خلاصه کتاب فرونشست زمین و تداخل سنج راداری ( نویسنده رحمان زندی، ربابه فرزین کیا، نجمه شفیعی )

کتاب «فرونشست زمین و تداخل سنج راداری» به قلم رحمان زندی، ربابه فرزین کیا و نجمه شفیعی، راهنمایی جامع برای درک پدیده فرونشست، علل آن، پیامدها و راهکارهای پایش دقیق با استفاده از فناوری های نوین سنجش از دور و نرم افزار SNAP ارائه می دهد. این اثر ارزشمند، با توجه به وضعیت بحرانی آب و فرونشست در ایران، به منبعی حیاتی برای دانشجویان، پژوهشگران و متخصصان تبدیل شده است.

در این مقاله، نگاهی عمیق و کاربردی به مباحث مطرح شده در این کتاب خواهیم داشت. هدف این است که یک خلاصه جامع و ساختاریافته از مهم ترین مفاهیم، روش ها و کاربردهای عملی کتاب ارائه شود تا خوانندگان بتوانند درک سریعی از محتوای آن به دست آورند. این کتاب که توسط انتشارات ماهواره در سال ۱۳۹۸ منتشر شده، در ۱۴۶ صفحه، گام به گام به بررسی یکی از جدی ترین مخاطرات زیست محیطی کشور می پردازد.

درک پدیده فرونشست زمین (برگرفته از فصل ۱ کتاب)

پدیده فرونشست زمین، امروزه به یکی از بزرگترین چالش های زیست محیطی و مهندسی در بسیاری از نقاط جهان، به ویژه در ایران، تبدیل شده است. درک عمیق این پدیده، ابعاد آن و راه های مقابله با آن، از اهمیت ویژه ای برخوردار است. کتاب «فرونشست زمین و تداخل سنج راداری» در فصل اول خود، بنیان های این درک را به شکلی جامع و تحلیلی فراهم می آورد.

تعریف فرونشست و تمایز آن

فرونشست به معنای کاهش تدریجی یا ناگهانی سطح زمین در یک منطقه وسیع است که معمولاً به دلیل فشرده شدن لایه های زیرین خاک و سنگ رخ می دهد. این پدیده با «نشست» (Settlement) که در مهندسی عمران به فرو رفتن سازه های ساختمانی در اثر بارگذاری اشاره دارد، متفاوت است. فرونشست یک پدیده ژئوفیزیکی گسترده است که کل یک منطقه را تحت تأثیر قرار می دهد، در حالی که نشست بیشتر یک مسئله محلی و مربوط به زیرساخت هاست. این تمایز اهمیت دارد، زیرا سازوکارهای ایجاد و پیامدهای آن ها نیز متفاوت خواهد بود. فرونشست اغلب ناشی از تغییرات در تعادل طبیعی زیرسطحی است، در حالی که نشست بیشتر به بارگذاری های مصنوعی انسانی مرتبط می شود.

تاریخچه فرونشست

مطالعه فرونشست زمین قدمتی طولانی دارد و به قرن ها پیش بازمی گردد. با این حال، با رشد شهرنشینی، توسعه صنعتی و افزایش نیاز به منابع آبی، اهمیت این پدیده در دهه های اخیر به شدت افزایش یافته است. در سطح جهانی، مناطق وسیعی از مکزیکوسیتی تا جاکارتا و بسیاری از شهرهای ساحلی دچار فرونشست قابل توجهی شده اند. در ایران نیز، با توجه به اقلیم خشک و نیمه خشک و بهره برداری بی رویه از منابع آب زیرزمینی، فرونشست به یک بحران ملی تبدیل شده است. دشت های وسیعی در سراسر کشور، از جمله دشت تهران، اصفهان، مشهد، کرمان و یزد، با نرخ های نگران کننده ای در حال فرونشست هستند که پیامدهای جبران ناپذیری برای زیرساخت ها، کشاورزی و منابع آبی در پی دارد.

علل اصلی فرونشست

فرونشست زمین می تواند ناشی از عوامل مختلفی باشد، اما در ایران، یک عامل اصلی و برجسته، ریشه یابی این بحران را آسان می کند.

