدیمی ریموت سنسینگ به روش غیرفعال
در سنجش از دور غیرفعال، ماموریت لندست (Landsat) طولانی‌ترین برنامه رصد سیاره زمین است. بیش از ۴۰ سال است که لندست درحال جمع‌آوری و ثبت تغییرات است. این سیستم به درک آب و هوای زمین، اکوسیستم‌ها و کاربری زمین‌ها کمک می‌کند.
به مدت ۴۰ سال ماموریت‌های لندست، مشاهده سیاره در حال تغییر ما بوده است. محققان با استفاده از داده‌های بدست آمده از لندست، نتیجه‌گیری‌های بسیاری کرده‌اند.
اهمیت و مزایای سنجش از دور
اهمیت سنجش از دور در کشاورزی
کشاورزی مواد خام، سوخت، الیاف و البته غذای بشریت را فراهم می‌کند. ضمن ادامه فعالیت‌های مرتبط با کشاورزی با هدف امرار معاش، ایفای کامل این نقش با وجود تغییرات آب و هوایی، پایداری زیست محیطی و افزایش جمعیت امری ضروری است.
به‌کارگیری سنجش از دور در کشاورزی، با ارائه اطلاعات مربوط به وضعیت محصول در مقیاس‌های مختلف در تمام طول فصول، به تکامل شیوه‌های کشاورزی در مواجهه با انواع چالش‌ها کمک می‌کند.
فعالیت در زمینه روش‌های کشاورزی پایدار به این معنا است که بدانید در چه زمان چه کاری انجام دهید. دیگر نباید به کشاورزی به عنوان فرآیندی که به شدت دستخوش طبیعت است نگاه کنیم. دستگاه‌های سنجش از دور در طول یک دوره زمانی، مزرعه را تحت نظر می‌گیرند. اطلاعات به‌دست آمده، راهنمای تصمیماتی است که باید در طول فرآیند کشت گرفته شوند. چنین چیزی در مراحل اولیه به معنای شناسایی شرایط آب و هوایی مساعد برای کاشت یک محصول خاص است. همچنین در طول مرحله کشت به کشاورز امکان اقدام در برابر آفات یا بیماری‌ها قبل از انتشار به مناطق دیگر را می‌دهد.
بیشتر اطلاعات ارائه‌شده به ذینفعان در بخش‌های مختلف زنجیره کشاورزی از سه منبع داده خارجی بدست می‌آیند: شرایط آب و هوا، مشاهدات صورت گرفته از زمین و اطلاعات میدانی جمع آوری شده با استفاده از حسگرهای زمینی، هوایی و ماهواره‌ای.
از حسگرهای زمینی روی تراکتورها و ماشین‌آلات استفاده می‌شود؛ درحالی که سنسورهای هوایی روی پهپادهایی نصب می‌شوند که می‌توانند تا شعاع مشخصی داده‌های مربوط به میدان را ثبت کنند. حسگرهای ماهواره‌ای گسترده‌ترین و دقیق‌ترین پوشش را روی توده‌های بزرگ زمین، بدون هیچگونه محدودیتی از نظر اندازه یا عمق تاریخی اطلاعات، ارائه می‌دهند. دانش ترکیبی جمع‌آوری شده از تمامی منابع به ذینفعان در اکوسیستم کشاورزی کمک می‌کند تا تصمیماتی آگاهانه‌تر و به موقع‌تری در مورد محصول خود بگیرند.
کاربرد و مزایای ریموت سنسینگ در کشاورزی
در سرتاسر جهان، کشاورزی یکی از مهم‌ترین فعالیت‌هایی است که مستقیما با زمین در ارتباط است. کشاورزی علاوه بر ایجاد تغییر در پوشش گیاهی زمین، در توسعه پایدار اقتصاد اجتماعی، چرخه کربن، تغییرات آب و هوایی، خدمات اکوسیستم، امنیت غذایی و… تأثیر می‌گذارد. انواع گوناگونی از سنجش از دور در کشاورزی وجود دارد.
از مزایای استفاده از تصاویر سنجش از دور در کشاورزی، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
داشتن اطلاعات کافی در خصوص کاشت و زمان برداشت یک گیاه
کشاورزان به کمک سنجش از دور به اطلاعات کاملی در خصوص شرایط محیطی و آب و هوایی ایده‌آل دسترسی دارند. این اطلاعات در برنامه‌ریزی هرچه بهتر چرخه کشت اهمیت دارد. ماهیت پیش‌بینی کننده فناوری کشاورزی هوشمند در رسیدن به مناسب‌ترین زمان کاشت محصول در شرایط مشخص کمک می‌کند. علاوه بر آن از زمان کاشت تا برداشت، اطلاعات ارزشمندی به کشاورز و کارشناس ارائه می‌دهد.
