مقدمه: همواره شناسایی و بررسی محیط پیرامون محل سکونت از موضوعاتی به‌شمار می‌آید که از زمان‌های خیلی دور مورد توجه بشر بوده است.
بشر زمانی که از فراز یک بلندی یا از بالای یک درخت به اطراف خویش نگاه می‌کرد و با بهره‌گیری از حواس خود تصویری ذهنی از عوارض و موجوداتی که در دوردست بوده‌اند، می‌یافت در واقع نوعی «دورکاوی» انجام می‌داده است.
نگریستن با چشم برای انسان‌های اولیه تنها ابزار برای بررسی محیط بود و پس از آن که نقشه تهیه گردید، جغرافیدانان، دریانوردان و پژوهشگران، اطلاعات جوّی و فضایی را بر روی نقشه پیاده نموده و مورد تجزیه و تحلیل قرار داده‌اند.
در زمان جنگ جهانی اول، نظامیان جهت رسیدن به اهداف جنگی نیازمند به اطلاعاتی در زمینه‌ی محل تجمع دشمن و جابه‌جایی‌هایش بودند، لذا بررسی از راه دور جنبه‌ی حیاتی به خود گرفت و در همین زمان عکاسی نیز رواج پیدا کرد و پس از جنگ، عکاسی هوایی فصل تازه‌ای را در خصوص بررسی از راه دور باز نمود. در دهه‌ی گذشته بهره‌گیری از این وسیله بسیار متداول بود. بدین صورت افزون بر فتوگرامتری، عکاسی هوایی کاربردهای دیگری هم پیاد کرد که اساسی‌ترین آن شناخت محیط یعنی تفسیر و توجیه عوارض منطقه‌ی مورد عکاسی بود که البته در صورت بالا بودن درجه‌ی مهارت و تجربه‌ی کارشناسان طبیعتاً اطلاعات بیشتری نیز حاصل می‌گردید.
در حال حاضر استفاده از تصاویر ماهواره‌ای در بررسی‌های مختلف زمین روز به روز گسترش پیدا کرده و با توجه به ویژگی‌هایی که این تصاویر دارند از قبیل چرخش منظم ماهوارههای سنجش از دور به پیرامون زمین و امکان ثبت اطلاعات و تصویربرداری تکراری و دست‌یابی به اطلاعات تازه و همچنین آگاهی از هرگونه تغییرات فضایی، هر روز کاربرد بیشتری در سنجش از دور پیدا کرده‌اند.
دورکاوی چیست؟
اگر بخواهیم در مدت کوتاه درباره‌ی منابع کشور خود و روییدنی‌های آن و جنس خاک و دیگر پدیده‌های روی زمین اطلاعاتی به‌دست آوریم، یکی از روش‌های آن مشاهده‌ی مستقیم است و هرچه میدان دید وسیع‌تر گردد منطقه‌ی بزرگتری را می‌توانیم کندوکاو کنیم، لذا می‌توان به ارتفاعات رفت و یا از زمین پرواز نمود و از بالا به آن نگریست. اکنون اگر بتوانیم چشم خود را تجهیز کنیم و عوارض روی زمین را مورد بررسی قرار دهیم، در حقیقت بررسی از راه دور یا «دورکاوی» انجام داده‌ایم.
این امکان همیشه وجود ندارد که با مشاهده‌ی مستقیم به مقصود خود دست پیدا کنیم، به عنوان مثال چنانچه بخواهیم از طوفان‌هایی که هر لحظه ممکن است ما را مورد پوشش قرار دهند یا از اتمسفر زمین و یا کره‌ها و سیاره‌های دیگر به این اطلاعات دست پیدا کنیم، بایستی از امکانات خاصی بهره بگیریم.