برداشت بی رویه آب های زیرزمینی: عامل اصلی در ایران

بخش عمده ای از فرونشست در ایران به دلیل برداشت بی رویه از آبخوان ها و سفره های آب زیرزمینی رخ می دهد. زمانی که آب از منافذ بین ذرات رسوبات زیرزمینی خارج می شود، این ذرات به هم نزدیک تر شده و فشرده می شوند. این فشرده شدگی منجر به کاهش حجم لایه های خاک و در نتیجه، فرونشست سطح زمین می گردد. آمارها نشان می دهد که در بسیاری از دشت های ایران، سطح آب های زیرزمینی با سرعت نگران کننده ای در حال افت است و این افت مستقیماً با افزایش نرخ فرونشست مرتبط است. این وضعیت با پیزومترهای مشاهده ای که سال هاست وضعیت سطح آب چاه ها را ثبت می کنند، تأیید شده است.

سایر عوامل طبیعی و انسانی

در کنار برداشت آب های زیرزمینی، عوامل دیگری نیز می توانند در ایجاد فرونشست نقش داشته باشند. این عوامل شامل فعالیت های تکتونیکی (جابه جایی صفحات زمین)، بارگذاری سازه های سنگین بر روی خاک های سست، و استخراج منابع زیرزمینی مانند نفت، گاز و مواد معدنی است. اگرچه نقش این عوامل در مقیاس های محلی و خاص خود اهمیت دارد، اما در مقیاس ملی و در ارتباط با گستردگی فرونشست در ایران، برداشت بی رویه آب های زیرزمینی عامل غالب و نگران کننده تری به شمار می رود.

بحران آب زیرزمینی در ایران و ارتباط آن با فرونشست

بحران آب زیرزمینی در ایران، پدیده ای است که ارتباطی ناگسستنی با فرونشست زمین دارد و هر دو یک چرخه معیوب از تخریب محیط زیست را تشکیل می دهند. این کتاب به تفصیل به این ارتباط می پردازد.

آمار و اطلاعات کلیدی آب شیرین جهان و ایران

از کل منابع آبی کره زمین، تنها حدود ۳ درصد شیرین است که از این میزان نیز، تقریباً ۷۰ درصد آن به صورت یخ و برف در قطبین و مناطق کوهستانی ذخیره شده و از دسترس خارج است. باقی مانده، یعنی حدود ۳۰ درصد آب شیرین در دسترس، را آب های زیرزمینی تشکیل می دهند. این آمار نشان می دهد که آب های زیرزمینی چقدر برای ادامه حیات و فعالیت های انسانی حیاتی هستند. با این حال، استفاده بی رویه از این منابع، به ویژه در کشورهایی با اقلیم خشک مانند ایران، به یک معضل جدی تبدیل شده است.

وضعیت بهره برداری و پیامدهای احداث سدها

ایران به عنوان کشوری که در کمربند خشک و نیمه خشک جهانی قرار دارد، همواره با چالش کمبود آب روبرو بوده است. متأسفانه، آمارها نشان دهنده فاجعه ای زیست محیطی در این زمینه هستند. سازمان توسعه بین المللی توصیه می کند که یک کشور حداکثر تا ۴۰ درصد از منابع آب تجدیدپذیر خود را برداشت کند. در این میان، ایران با نرخ برداشت ۹۶ درصدی و مصر با ۴۶ درصدی، در صدر کشورهای با بیشترین برداشت از منابع آب تجدیدپذیر قرار دارند که خود گویای عمق فاجعه است. برداشت ۷ میلیون متر مکعب آب غیرمجاز از سفره های آب زیرزمینی نیز به این بحران دامن می زند.

آمارها نشان می دهد ایران با نرخ برداشت ۹۶ درصدی از منابع آب تجدیدپذیر، در صدر کشورهای جهان قرار دارد که نشانه ای از بحران آب زیرزمینی و تشدید فرونشست است.

همچنین، احداث بی رویه سدها بر رودخانه ها با هدف مهار آب برای کشاورزی، شرب و صنعت، به خشک شدن بسیاری از رودخانه ها و تالاب های کشور منجر شده است. امروزه، ۱۶ تالاب و دریاچه اصلی کشور بین ۹۰ تا ۱۰۰ درصد خشک شده اند و سدها بیش از ۹۵ درصد از آب های روان کشور را مهار کرده اند. این اقدامات، علاوه بر از بین بردن اکوسیستم های آبی، فشار مضاعفی بر آب های زیرزمینی وارد آورده و فرونشست را تشدید کرده است.