مشاهده و مراقبت از محصولات کشاورزی
نقش مهم ریموت سنسینگ در کشاورزی، نظارت بر سلامت محصولات است. به وسیله سنجش نوری (VIR) می‌توان امواجی مانند امواج فروسرخ که خارج از طول موج مرئی هستند را مشاهده کرد. در این شرایط طول موج‌ها نسبت به توان محصول، آسیب و تنش بسیار حساس هستند. پیشرفت های اخیر در این فناوری به کشاورزان اجازه می‌دهد تا مزارع خود را تحت نظر گرفته و در در زمان مناسب به اتخاذ تصمیمات مدیریتی بپردازند. استفاده از سنجش از دور به شناسایی محصولاتی کمک می‌کند که تحت تأثیر شرایط مربوط به آب و هوا، آفات و غیره قرار گرفته‌اند.
به طور مثال، شاخص NDVI، که یکی از پرکاربردترین شاخص‌های سنجش از دور در کشاورزی است، با استفاده از همین ترکیب باندهای طیفی، اطلاعات مفیدی درباره‌ی تراکم پوشش گیاهی و سبزینگی زمین به کاربران ارائه می‌دهد. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد شاخص NDVI، به این لینک مراجعه کنید.
نقشه برداری خاک و پیش‌بینی نیاز به آبیاری
یکی دیگر از فاکتورهای مهم در سنجش سلامت و رطوبت خاک یک قطعه زمین، نقشه‌برداری خاک است. نقشه‌برداری از خاک در شناسایی محصول ایده‌آل و تنوع آن برای کشت در منطقه و سطح رطوبتی که در طول مراحل مختلف رشد نیاز دارد کمک می‌کند. در نتیجه به برنامه‌ریزی آبیاری بر اساس پیش‌بینی آب‌و‌هوا کمک می‌کند.
برای کشاورزی دقیق، نظارت بر خاک امری ضروری است. برخی از پارامترهای حیاتی خاک که به جهت بهینه‌سازی مدیریت محصول مورد استفاده قرار می‌گیرند شامل مواد آلی خاک (SOM)، بافت خاک، سطح pH خاک، میزان رطوبت و… می‌شود. فناوری تصویربردای چند طیفی سنجش از دور در کشاورزی، سلامت تاج درختان، مرحله رشد، عملکرد، زیست‌توده و تراکم رویشی را فراهم می‌کند. اگر می خواهید تغییرات الگوی رشد محصول را بررسی کنید، باید بر ارتباط بین عملکرد محصول و شرایط خاک تأکید کنید.
با توجه به رشد جمعیت و افزایش تقاضای برای غذا، انتظار می‌رود زمین‌های آبی تا سال ۲۰۵۰ دو برابر شوند. این امر باعث کاهش دسترسی به آب، ایجاد تغییرات آب و هوایی و سایر تغییرات محیطی خواهد شد. از این رو، ارزیابی منابع آب کشاورزی به منظور دستیابی به امنیت غذایی و توسعه پایدار از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. سنجش از دور در کشاورزی دقیق اطلاعات دقیق و به موقعی مانند بدنه‌های آبی، زمین‌های آبیاری شده، وضعیت آب محصول و وضعیت رطوبت خاک را ارائه کرده است.
ارزیابی سلامت محصول در تمامی مراحل و پیش‌بینی دقیق عملکرد
سنجش از دور با نظارت مداوم و دقیق بر محصول مزرعه مورد نظر کمک می‌کند تا هرگونه تهدید جدی را شناسایی کرده و اقدامات اصلاحی پیش از وقوع هرگونه خسارت صورت گیرد. همچنین بر اساس شرایط آب و هوایی به عنوان یک روش قابل اعتماد برای تخمین بازده محصول در یک چرخه کشت و شناسایی زمان مناسب برداشت عمل می‌کند.
مراقبت از مزرعه در هر مکان و زمان
مزیت قابل توجه سنجش از دور این است که صرف نظر از موقعیت مکانی تولید‌کننده و کشاورز، به آن‌ها امکان مراقبت از مزرعه خود را می‌دهد. این امر برای کسب و کارهای بزرگ در کشاورزی که در مناطق مختلف کشور مزرعه دارند، منطقی است؛ چرا که محصولات آن‌ها باید از کیفیت خاصی برخوردار باشد.
با کمک سنجش از دور، همه ذینفعان می‌توانند محصول را در حین حرکت از مرحله‌ای به مرحله دیگر بررسی کنند. این کار به آن‌ها اجازه می‌دهد تا از حفظ کیفیت استاندارد مورد نیاز کسب‌وکار خود اطمینان حاصل کنند.