در علم دورکاوی، می‌توان اطلاعات مناسبی را از اشیا و پدیده‌های مختلف بدون تماس فیزیکی و از راه دور به‌دست آورد، امروزه به علت خصوصیات فیزیکی و شیمیایی سطح زمین و اتمسفر، کسب اطلاعات در مورد سایر کرّات و سیارات با استفاده از دوربین‌های چندباندی مخصوص و ابزارهای ویژه‌ای که بر روی یک وسیله‌ی حامل نصب می‌شوند، انجام می‌پذیرد و با تجزیه و تحلیل داده‌های دریافتی، اطلاعات لازم حاصل می‌گردند. لذا دورکاوی را می‌توان اینگونه تعریف کرد:
دورکاوی عبارت است از فنّ جمع‌آوری و تفسیر و نمایش اطلاعات از فاصله‌های دور درباره‌ی وضعیت جو، خشکی‌ها و آب‌های سطح زمین و دیگر پدیده‌ها.
در شکل زیر «دورکاوی» را مشاهده می‌کنید.
با توجه به تعریف فوق، درمی‌یابیم که دورکاوی از دو بخش اصلی «تصویربرداری» و «تجزیه و تحلیل تصاویر» تشکیل شده است.
تجهیزات دورکاوی
تجهیزاتی که در دورکاوی به کار می‌روند، بدین ترتیب می‌باشند:
الف دستگاه‌های سنجنده
ب وسایل حمل کننده
1- دستگه‌های سنجنده:
همانطور که آگاهید، نور خورشید دارای پرتوافکنی قابل توجهی می‌باشد و طیف نوری که به‌وجود می‌آورد شامل یک اشعه با طول موج‌های مختلف است که این طول موج‌ها، قابل اندازه‌گیری می‌باشند.
عموماً اشعه‌ی با طول موج 400 تا 700 نانومتر برای چشم انسان قابل مشاهده است که به آن «اشعه‌ی مرئی» می‌گویند. اشعه‌ی با طول موج بیشتر یا کمتر از حد مذکور، قابل رؤیت نیست و به این دسته «اشعه‌ی نامرئی» می‌گویند. فیلم‌های عکاسی مختلفی به‌وجود آمده‌اند که لایه‌های حساس آن‌ها متفاوت است و هر لایه نسبت به بخشی از طیف نور خورشید دارای حساسیت می‌باشد و فیلم‌ها نیز برحسب لایه یا لایه‌های حساس موجود بر روی آن‌ها اسم‌گذاری شده‌اند. انواع فیلم‌ها بدین شرح می‌باشند:
پانکروماتیک سیاه و سفید (دارای یک لایه‌ی حساس)
فروسرخ سیاه وسفید (دارای یک لایه‌ی حساس)
رنگی (دارای چند لایه‌ی حساس)
رنگی فروسرخ کاذب (دارای چند لایه‌ی رنگی)
تصاویر مهمی در ادامه آورده شده است که به تفهیم مطالب کمک می‌کند و به بحث مرتبط است.
دستگاه حساس در عکس‌برداری هوایی از دوربین با اقسام عدسی و فیلم‌هایی با انواع قشر حساس و صافی‌های مختلف تشکیل گردیده است که می‌توان عوارض گوناگون را در حد قابل قبولی در روی آن‌ها تشخیص داد؛ اما در برخی طول موج‌های فروسرخ یا حرارتی (که بعداً به آن اشاره می‌نماییم) نمی‌توان از وسایل عادی عکاسی نظیر دوربین و فیلم استفاده کرد و در این حالت تشعشعات حرارتی زمینی در طول موج حدود 10 میکرون (10000 نانو) وارد دستگاهی با نام جاروکننده الکترومکانیکی می‌شوند و اثر این تشعشع حرارتی یا بر روی نوار مغناطیسی ثبت و یا از راه دیگری به صورت عکس مرئی تبدیل می‌گردد.
در شکل زیر روش جاروب کردن زمین توسط ماهواره به نمایش درآمده است.
در عکس‌برداری با طول موج‌های مرئی و سایر طول موج‌های فروسرخ، منبع امواج الکترومغناطیسی خورشید می‌باشد و در حقیقت نور توسط جسم در این طول موج‌ها بر روی فیلم اثر می‌گذارد، بنابراین عکس‌برداری بایستی در روز آفتابی صورت بگیرد اما در سیستم جاروکننده‌ی الکترومکانیکی، تشعشع حرارتی از خود جسم ساطع گردیده است. در نتیجه می‌توان هم در روز و هم در شب از آن استفاده نمود البته باید دقت داشت که در هر حال هوا نباید ابری باشد.