صنایع آب بر در مناطق کویری

نکته نگران کننده دیگر، احداث کارخانجات صنایع آب بر مانند فولاد در مناطق کویری و خشک ایران است. در حالی که در اکثر نقاط دنیا، این صنایع در کنار دریاها و منابع آب پایدار تأسیس می شوند، در ایران شاهد استقرار آن ها در مناطقی نظیر یزد، کرمان، سبزوار و اصفهان هستیم. این صنایع با مصرف سرسام آور آب، همچون «هیولاهایی بزرگ»، تمام منابع آب سطحی و زیرزمینی این مناطق را می بلعند و پیامدهای جبران ناپذیری از جمله تشدید فرونشست را به همراه دارند. این واقعیت ها، اهمیت شناخت سازوکار فرونشست و روش های ارزیابی آن را بیش از پیش آشکار می سازند.

پیامدهای مخرب فرونشست

فرونشست زمین تنها یک پدیده ژئوفیزیکی نیست، بلکه مجموعه ای از پیامدهای مخرب را به دنبال دارد که زندگی انسان ها، زیرساخت ها و اکوسیستم ها را تحت تأثیر قرار می دهد. این پیامدها بسیار گسترده و در بسیاری موارد غیرقابل جبران هستند.

• تخریب زیرساخت ها: ساختمان ها، جاده ها، پل ها، خطوط راه آهن، خطوط لوله آب، گاز و نفت و شبکه های فاضلاب از جمله اولین قربانیان فرونشست هستند. ترک خوردگی، کج شدگی و فروریزش این سازه ها می تواند منجر به خسارات مالی هنگفت، حوادث ناگوار و اختلال در زندگی روزمره شود.
• آثار بر منابع آب: افت سطح آب های زیرزمینی به دلیل فرونشست، می تواند منجر به شور شدن آبخوان ها، کاهش کیفیت آب آشامیدنی و کشاورزی و از بین رفتن چاه ها و قنوات شود. این امر به نوبه خود، بحران آب را تشدید کرده و دسترسی به منابع آب شیرین را با چالش مواجه می سازد.
• تغییرات زیست محیطی: فرونشست می تواند اکوسیستم های طبیعی را به هم بزند. تغییر در سطح آب زیرزمینی، تالاب ها و پوشش گیاهی منطقه را تحت تأثیر قرار داده و منجر به بیابان زایی و از بین رفتن تنوع زیستی می شود.
• پیامدهای اقتصادی: خسارات وارده به زیرساخت ها، کاهش بهره وری کشاورزی، هزینه های بالای ترمیم و بازسازی، و از دست رفتن منابع طبیعی، همگی پیامدهای اقتصادی سنگینی را بر کشور تحمیل می کنند. این امر می تواند رشد اقتصادی را کند کرده و زندگی معیشتی جوامع محلی را با تهدید مواجه سازد.

درک این پیامدها، ضرورت پرداختن فوری به مسئله فرونشست و استفاده از روش های پایش دقیق را بیش از پیش آشکار می سازد تا از گسترش این بحران و خسارات بیشتر جلوگیری شود.

روش های پایش و ارزیابی فرونشست (برگرفته از فصل ۲ کتاب)

با توجه به گستردگی و پیامدهای جدی فرونشست، پایش مستمر و دقیق این پدیده از اهمیت بالایی برخوردار است. فصل دوم کتاب به بررسی روش های مختلفی می پردازد که برای ارزیابی و پایش فرونشست به کار می روند، از روش های سنتی گرفته تا فناوری های نوین سنجش از دور.

مروری بر روش های سنتی پایش فرونشست

پیش از ظهور فناوری های نوین، پایش فرونشست عمدتاً از طریق روش های زمینی انجام می شد. این روش ها شامل موارد زیر است:

• تسطیح دقیق (Levelling): این روش یکی از دقیق ترین راه های اندازه گیری تغییرات ارتفاعی در نقاط مشخص است. با استفاده از تجهیزات نقشه برداری دقیق، ارتفاع نقاط نسبت به یک مرجع ثابت اندازه گیری می شود. تکرار اندازه گیری ها در بازه های زمانی مشخص، امکان تعیین میزان فرونشست را فراهم می آورد.
• GPS (Global Positioning System): گیرنده های GPS می توانند موقعیت نقاط را با دقت بالا (در حد میلی متر برای GPSهای ژئودتیک) اندازه گیری کنند. با نصب گیرنده های ثابت در مناطق مورد مطالعه و پایش تغییرات ارتفاعی آن ها در طول زمان، می توان نرخ فرونشست را تخمین زد.
• پیزومترها: پیزومترها ابزارهایی هستند که برای اندازه گیری سطح آب زیرزمینی در چاه ها نصب می شوند. افت سطح آب زیرزمینی یکی از عوامل اصلی فرونشست است، بنابراین پایش سطح آب می تواند به طور غیرمستقیم اطلاعاتی در مورد پتانسیل فرونشست ارائه دهد.

با وجود دقت بالای برخی از این روش ها، آن ها دارای محدودیت های قابل توجهی هستند: هزینه های بالا، زمان بر بودن جمع آوری داده ها، و محدودیت در پوشش فضایی. این روش ها تنها می توانند اطلاعات نقاطی مشخص را ارائه دهند و برای پایش مناطق وسیع کارایی چندانی ندارند.

نقش سنجش از دور در پایش فرونشست

سنجش از دور، به عنوان یک فناوری انقلابی، محدودیت های روش های سنتی را برطرف کرده و امکان پایش فرونشست را در مقیاس های وسیع و با دقت بالا فراهم آورده است. این فناوری شامل جمع آوری اطلاعات از سطح زمین بدون تماس فیزیکی، معمولاً با استفاده از ماهواره ها یا هواپیماها، است. مزایای اصلی سنجش از دور شامل موارد زیر است:

• پوشش وسیع: ماهواره ها می توانند در یک گذر، داده های مربوط به مناطق بسیار وسیعی را جمع آوری کنند.
• پایش دوره ای و منظم: ماهواره ها به طور منظم از یک منطقه عبور می کنند و امکان پایش تغییرات در طول زمان را فراهم می آورند.
• دقت بالا: برخی از تکنیک های سنجش از دور، مانند تداخل سنجی راداری، قادر به اندازه گیری جابه جایی های میلی متری هستند.
• هزینه کمتر در مقیاس وسیع: در مقایسه با روش های سنتی که برای پوشش مناطق بزرگ نیاز به نیروی انسانی و تجهیزات فراوان دارند، سنجش از دور کارآمدتر است.

تاریخچه استفاده از رادار در سنجش از دور به دهه های میانی قرن بیستم بازمی گردد و با توسعه ماهواره های تصویربرداری راداری، امکانات بی سابقه ای برای پایش پدیده های ژئودینامیکی مانند فرونشست فراهم شده است.

اصول اولیه سیگنال راداری و اجزاء سیستم تصویربرداری

سیستم های راداری فعال هستند، به این معنی که خودشان امواج الکترومغناطیسی (مایکروویو) را به سمت زمین ارسال و سپس امواج بازتابی را دریافت می کنند. این ویژگی باعث می شود که رادار بتواند در شرایط ابری و حتی در شب نیز تصویربرداری کند. مفاهیم کلیدی در سیگنال راداری عبارتند از:

• قطبیدگی (Polarization): جهت گیری میدان الکتریکی موج راداری را توصیف می کند. با تغییر قطبیدگی موج ارسالی و دریافتی، می توان اطلاعات متفاوتی در مورد ویژگی های فیزیکی سطح زمین به دست آورد.
• توان تفکیک (Resolution): توانایی سیستم راداری در تشخیص جزئیات کوچک روی سطح زمین را نشان می دهد. توان تفکیک بالا به معنای قابلیت مشاهده عوارض کوچک تر است.
• هندسه تصویربرداری رادار: نحوه قرارگیری ماهواره نسبت به زمین و زاویه تابش سیگنال راداری بر کیفیت و نوع داده های دریافتی تأثیرگذار است. این هندسه شامل مؤلفه هایی مانند زاویه فرود و هندسه دید ماهواره است.

اجزای سیستم تصویربرداری راداری شامل فرستنده، آنتن، گیرنده و واحد پردازش سیگنال است که با همکاری یکدیگر تصاویر راداری را تولید می کنند.