پایش خشکسالی و وابستگی‌های مربوط به آب و هوا
مفهوم سنجش از دور و کاربرد آن در کشاورزی پیشرفت‌های زیادی در زمینه درک تغییرات آب و هوایی از طریق کمّی کردن حالت‌های زمانی اقیانوس‌ها، زمین و جو ایجاد کرده است. فناوری‌هایی که پیش از این به شناسایی آب و هوا می‌پرداختند از دقت پایین‌تری برخوردارند. هنگامی که صحبت از کشاورزی می‌شود، آب و هوا نقش مهمی در تعیین نتایج ایفا می‌کند. به همین دلیل، این فناوری ارزش خود را در پیش‌بینی تغییرات آب و هوایی به اثبات رسنده است.
الگوی آب و هوای یک منطقه معین را می‌توان با استفاده از داده‌های ماهواره‌ای به طور مدارم پایش کرد. این امکان در مناطقی که تحت تاثیر شرایط آب و هوایی شدید مانند سیل، خشکسالی، موج گرما یا طوفان قرار می‌گیرند، مفید است. در این حالت، اطلاعات به موقع به تولید‌کنندگان اجازه می‌دهد تا برای این رویداد آماده شوند و از تلفات محصول جلوگیری کنند.
بکارگیری سیستم‌های اطلاعات آب و هوایی به جهت اتخاذ تصمیمات مدیریتی در خصوص محصول و آبیاری آن ضروری است. همچنین این داده‌ها به آماده شدن کشاورزان برای مقابله با بلایای طبیعی نیز کمک می‌کنند.
محصولات مختلف در شرایط آب و هوایی متفاوتی رشد می‌کنند. ممکن است برخی از آن‌ها در آب و هوای بادی خوب رشد کنند، در حالی که برای برخی دیگر از گیاهان، محیط‌های آرام‌تر مناسب باشد. به‌کارگیری سنجش از دور در حفاظت از گیاهان به ما این امکان را می‌دهد تا کیفیت هوا را در مکان‌های مشخصی تعیین کنیم. این داده‌ها در پیش‌بینی شرایط هوایی مورد استفاده قرار می‌گیرند تا در صورت شرایط نامساعد جوی اقدامات احتیاطی لازم صورت گیرد.
ارزیابی کیفی اراضی تاریخی و نقشه‌برداری تخریب
تصاویر ماهواره‌ای به ارزیابی الگوهای کاربری زمین یا پوشش زمین (LULC) در یک دوره زمانی معین، به تعیین و تشخیص هرگونه تغییر در پوشش زمین کمک می‌کنند. آشنایی با عملکرد تاریخی قطعه زمین نه تنها برای کشاورزان، بلکه برای تعیین پوشش بیمه محصولات یا دریافت اعتبارات بانکی نیز کاربرد دارد.
حفاظت از محصولات در برابر آفات و بیماری‌ها
از آنجایی که سنجش از دور نظارت دائم بر محصول را در طول دوره کشت تضمین می‌کند، می‌توان از آن برای محافظت از محصول در برابر حمله هرگونه آفت یا بیماری استفاده کرد. با تشخیص سریع مناطق آلوده، هرگونه تهدید احتمالی را پیش از آنکه کل زمین کشاورزی را تحت تاثیر قرار دهد، می‌توان شناسایی کرد.
معرفی تکنیک‌های جدید در چند دهه اخیر به کشاورزی کمک کرده است تا با تقاضای فزاینده غذایی جمعیت همگام شود. کشاورزی دقیق و نقشه‌برداری محصول به وسیله تصاویر سنجش از دور با هدف افزایش عملکرد محصولات و به حداقل رساندن فشار وارد بر محیط طبیعی انجام می‌شود. در این زمینه، فناوری‌های مدرن مانند هوش مصنوعی یا اینترنت اشیا کارایی خود را به اثبات رسانده‌اند. استفاده از سنجش از دور در کشاورزی برای افزایش بهره‌وری محصولات نیز مورد استفاده قرار گرفته است.
کاربرد سنجش از دور در معادن
سنجش از دور روی سطح زمین با ماهواره، در تمام مراحل چرخه حیات معدن قابل اجرا است.
تصاویر ماهواره‌ای ابزار مهمی برای پشتیبانی از پروژه‌های اکتشافی ذخایر معدنی هستند و کاربرد بسیار گسترده‌ای دارند. این ابزار اطلاعاتی در مورد وجود جاده‌ها، مسیرهای خاکی، حصارها و… در اختیار زمین‌شناسان و کارگرها قرار می‌دهند. به عبارت دیگر، تصاویر ماهواره‌ای پایه ساخت نقشه‌های پوشش زمین است که امری ضروری برای نقشه‌برداری از مسیرهای بالقوه به مناطق اکتشاف شده و در نظر گرفتن تأثیر یک پروژه بزرگ بر محیط‌زیست است.
