منابع تامین اطلاعات مکانی GIS
اگر اطلاعات جغرافیایی را یکی از رکنهای سیستم GIS بدانیم، باید منابع تامین اطلاعات مزبور را بشناسیم. برای این منظور در این فصل، منابع اطلاعات جغرافیایی معرفی میشود. منابع مهم اطلاعات جغرافیایی عبارتنداز نقشه، عکسهوایی، تصاویر ماهوارهای و سیستم تعیین موقعیت جهانی.
منابع تامين اطلاعات مكانيGIS
1- نقشه
يكي از انواع منابع مهم دادههاي مكاني در سيستم GIS نقشههاي مختلف موجود هستند.
نقشه، تصویر قائم عوارض سطح زمین است بر روی صفحهای افقی که پدیدههای سطح زمین به طور یکسان در آن کوچک شده باشد. به عبارت دیگر، نقشه وسیلهای است که عوارض مرئی و نامرئی سطح زمین را با دقت هندسی در یک مقياس کوچکتر نسبت به سطح زمین، نمایش میدهد.
مقصود از عوارض مرئی، پستی و بلندیها، شهرها، جادهها و نظایر آنهاست و هدف از عوارض نامرئی آن قسمت از اطلاعات است که به طور عینی بر روی زمین نمیتوان مشاهده نمود، نظیر منحنی میزان و اسامی مناطق. یکی از خصوصیات نقشه استفاده از علائم و نشانههایی است که هر یک معرف عارضه مخصوصی ميباشد كه به آن سمبل گفته ميشود.
-1- انواع نقشه
نقشهها بر اساس عوامل متعددی شامل اهداف تهیه، نوع، مقیاس، دقت، محتوا و نحوه تهیه طبقه بندی میشوند که به طور اجمالی معرفی میشوند.
انواع نقشه بر اساس اهداف تهیه
نقشه را برای رسیدن به اهداف بسیاری تهیه میکنند و عموماً به دو دسته عمومی و خاص تقسیم میشود. کلیه عوارض نقشههای عمومی از اهمیت یکسان برخوردارند. بنابراین در ترسیم و نمایش عوارض، اولویتی برای هیچ یک از آنها در نظر گرفته نمیشود. برخی از عوارض نسبت به سایرین اهمیت بیشتری پیدا میکنند و برای تامین اهداف مورد نظر به صورت برجسته نمایش داده میشوند.
انواع نقشه از نظر مقیاس
• پلان ها که دارای مقیاس بزرگتر از 1:1000 هستند.
• نقشه های بزرگ مقیاس که مقیاس آنها در دامنه 1:1000 تا 1:25000 قرار میگیرد.
• نقشههای متوسط مقیاس که مقیاس آنها بین 1:25000 تا 1:100،000 متفاوت است.
• نقشههای خیلی کوچک مقیاس یا جغرافیایی که مقیاس آنها از 1:500،000 کوچکتر است.
نقشه بر مبنای دقت
• نقشههای دقیق: ازطریق عملیات نقشه برداری بسیار دقیق تهیه میشوند و میزان خطای آنها از حد مجاز کمتر است.
• نقشههای نیمه دقیق: برای تهیه آنها عملیات نقشه برداری با دقت کمتر انجام میپذیرد.
انواع نقشه بر حسب محتوا
• نقشههای توپوگرافی: عوارض سطح زمین را متناسب با مقیاس تعیین شده نمایش میدهند.
• نقشههای جغرافیایی: برای تهیه آنها، اطلاعات موضوعات جغرافیایی را مانند جغرافیای انسانی، اقتصادی و جمعیت بر روی نقشههای توپوگرافی اضافه میکنند تا نقشههای جغرافیایی تهیه شود.
انواع نقشه بر اساس نحوه تهیه
• نقشههای پایه: با عملیات نقشه برداری زمینی، هوایی یا هیدروگرافی تهیه میشوند.
• نقشههای مشتقه: با کاهش بخشی از اطلاعات جغرافیایی و تبدیل مقیاس نقشه های پایه به نقشههایی بامقیاس کوچکتر تهیه می شوند.