معرفی تکنیک تداخل سنجی راداری (InSAR)

تکنیک تداخل سنجی راداری (Interferometric Synthetic Aperture Radar یا InSAR) یک روش پیشرفته سنجش از دور است که برای اندازه گیری تغییر شکل های سطح زمین با دقت میلی متری به کار می رود. این روش بر پایه مقایسه فاز سیگنال های راداری بازتابی از یک منطقه در دو زمان مختلف (یا از دو موقعیت مداری متفاوت) استوار است.

اصول InSAR و اندازه گیری جابه جایی

اصول InSAR بر پایه پدیده ی تداخل (Interference) امواج راداری است. زمانی که دو تصویر راداری از یک منطقه در دو زمان متفاوت گرفته می شوند، اگر در این بازه زمانی سطح زمین جابه جایی داشته باشد، فاز سیگنال های بازتابی نیز تغییر می کند. این تغییر فاز، که به آن فاز تداخلی گفته می شود، مستقیماً به میزان جابه جایی سطح زمین در راستای خط دید ماهواره مربوط است. با تحلیل الگوهای تداخلی (نوارهای فاز)، می توان جابه جایی های بسیار کوچک، حتی در حد چند میلی متر را شناسایی و اندازه گیری کرد.

هندسه تداخل سنجی راداری

درک هندسه InSAR برای موفقیت این روش ضروری است. این هندسه شامل فاصله بین دو نقطه تصویربرداری ماهواره در مدار (Baseline)، ارتفاع زمین، و زاویه دید ماهواره است. تغییرات در این پارامترها بر دقت و کیفیت اینترفروگرام (نقشه تداخل فاز) تأثیر می گذارد. Baseline های فضایی و زمانی برای تولید یک اینترفروگرام معتبر، حیاتی هستند. تداخل سنجی می تواند تک گذر (برای مدل های ارتفاعی) یا دوگذر (برای تغییر شکل های زمین) باشد.

محدودیت ها و چالش های InSAR

با وجود مزایای فراوان، روش InSAR نیز دارای محدودیت هایی است:

• دکوهیرنس (Decorrelation): تغییرات در پوشش گیاهی، برف، یا تغییرات هندسی سطح زمین بین دو زمان تصویربرداری می تواند باعث از بین رفتن همبستگی فاز و دشواری در اندازه گیری جابه جایی شود.
• خطای اتمسفریک: تغییرات در رطوبت و فشار اتمسفر می تواند باعث تأخیر در سیگنال راداری شده و خطاهایی را در محاسبه فاز ایجاد کند. این خطاها باید به دقت مدل سازی و حذف شوند.
• پوشش گیاهی متراکم: در مناطق دارای پوشش گیاهی متراکم، سیگنال رادار ممکن است به سطح زمین نرسد و اندازه گیری دقیق جابه جایی ها را دشوار سازد.

ماهواره های راداری و اهمیت داده های Sentinel

ماهواره های مختلفی برای تصویربرداری راداری وجود دارند، اما داده های ماهواره Sentinel-1 از برنامه کوپرنیک اتحادیه اروپا، به دلیل دسترسی رایگان، پوشش جهانی، و بازه زمانی کوتاه بازگشت (۶ تا ۱۲ روز)، اهمیت ویژه ای در مطالعات فرونشست پیدا کرده اند. این داده ها امکان پایش مداوم و وسیع مناطق را با جزئیات بالا فراهم می آورند و به ابزاری قدرتمند برای پژوهشگران و متخصصان تبدیل شده اند.

راهنمای گام به گام محاسبه فرونشست با تداخل سنجی راداری و نرم افزار SNAP (برگرفته از فصل ۳ کتاب)

یکی از ارزشمندترین بخش های کتاب، ارائه راهنمایی عملی و گام به گام برای محاسبه فرونشست با استفاده از تکنیک InSAR و نرم افزار رایگان SNAP است. این بخش، دانش نظری را به کاربرد عملی تبدیل می کند و به مخاطبان امکان می دهد تا خودشان نیز این محاسبات را انجام دهند. این فرآیند، مجموعه ای از مراحل دقیق پردازش تصویر است که هر کدام نقش مهمی در استخراج نتایج صحیح ایفا می کنند.

آماده سازی داده ها

قبل از شروع پردازش، نیاز به آماده سازی داده های لازم است. این مرحله شامل شناخت داده ها و نحوه دسترسی به آن ها می شود.