در مجموع از دید دورکاوی می‌توان گفت: عکس هوایی، ثبت قسمتی از تشعشعات طیف نورانی روی صفحه‌ی حساس است. در این مورد افزون بر دوربین عکس‌برداری و سیستم جاروکننده، عوامل گوناگونی از قبیل وضعیت خورشید و زمین در هنگام عکس‌برداری و وضعیت هواپیما نیز تأثیرگذار هستند و همانطور که در ادامه مشاهده خواهید کرد به منظور تفسیر و کسب اطلاعات بایستی از مکانیزم ثبت تصویر در روی عکس و تئوری آن، آگاهی داشت.
در شکل زیر جاروب کردن موازی توسط ماهواره به نمایش درآمده است.
دستگاه‌های حساس در ماهواره‌ها به استثنای دوربین‌های عکس‌برداری چند باندی، شامل سنجنده‌های گوناگون است که بر روی سکوهای بدنه ماهواره نصب می‌شوند. علاوه بر آن، در برخی ماهواره‌ها سیستم تصویربرداری هم مهیا گردیده است که وقتی هوا ابری بوده و فرصت عکس‌برداری هوایی و یا تصویربرداری فروسرخ فراهم نمی‌باشد، دارای ارزشی خاص است و یا در حالتی که اطلاعات سریع و جدید در مورد تغییرات ناگهانی نیاز می‌باشد از ان استفاده می‌شود مانند شهرهایی که بر اثر حادثه‌ای مثل تخریب ناشی از گردبادها، زلزله‌ها و یا حملات نظامی دچار آسیب دیدگی شده‌اند.
لازمه‌ی تصویربرداری در سایر موارد، برخورد انرژی از منبع نوری با اشیا و پدیده‌های سطح زمین است و همانگونه که در ارتباط با عکس‌های هوایی نیز مطرح گردید، خورشید عظیم‌ترین منبع تولید انرژی است و پس از برخورد اشعه‌ی آن با عوارض روی زمین، تشعشع به‌وجود می‌آید. این مدل تشتشعات را می‌توان روی قشر حساسی ثبت نمود و در آن صورت عکس‌های سیاه و سفید و رنگی معمولی یا عکس‌های مادون قرمز، سیاه و سفید و یا عکس‌های رنگی غیر طبیعی حاصل می‌گردند.
در عکاسی با روش رنگی غیرطبیعی، یک سری رنگ‌های مکمل که مشابه با رنگ‌های حقیقی هستند، به‌دست می‌آید. لذا به آن‌ها غیرطبیعی می‌گویند و این خاصیات را دارند که اشعات مرئی و نامرئی را با هم ثبت کنند.
شکل زیر، عکس‌برداری از زمین را نشان می‌دهد.
ترموگرافی:
به استثنای عکسای و ثبت تشعشعات مرئی و مادون قرمز، برخی در قشرهای حساس می‌توانند با استفاده از بعضی وسایل مخصوص، تشعشعات حرارتی را ثبت کنند؛ زیرا اشیا برحسب نوع و امواج طبیعتشان و براساس سطوح ظاهری دارای خاصیت بسیار مهمی از لحاظ جذب، انتشار و انعکاس امواج در برخی از قسمت‌های طیف الکترومکانیک هستند. بدین ترتیب اشیا برحسب درجه حرارتی که دارند مقداری انرژی را به صورت تشعشع به اطراف منتشر می‌نمایند و حتی اگر تحت تأثیر یک تشعشع دیگر با طول موجی معین واقع گردد، بخشی از این تشعشع را منعکس می‌کند.
در نتیجه می‌توان با بهره‌گیری از اثرات فتوشیمیایی این تشعشعات را روی برخی سطوح حساس که قشری دانه‌ای روی آن‌ها را پوشش داده است، ثبت کرد. بدین صورت مقداری از این تشعشعات که در طیف مرئی قرار دارند، روی صفحات حساس عکس‌برداری ثبت می‌گردند.
همچنین امکان دارد به کمک سلول‌های فتوالکتریک این میزان انرژی را، نقطه به نقطه روی صفحه‌ی حساس ثبت کرد و ضبط مغناطیسی مربوط به طول موج‌های حرارتی را می‌توان به تصاویر معمولی سیاه و سفید مبدل نمود.