نظارت از راه دور مبتنی بر ماهواره، اکتشافات زمین‌شناسی را در مکان‌های صعب‌العبور را ساده کرده و سرعت می‌بخشد. به عنوان مثال در اروپا، معادن با کیفیت بالا تقریباً تمام شده‌اند؛ بنابراین متخصصان با این روش به جستجوی ذخایر جدید در مناطق دور افتاده پرداخته‌اند.
همچنین نقشه‌های ماهواره‌ای برای شناسایی لایه‌های سنگی رخنمون، هوازده و نظارت بر پوشش گیاهی در مناطق اکتشافی مفید هستند.
نظارت بر گودال‌های باز (واقع در سطح زمین) در حین استخراج، یکی دیگر از موارد مورد استفاده از داده‌های ماهواره‌ای است. به عنوان مثال، از برخی تصاویر ماهواره‌ای، برای یافتن پایداری شیب و تغییرات ماهانه در قسمت‌هایی که در آن استخراج فعال انجام می‌شود، استفاده می‌شود. به عبارت دیگر این روش به تعیین اندازه ترابری کمک می‌کند. هدف از چنین نظارتی تضمین ایمنی کارگران با تشخیص به موقع مسایل احتمالی و ابلاغ آن‌ها به مدیریت معدن به منظور رفع آن قبل از وقوع حادثه احتمالی است.
از تصاویر ماهواره‌ای چندطیفی در بازسازی (بازگردانی معادن زمینی به حالت اولیه خود) در مناطق کوهستانی استفاده می‌شود؛ زیرا امکان نظارت بر وضعیت پوشش گیاهی و به اصطلاح تخلیه اسیدی (خروج آب اسیدی از سنگ‌آهن و زغال‌سنگ) را فراهم می‌کند.
داده‌های به دست آمده باعث می‌شود تا با وضوح زمانی و مکانی بالا بتوان پاسخ پوشش گیاهی را به عوامل تنشی کنترل کرد. بنابراین، اطلاعات تصویری، مبنایی برای بهبود مدیریت بازسازی است. سنجش از دور توسط ماهواره و تجزیه و تحلیل تصاویر، با توجه به امکان کشاورزی یا سایر فعالیت‌های اقتصادی در زمین‌ها پس از معدن کاری مفید است.
چگونه تصاویر ماهواره‌ای می‌توانند به صورت دقیق به نقشه برداری مناطق دارای ذخایر معدنی کمک کنند؟
بیش از ۴۰۰۰ ماده معدنی روی زمین وجود دارد. مقدار تابش خورشیدی که یک ماده معدنی خاص با توجه به ترکیب شیمیایی خود منعکس، منتقل و پراکنده می‌کند، منحصر به فرد است. این تابش شبیه به اثر انگشت انسان است و به آن امضای طیفی می‌گویند. با اندازه‌گیری نوسانات کوچک موجود در طول موج الکترومغناطیسی به کمک ماهواره می‌توان امضای طیفی یک کانی را بدست آورد.
ماهواره‌ها امکان عکس‌برداری از مناطق مورد نظر از فضا و تفسیر تصاویر گرفته شده در بخش‌هایی از طیف خارج از محدوده مرئی را فراهم می‌کنند. به عنوان مثال، داده‌های موجود در تابش مادون قرمز و موج کوتاه برای شناسایی ویژگی‌های ساختاری سطح زمین استفاده می‌شود.
به لطف تصاویر طیفی و نقشه‌برداری موضوعی، محققان اطلاعاتی در مورد ویژگی‌های جذب و انعکاس خاک، ترکیب سنگ‌ها و پوشش گیاهی به دست می‌آورند. این داده‌ها امکان شناسایی رسوبات رس، اکسیدها و تعیین نوع خاک را در تصاویر ماهواره‌ای فراهم می‌کنند.
جریب، سامانه سیستم اطلاعات جغرافیایی، تصویربرداری و نقشه‌برداری
اپلیکیشن جریب، ابزاری برای مدیریت هوشمند کشاورزی محسوب می‌شود. در ابتدا، تمرکز تیم بر کاستی‌هایی حوزه کشاورزی و باغداری بود؛ با تکمیل محصولات و ابزار و دریافت تدریجی بازخورد از سایر متخصصین و کارشناسان، جریب ویژگی‌ها و کارایی خود را در راستای استفاده در سایر صنایع و پروژه‌ها، با نیازمندی‌های حوزه‌های مختلف فعالیت صنایع، منطبق کرد.
در حال حاضر شاخص‌های سنجش از دور، مانند NDVI و NDMI روی نقشه‌ی باغات کشاورزی در اپلیکیشن جریب قابل مشاهده است. برای آشنایی بیشتر با سامانه، به این لینک مراجعه کنید.