معرفی و ویژگی های داده های Sentinel-1

داده های Sentinel-1 که توسط آژانس فضایی اروپا (ESA) منتشر می شوند، داده های راداری با وضوح بالا هستند که در باند C کار می کنند. این داده ها به صورت رایگان در دسترس عموم قرار دارند و به دلیل زمان بازگشت کوتاه (۶ روز برای Sentinel-1A و Sentinel-1B در کنار هم، و ۱۲ روز برای هر ماهواره به تنهایی)، برای پایش تغییرات پویا مانند فرونشست بسیار مناسب اند. تصاویر Sentinel-1 در حالت های مختلفی مانند IW (Interferometric Wide Swath) جمع آوری می شوند که برای کاربردهای InSAR بسیار ایده آل هستند.

نحوه دانلود تصاویر ماهواره ای سنتینل 1

تصاویر Sentinel-1 را می توان از پلتفرم های رسمی ESA مانند Copernicus Open Access Hub (قبلاً Sentinels Scientific Data Hub) دانلود کرد. کاربران باید ابتدا در این پلتفرم ثبت نام کرده، سپس با استفاده از فیلترهای زمانی و مکانی مناسب، تصاویر مورد نیاز خود را جستجو و دانلود کنند. انتخاب دو تصویر با اختلاف زمانی مناسب (معمولاً چند ماه تا یک سال) که از یک منطقه گرفته شده اند و دارای مشخصات مداری نزدیک به هم هستند (Baseline مناسب)، برای ایجاد یک اینترفروگرام معتبر ضروری است.

مراحل عملی پردازش تصاویر در نرم افزار SNAP

نرم افزار SNAP (Sentinel Application Platform) یک ابزار رایگان و قدرتمند برای پردازش داده های سنجش از دور، به ویژه داده های Sentinel است. کتاب به تفصیل مراحل پردازش InSAR در این نرم افزار را شرح می دهد:

Split (تقسیم)

اولین گام پس از دانلود، تقسیم تصویر راداری بزرگ به بخش های کوچک تر و مرتبط با منطقه مورد مطالعه است. تصاویر Sentinel-1 معمولاً دارای سه زیر-نوار (sub-swath) هستند (IW1, IW2, IW3). مرحله Split به کاربر امکان می دهد تا تنها نوار مورد نظر و یا بخشی از آن را برای پردازش های بعدی انتخاب کند تا حجم داده ها کاهش یابد و پردازش سریع تر انجام شود.

Apply Orbit (اعمال مدار)

در این مرحله، اطلاعات دقیق مداری ماهواره (Orbit State Vectors) به داده های تصویر اضافه می شود. این اطلاعات برای تصحیح خطاهای ناشی از انحرافات جزئی ماهواره از مدار ایده آل و همچنین برای محاسبه دقیق فاصله بین نقاط مشاهده شده و ماهواره در زمان های مختلف ضروری است. اعمال مدار دقیق باعث افزایش دقت اندازه گیری های InSAR می شود.

Coregistration (هم رجیستری)

این گام از حیاتی ترین مراحل است. Coregistration به معنای هم تراز کردن دقیق دو تصویر راداری (تصویر اصلی و تصویر ثانویه) با یکدیگر است، به گونه ای که هر پیکسل در یک تصویر با پیکسل متناظر خود در تصویر دیگر مطابقت داشته باشد. دقت میلی متری InSAR به شدت به Coregistration دقیق وابسته است. در SNAP، این مرحله معمولاً شامل استفاده از مدل ارتفاعی رقومی (DEM) و الگوریتم های تطبیق برای رسیدن به دقت زیر پیکسلی است.

تولید اینترفروگرام (Interferogram Generation)

پس از Coregistration، نوبت به تولید اینترفروگرام می رسد. در این مرحله، فاز تصویر اصلی از فاز تصویر ثانویه تفریق می شود. نتیجه این تفریق، نقشه ای از فاز تداخلی است که نوارهای رنگی را نشان می دهد. هر چرخه کامل رنگ (از یک رنگ تا همان رنگ مجدد) نشان دهنده جابه جایی معینی از سطح زمین در راستای خط دید ماهواره است. این نقشه اولیه، مبنای اصلی برای محاسبه فرونشست است.