با این تغییرات، نتیجه‌ای که حاصل می‌گردد، فیلم رنگی سیاه و سفید خواهد بود به گونه‌ای که شدت این رنگ‌ها با میزان انرژی تناسب دارد و در هر نقطه، دانه‌های قشر حساس دریافت کرده است و تصویری که به‌وجود می‌آید، اطلاعاتی در مورد کیفیت و نوع اشیا در اختیار می‌گذارد.
2- وسایل حمل کننده:
این وسایل عبارتند از: هواپیماهای معمولی، جت‌های بلندپرواز، ماهوارههای مخصوص و یا لابراتوارهای فضایی.
در شکل زیر می‌توانید تصویر نمادین یک دوربین عکس‌برداری را ملاحظه نمایید.
همچنین در شکل بعدی نیز پوشش‌های گوناگون عکس‌برداری و تصویربرداری به تصویر کشیده شده است.
اتحاد جماهیر شوروی سابق در تاریخ 4 اکتبر سال 1957، اولین ماهواره را که اسپوتینگ نام داشت و در مدار زمین هم قرار می‌گرفت، به فضا پرتاب کرد. با اینکه این ماهواره‌ی پیشتاز، کاری به غیر از ارسال علائم ساده انجام نداد، اما آغازگر عصر فضا بود. از آن تاریخ تا به الان بیش از 4000 ماهواره به فضا پرتاب گردیده است که وظایف گوناگونی را عهده‌دار هستند. برخی برای امور مربوط به اکتشاف مواد معدنی، پیش‌بینی هوا و یا فعالیت‌های نظامی به بررسی و کنترل زمین می‌پردازند و برخی دیگر با تلسکوپ‌های مخصوصی فضا را کاوش می‌کنند و بسیاری از ماهواره‌ها هم علائم تلفنی و تلویزیونی را به تمام نقاط زمین می‌فرستند.
بعضی از ماهوارههای بزرگ سرنشین‌دار هستند و آن‌ها را به اصطلاح «ایستگاه فضایی» می‌نامند که فضانوردان را به فضا می‌برند و برمی‌گردانند.
ماهواره‌ها برحسب وظایفی که برایشان تعریف شده است در مدارهای مختلفی قرار داده می‌شوند. البته دسترسی نزدیک‌ترین مدار به زمین از همه آسان‌تر است و در این مدار، ماهواره تقریباً به دور خط استوا در جهتی از غرب به شرق گردش می‌کند. هر چقدر مدار پایین‌تر باشد، انرژی کمتری جهت رسیدن به آن موردنیاز است و هنگامی که ماهواره به سمت شرق پرتاب می‌شود با توجه به گردش غربی و شرقی زمین به دور خود، سرعت اولیه‌ی بیشتری هم دارد.
در شکل بعدی می‌توانید یک باند تصویربرداری را مشاهده نمایید.
یک باند تصویربرداری
ماهوارههای سنجش از دور را براساس فاصله مدار حرکتشان از زمین به سه گروه تقسیم می‌کنند که بدین شرح می‌باشند:
الف ماهوارههای مدار پایین (ماهوارههای نزدیک زمین):
این ماهواره‌ها در اتفاعی بین 200 تا 350 کیلومتر به دور زمین گردش می‌کنند و مقیاس عکس‌هایی که می‌گیرند تقریباً 1:100000 است و این بدان معنا می‌باشد که عوارض به ابعاد یک متر و بیشتر را تشخیص داده و آن‌ها را ضبط می‌نمایند. عکس‌هایی که ضتوسط این ماهواره‌ها گرفته می‌شود، در هنگام برگشت آن‌ها به زمین و یا در زمانی که در داخل محفظه‌ای با چتر به بیرون پرتاب می‌شوند، دریافت می‌گردند. یکی از این مدل ماهواره‌ها، ماهوارههای سرنشین‌دار هستند
با توجه به اینکه سفینه‌های سرنشین‌دار دارای جرم زیادی می‌باشند، عمدتاً همواره در مداری نزدیک به زمین قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، شاتل فضایی امریکا در ارتفاع حدود 250 کیلومتر قرار دارد و ایستگاه فضایی «میر» شوروی حدود 100 کیلومتر بالاتر از به حول زمین چرخش می‌کند. فضاپیماهای بدون سرنشین نیز در مدارهای مشابهی به دور زمین می‌گردند که از میان آن‌ها می‌توان به تلسکوپ فضایی هاپل اشاره کرد که نور دورترین اشیای گیتی را فارغ از اثرات مخدوش کننده‌ی جو زمین، مورد تحلیل قرار می‌دهد.
