اگر با حوزه‌ی سنجش از راه دور آشنایی داشته باشید احتمالا با تصاویر چندطیفی و فراطیفی آشنایی داشته باشین. در این دانشنامه در تلاشیم به معرفی تصاویر چند طیفی و فراطیفی و کاربرد آن‌ها در صنایع مختلف از جمله سنجش از راه دور بپردازیم.
برای شناخت انواع تصاویر RGB، چند طیفی و فراطیفی از شناخت امواج الکترومغناطیس آغاز می‌کنیم. به صورت کلی امواج موجود در پیرامون ما طیف وسیعی از طول موج‌ها را شامل می‌شوند. همان گونه که در شکل زیر مشاهده می‌کنید این طیف از طول موج‌های بسیار کوتاه تا طول موج‌های بلند را شامل می‌شود.
این در حالی است که چشم ما تنها قادر به مشاهده‌ی بازه‌ی بسیار محدودی از این طیف هست. بازه‌ای که اصطلاحا با نام ” نور مرئی” معرفی می‌شود.
دوربین‌های RGB با دریافت پرتوهایی در این محدوده، می‌توانند با ترکیب سه باند اصلی قرمز، سبز و آبی به تولید تصاویر قابل مشاهده توسط چشم انسان بپردازند.
شاید جالب باشد که بدانید ماهی قرمز توانایی مشاهده‌ی امواج مادون قرمز را دارد. این در حالیست که زنبور عسل امواج فرابنفش را می‌بیند!
تا این جا دانستیم تمام تصاویری که ما به کمک دوربین‌های معمولی موجود در اطرافمان مشاهده می‌کنیم در محدوده‌ی طیف نور مرئی قرار دارند. سوالی که پیش می‌‌آید این است. آیا سایر امواج غیر قابل اندازه‌گیری و مشاهده هستند؟!!!
پاسخ واضح است. خیر! وجود سنسورها و ابزارهایی خاص این امکان را برای بشر به وجود آورده است که گرچه قابلیت مشاهده‌ی این امواج را ندارد ولی می‌تواند به کمک این سنسورها از وجود آن‌ها مطلع شده و حتی برخی را با دقت‌های بالا دریافت و ذخیره نماید!
تصاویر چند طیفی و فراطیفی
دوربین‌های چندطیفی قابلیت دارند که تعداد محدودی از باندهای طیف الکترومغناطیس را حس کنند. شاید برایتان سوال شده باشد که مفهوم باند چیست؟!
باند به طیفی کوچک از امواج الکترومغناطیس گفته می‌شود. به طور مثال در تصویر اول می‌توانید باندهایی که توسط یک دوربین چند طیفی دریافت و حس می‌شود را مشاهده نمایید. همانگونه که می‌بینید، تعداد این باندها کم (در حدود 4 یا 5 باند) بوده و همچنین ضخامت این باندها نسبتا زیاد است! این در حالی است که در تصاویر فراطیفی (تصویر دوم) ضمن افزایش تعداد باندهای طیفی، پهنای هر کدام کمتر شده و به عبارتی باند طیفی باریک‌تر شده است.
این موضوع موجب افزایش دقت و کارایی دوربین‌های فراطیفی نسبت به دوربین‌های چندطیفی شده است. همچنین روشن است که تصاویر چند طیفی نیز به صورت قابل توجهی دربردارنده‌ی داده‌های بیشتری نسبت به دوربین‌های معمولی هستند.
در تصاویر چند طیفی متفاوت می‌توان باندهای زیر را مشاهده نمود. البته مشخص است که نوع دوربین و دقت آن در اعداد گزارش شده برای طول موج هر باند تاثیر گذار است.
- باند آبی: 450– 515 نانومتر
- باند سبز: 515…520 –..600 نانومتر
- باند قرمز: 600…630 –..690 نانومتر
- باند نزدیک مادون قرمز: 750 – 900 نانومتر
- باند میان مادون قرمز: 1550 – 1750 نانومتر
- باند دور مادون قرمز: 2080 – 2350 نانومتر
- باند مادون قرمز حرارتی: 10400 – 12500 نانومتر
کاربرد تصاویر چند طیفی و فراطیفی
با توجه به گسترش کاربرد تصاویر چند طیفی و فراطیفی در صنایع مختلف از جمله نقشه‌برداری هوایی، کشاورزی و همچنین مطالعات جمعیت‌شناسی، کاربرد این دوربین‌ها نیز به مرور افزایش یافته‌است. به طور مثال در ارتباط با کاربرد این دوربین‌ها در کشاورزی، مشاهده شده است گیاهان در وضعیت‌های متفاوت سلامتی، پرتوهای مختلفی (طول موج‌های متفاوتی از امواج الکترومغناطیس) را بازتاب می‌کنند. به طور مثال مشاهده می‌شود گیاهان در حالت سالم پرتوی NIR بیشتری را نسبت به حالت تحت تنش بازتاب می‌کنند. همچنین امواج بازتاب شده از زمین و خاک همانند اثر انگشت، شاخصه‌ی هر زمین و خاک است و می‌تواند به خوبی مواد و املاح موجود در آن را متمایز نماید.
این دوربین‌ها و سنسورها در ابتدا به صورت محدود و با کیفیت نه چندان بالا بر روی برخی ماهواره‌ها نصب می‌شدند و در بررسی‌های جوی، خاکی و کشاورزی مورد استفاده قرار می‌گرفته‌اند اما با پیشرفت تکنولوژی و ظهور سنسور‌های پیشرفته‌تر و دقیق‌تر علاوه بر بهبود دوربین‌های موجود بر روی ماهواره‌ها، این دوربین‌ها با ابعاد کوچک‌تر بر روی پهپادها نیز نصب شده‌اند.
از مهم ترین کاربردهای کنونی این سنسورها، در تهیه و تحلیل داده‌های مور نیاز در کشاورزی دقیق است. برای مطالعه‌ی بیشتر در ارتباط با کشاورزی دقیق، می‌توانید دانشنامه‌ی کشاورزی دقیق ما را مطالعه نمایید.
در عکس زیر یک نمونه تصویر چندطیفی تهیه شده توسط شرکت آسمان سرخ آدینه را مشاهده می‌کنید. عکس سمت چپ مرتبط با نقشه‌ی RGB یک زمین کشاورزی است. در حالیکه تصاویر سمت راست نقشه‌های طیفی مرتبط با آن را ارائه می‌دهند. با تحلیل داده‌های حاصل از نقشه‌ها و معرفی شاخص‌هایی به نام شاخص‌های کشاورزی می‌توان به این نقشه‌ها مفهوم داد و از آن‌ها نتایجی بسیار تاثیر گذار همچون وضعیت سلامت محصول، خاک و …. را استخراج کرد. علاوه بر این مواد مضر موجود در خاک نیز قابل شناسایی و حذف می‌باشند.
از زمین شناسی تا پزشکی
از دیگر کاربردهای این تصاویر در سنجش از راه دور می‌توان به بررسی تغییرات زمین‌شناسی، شناسایی الگوهای آب و هوایی و همچنین مبارزه با جنگل‌زدایی اشاره نمود.
علاوه بر کاربرد این تصاویر در سنجش از راه دور، این تصاویر در پزشکی نیز کاربرد ویژه‌ای دارند. به طور مثال تصویر برداری فراطیفی غیر تهاجمی این امکان را برای پزشکان فراهم کرده است که در تشخیص بیماری‌های پوستی با دقت بهتری تصمیم‌گیری نمایند. همچنین از این نوع تصویر برداری برای شناسایی توده‌های سرطانی و سلول‌های ناسالم نیز استفاده می‌شود.