یکپارچه سازی تصویر (Deburst)

تصاویر Sentinel-1 از چندین burst یا بخش کوچک تر تشکیل شده اند که در کنار هم یک نوار تصویربرداری را می سازند. مرحله Deburst برای یکپارچه سازی و پیوستن این burstها به یک تصویر واحد و بدون درز انجام می شود تا تحلیل های پیوسته و یکپارچه امکان پذیر باشد. این مرحله پس از تولید اینترفروگرام و قبل از حذف فاز توپوگرافی انجام می گیرد.

حذف فاز توپوگرافی (Topographic Phase Removal)

نقشه اینترفروگرام علاوه بر جابه جایی زمین، شامل اطلاعات فازی ناشی از توپوگرافی (ارتفاع) منطقه نیز هست. از آنجایی که هدف ما اندازه گیری جابه جایی است، فاز ناشی از توپوگرافی باید حذف شود. این کار با استفاده از یک مدل ارتفاعی رقومی (DEM) دقیق انجام می شود. DEM اطلاعات ارتفاعی منطقه را فراهم می کند و SNAP با استفاده از آن، مؤلفه فازی مربوط به ارتفاع را از اینترفروگرام کسر می کند تا تنها فاز ناشی از تغییر شکل زمین باقی بماند.

فیلتر گلداشتاین (Goldstein Filter)

اینترفروگرام های خام معمولاً دارای نویز زیادی هستند که تحلیل آن ها را دشوار می کند. فیلتر گلداشتاین یکی از فیلترهای رایج برای کاهش نویز در اینترفروگرام هاست. این فیلتر با تقویت سیگنال واقعی و تضعیف نویز، نوارهای تداخلی را واضح تر کرده و امکان عملیات واپیچی فاز را بهبود می بخشد. اعمال این فیلتر به روان تر شدن و تفسیرپذیری بهتر اینترفروگرام کمک می کند.

عملیات واپیچی فاز (Phase Unwrapping) و SNAPHU

فاز تداخلی که از اینترفروگرام به دست می آید، در بازه [-π, π] (یا 0 تا 2π) محدود می شود (واپیچی شده). این بدان معناست که ما تنها تغییرات فاز را در یک بازه می بینیم و نمی دانیم که چند چرخه کامل از فاز رخ داده است. عملیات واپیچی فاز (Phase Unwrapping) به فرآیند تبدیل فاز واپیچی شده به فاز مطلق و پیوسته اشاره دارد. این گام یکی از چالش برانگیزترین بخش های پردازش InSAR است و نیاز به دقت بالایی دارد. نرم افزار SNAPHU (Statistical-cost Network-flow Algorithm for Phase Unwrapping) یک ابزار خارجی است که به طور معمول با SNAP یکپارچه شده و برای انجام این عملیات پیچیده به کار می رود. SNAPHU با حل یک مسئله بهینه سازی، بهترین تخمین از فاز مطلق را ارائه می دهد و نوارهای فاز را به یک سطح جابه جایی پیوسته تبدیل می کند.

تعیین میزان جابه جایی (Displacement Calculation)

پس از واپیچی فاز، می توان فاز مطلق را به جابه جایی فیزیکی در راستای خط دید ماهواره تبدیل کرد. این تبدیل با استفاده از یک رابطه ریاضی ساده انجام می شود که طول موج رادار را به تغییر فاز نسبت می دهد. نتیجه این مرحله، نقشه ای است که میزان جابه جایی هر پیکسل را به واحد میلی متر یا سانتی متر نمایش می دهد. این نقشه، هسته اصلی اطلاعات فرونشست است و به پژوهشگران اجازه می دهد تا مناطق دارای بیشترین فرونشست را شناسایی کنند.

زمین مرجع نمودن (Geometric Referencing)

مرحله زمین مرجع نمودن (Geometric Referencing) به معنای تبدیل مختصات پیکسلی تصویر به مختصات جغرافیایی (عرض و طول جغرافیایی) است. این کار امکان می دهد تا نقشه جابه جایی به طور دقیق بر روی نقشه های پایه یا در سیستم های اطلاعات جغرافیایی (GIS) نمایش داده شود و با سایر داده های مکانی ترکیب گردد. این مرحله شامل تصحیحات هندسی برای رفع اعوجاجات ناشی از هندسه رادار و توپوگرافی زمین است.