هرچند رسیدن به مدار پایین راحت است ولی یک مسئله‌ی مهم برای حرکت ماهواره‌ها در این مدار مطرح می‌باشد. گازهای رقیق جوّ زمین تا ارتفاع بالاتر از مدار، همچنان موجود است و با افزایش فاصله، همواره رقیق‌تر نیز می‌باشد. لذا «شاتل» و «میر» هر دو از میان بقایای جوّ زمین می‌گذرند و در این روند به مرور انرژی مداری خود را از دست داده و در طول زمان در یک حرکتع مارپیچی به سمت زمین پایین می‌آیند. «شاتل» دارای عمر کوتاهی است اما فضانورد میر باید هرچند وقت یک بار، موتورهای تقویت سفینه را روشن نماید تا با فرسایش مداری مقابله کند.
ب ماهوارههای با فاصلهی متوسط:
این ماهواره‌ها در ارتفاع 700 تا 900 کیلومتری به دور زمین می‌چرخند. نخستین بار سال 1972 ماهواره‌ای به نام «اِرت» و بلافاصله چهار دستگاه دیگر از همین مدل به وسیله‌ی مؤسسه‌ی فضایی امریکا و متعاقب این سری ماهواره‌ها، دو ماهواره به نام «اسپات» توسط کشور فرانسه در سال‌های 1986 و 1990 به فضا پرتاب شدند. این ماهواره‌ها هرکدام ناحیه‌ای به وسعت 3500 تا 35000 کیلومترمربع را تصویربرداری می‌نمایند. قدرت تفکیک آن‌ها برای سری اول، 15 متر و برای سری اسپات تقریباً 10 متر است.
در شکل بعد بخشی از نقشه‌ی تهیه شده به کمک تصاویر ماهواره‌ای اسپات، آورده شده است.
ماهوارههای اسپات برای دوری از کشش جو به ترتیب در ارتفاع 700 و 800 کیلومتری بالای زمین گردش می‌کنند و دوربین‌های پیشرفته‌یشان می‌توانند تک تک خانه‌ها را در یک نوار 117 کیلومتری از زمین نمایش دهند. این نوارهای باریک در مدت زمانی 26 روز، تمام زمین را می‌پوشانند.
در تصاویر بعد به ترتیب هم‌پوشانی در تصاویر ماهواره‌ای و پهنای باند تصاویر ماهواره‌ای به تصویر کشیده شده است.
ج ماهوارههای دور:
این دسته از ماهواره‌ها، در ارتفاع بیش از 20000 کیلومتری زمین حرکت می‌کنند. یکی از این ماهواره‌ها، «مته اوسات» نام دارد که در ارتفاع 36000 کیلومتری، همگام با زمین دارای حرکت دورانی است و تصویرهای عددی از یک چهارم کره‌ی زمین را در هر زمان با قدرت تفکیک حدود 5 کیلومتر ثبت می‌نماید. با توجه به اینکه موضع آن‌ها نسبت به زمین ثابت است در محدوده‌ی ثابتی نسبت به ایستگاه، دریافت زمینی دارند و هر 30 دقیقه تصاویری را نیز مخابره می‌کنند.
همچنین 24 ماهواره‌ی «ناواستار» که بخش فضایی سیستم تعیین موقعیت جهانی را تشکیل می‌دهند نیز از جمله‌ی این ماهواره‌ها می‌باشند که در ارتفاع 20200 کیلومتری زمین و در حالی که مدار آن‌ها با دایره‌ی استوایی، زاویه‌ی 55 درجه میسازد، به دور زمین گردش می‌کنند. در هر لحظه و در نقطه از سطح زمین، 3 ماهواره و یا حتی بیشتر در بالای سطح افق قرار می‌گیرند و یک گیرنده با استفاده از علائم ارسالی از این ماهواره‌ها، قادر است موقعیت مکانی خود را تعیین نماید.