تولید تصویر نهایی نقشه فرونشست و نمایش در Google Earth

در نهایت، پس از انجام تمامی مراحل پردازش، یک نقشه نهایی از فرونشست زمین تولید می شود. این نقشه می تواند به صورت یک تصویر رنگی نمایش داده شود که مناطق با فرونشست بیشتر را با رنگ های متفاوت مشخص می کند. نرم افزار SNAP امکان خروجی گرفتن از این نقشه در فرمت های مختلف (مانند GeoTIFF) را فراهم می آورد که سپس می توان آن را به راحتی در نرم افزارهای GIS مانند ArcGIS یا Google Earth بارگذاری کرد. نمایش نقشه فرونشست در Google Earth به کاربران اجازه می دهد تا پیامدهای فرونشست را در محیط واقعی و بر روی تصاویر ماهواره ای آشنا مشاهده کنند و درک بهتری از وسعت و شدت این پدیده در مناطق مختلف به دست آورند.

فناوری تداخل سنجی راداری با استفاده از نرم افزار SNAP، ابزاری قدرتمند برای پایش میلی متری فرونشست زمین فراهم می کند که به مدیریت دقیق تر مخاطرات کمک می کند.

کتاب حاضر با ارائه این مراحل گام به گام، نه تنها یک مرجع نظری است، بلکه به عنوان یک راهنمای عملی برای هر کسی که علاقه مند به انجام مطالعات فرونشست با استفاده از سنجش از دور است، عمل می کند. این بخش، به تنهایی، ارزش عملی و آموزشی فراوانی برای دانشجویان و متخصصان دارد.

نتیجه گیری

کتاب «فرونشست زمین و تداخل سنج راداری» که به قلم رحمان زندی، ربابه فرزین کیا و نجمه شفیعی به رشته تحریر درآمده، گوهری ارزشمند در زمینه درک و پایش یکی از بحرانی ترین مخاطرات زیست محیطی امروز، یعنی فرونشست زمین، به شمار می رود. این اثر با رویکردی جامع، از مفاهیم پایه و علل اصلی فرونشست، به ویژه نقش بحران آب زیرزمینی در ایران، تا پیچیده ترین روش های پایش با استفاده از تکنیک تداخل سنجی راداری (InSAR) و نرم افزار قدرتمند SNAP را پوشش می دهد.

مباحث مطرح شده در این کتاب، اهمیت حیاتی پایش دقیق و مستمر فرونشست را با استفاده از تکنیک های نوین سنجش از دور برجسته می سازد. در شرایطی که دشت های وسیعی از کشور با نرخ های نگران کننده ای در حال فرونشست هستند، استفاده از ابزارهایی مانند InSAR و نرم افزار SNAP، راهکاری کارآمد برای مدیریت منابع آب، برنامه ریزی شهری، و توسعه پایدار در ایران محسوب می شود. این فناوری ها به ما اجازه می دهند تا تغییرات میلی متری سطح زمین را رصد کنیم و اطلاعات لازم برای اتخاذ تصمیمات آگاهانه در اختیار مدیران و پژوهشگران قرار دهیم.

برای هر دانشجو، پژوهشگر، یا متخصصی که در رشته های زمین شناسی، ژئومورفولوژی، سنجش از دور، مهندسی عمران، و منابع آب فعالیت می کند، مطالعه نسخه کامل این کتاب قویاً توصیه می شود. این اثر نه تنها دیدگاهی جامع و علمی ارائه می دهد، بلکه با راهنمایی های عملی در زمینه کار با نرم افزار SNAP، پلی میان تئوری و عمل برقرار می سازد. امید است که دانش کسب شده از این کتاب و مقاله، الهام بخش پژوهش ها و کاربردهای عملی بیشتری در راستای مقابله با پدیده فرونشست و حفاظت از گنجینه های طبیعی کشور باشد.

منابع

زندی، رحمان؛ فرزین کیا، ربابه؛ شفیعی، نجمه (۱۳۹۸). فرونشست زمین و تداخل سنج راداری. انتشارات ماهواره، ۱۴۶ صفحه. شابک 978-600-459-545-2.

برای کسب جزئیات فنی و عملی بیشتر و دسترسی به اطلاعات کامل این کتاب ارزشمند، رجوع به منبع اصلی الزامی است.