روش ثبت اطلاعات در ماهواره
در اینجا می‌خواهیم به ذکر نحوه‌ی ثبت اطلاعات در یکی از دستگاه‌های نسبتاً ساده بپردازیم:
در ماهواره‌ی «اِرت» دو نوع دستگاه ثبت اطلاعات تعبیه شده بود، یکی از آن‌ها 3 دوربین تلویزیونی داشت که این دوربین‌ها دارای لامپ مخصوص و قشر حساس حافظه بودند و به وسیله‌ی آن می‌توانست تصاویر ثبت شده را پس از بسته شدن مردمک عدسی دوربین در حافظه خود نگهدارد. (اهمیت استفاده از این لامپ از آنجایی مشخص می‌گردید که زمان باز بودن مردمک، بسیار کم و در حدود 12 هزارم ثانیه بود).
تصاویر تلویزیونی به مدت 5/3 ثانیه گرفته شده و سپس از روی صفحه‌ی حساس پاک می‌شدند. این عمل هر 25 ثانیه یک بار تکرار می‌گردید.
هرکدام از سه دوربین تلویزیونی نسبت به قسمتی از نوار طیف دارای حساسیت بودند. دوربین اول نسبت به رنگ آبی سیر (با طول موج 475 تا 575 نانومتر) و دوربین دوم نسبت به رنگ زرد نارنجی (طول موج بین 180 تا 580 نانومتر) و دوربین سوم نیز به رنگ قرمز (طول موج 690 تا 830 نانومتر) حساسیت داشتند و سه دوربین در یک زمان از یک منطقه به وسعت 185×185 کیلومتر مربع تصویربرداری می‌کردند.
در فاصلهی زمانی 25 ثانیه، ماهواره مسافت تقریباً 160 کیلومتری را طی می‌نمود. لذا با توجه به ابعاد تصویر، پوششی برابر 25 کیلومتر (حدود 13 درصد) در تصاویر متوالی ایجاد می‌شد؛ و در هریک از نوارهای تصویربرداری روی زمین، عرضی برابر 45 متر به نمایش در می‌آمد؛ اما در عمل ابعاد قابل تشیخص تقریباً 100 متر بود. به عبارتی دیگر اجسام با ابعاد کمتر از 100 در روی تصاویر قابل شناسایی نبودند.
از یک طرف، گردش ماهواره به نحوی بود که هر روز در حدود 150 کیلومتر در خط استوا جابه‌جایی صورت می‌پذیرفت. لذا دو تصویر مجاور در خط استوا حدود 14 درصد و در حوالی عرض جغرافیایی 45 درجه، حدود 34 درصد و در حوالی عرض جغرافیایی 50 درجه حدود 45 درصد پوشش داشتند.
همچنین یک اسکنر آینه‌ای با دامنه‌ی 88/2 درجه که در ثانیه 13 مرتبه نوسان داشت در داخل ماهواره نصب شده بود. این آینه تشعشعات باندی از زمین را که عمود بر جهت حرکت ماهواره و عرض آن در هر نوسان برابر 185 کیلومتر بود، به دوربین ارسال می‌کرد و در صفحه‌ی کانونی دوربین هم 24 سلول کار گذاشته شده بود که هر 6 سلول آن به بخشی از نوار طیف حساسیت داشته و وجود 6 گروه سلول مشابه موجب می‌گردید که در هریک از نوسانات آینه، با توجه به عرض هر نقطه که برابر 70 متر روی زمین بود، مجموعاً نواری به عرض 474 متر تصویربرداری شود.
در شکل بعد، می‌توانید تصویر یک سنجنده را ملاحظه کنید.
نکته
در ایران و در سالیان اخیر، ماهوارههای مختلفی به منظور تصویربرداری از سطح زمین به فضا پرتاب شده که از میان آن‌ها به می‌توان به ماهوارههای «رصد 10» و «نوید علم و صنعت» اشاره کرد.
در شکل بعد می‌توانید تصویر یک ماهواره‌ی در حال پرواز را مشاهده کنید.