• نقشههای تالیفی: اغلب برای تهیه نقشههای مختلف کوچک مقیاس و تهیه نقشه های موضوعی، اطلاعات موضوعی خاص بر روی نقشههای موجود افزوده می شود و نقشههاي تالیفی تهیه میگردد.
1-2-مقياس
عوارض موجود در سطح زمین را نمیتوان با اندازه حقیقیشان، در روی صفحه کاغذ نشان داد، بنابراین باید ابعاد واقعی عوارض را به نسبت ثابت و معین کوچک کرد. از آنجائی که نقشه همیشه کوچکتر از خود منطقه است در نتیجه لازم است که نسبت کوچک شدن زمین در روی نقشه به صورتی بیان شود تا بتوان اندازه های حقیقی عوارض روی زمین را به کمک نقشه محاسبه کرد. این نسبت را در کارتوگرافی مقیاس مینامند و اولین مفهومی است که استفاده کنندگان از نقشه باید آن را به درستی درک کرده و از آن آگاهی داشته باشند.
مقياس نقشه رابطة بين ابعاد يك نقشه و اندازههاي آن در جغرافياي واقعي زمين ميباشد كه غالباً با نسبت يك فاصله در نقشه و فاصله در زمين، نظير1:63,360 تعريف ميشود. نسبت مقياس1:63,360، به اين معني است كه يك واحد در نقشه نشاندهنده63360 واحد مسافت در زمين ميباشد. بنابراين در چنين مقياسي يك اينچ نقشه معادل يك مايل در زمين واقعي است زيرا هر مايل63360 اينچ ميباشد. مقياسهاي معمول نقشهها يا به صورت متر و كيلومتر در سيستم متريك (سيستم بينالمللي)، و يا فوت و مايل در سيستم انگليسي ميباشد.
در يك نقشه بزرگ مقياس(large scale) يك بخش يا قسمتي از زمين بوسيله يك سطح بزرگ (large area) در نقشه نشانداده ميشود. در نقشههاي بزرگ مقياس معمولاً اطلاعات بيشتري(Details) نسبت به نقشههاي كوچك مقياس به تصوير كشيده ميشود. زيرا در يك مقياس بزرگ فضاي بزرگتري براي نمايش دادهها وجود دارد. نقشههاي بزرگ مقياس ميتوانند براي نمايش پلان سايتها، سطوح محلي، مناطق مجاور، شهرها و روستاها بكار روند. مقياس 1:2500 نمونهاي از مقياس بزرگ نقشهها ميباشد.
در يك نقشه كوچك مقياس (Small map) يك بخش از زمين با يك سطح كوچك(Small area) در نقشه نشان داده ميشود. در اينگونه مقياسها معمولاً اطلاعات كمتري در نقشه نسبت به نقشههاي بزرگ مقياس وجود دارد ولي در عوض قسمت بزرگتري از زمين را ميتوان به تصوير كشيد.
نقشههاي منطقهاي، كشوري، قارهاي و جهاني نمونهاي از نقشههاي كوچك مقياس هستند. مقياس 1:1000,000 نمونهاي از اينگونه مقياسها ميباشد.
روشهاي مختلفي جهت بيان مقياس يك نقشه وجود دارد كه ذيلاً ارائه ميگردد.
الف- مقیاس عددی و کسری
مقیاس کسری نوع ساده نمایش مقياس است که معمولاً به دو صورت 1:10000000 یا 10000000/1 بیان می شود. در مقیاس کسری، عموماً صورت کسر واحد و مخرج عددی است که ابعاد طبیعی زمین به آن اندازه بر روی نقشه کوچک شده است. مثال فوق به این معنی است که 1 سانتی متر روی نقشه برابر با 1000000 سانتی متر (یک کیلومتر) بر روی زمین است. لازم به تذکر است که صورت و مخرج این کسر باید از یک واحد، مثلاً میلی متر یا سانتی متر باشد.
بدیهی است که هر قدر مخرج کمتر باشد مقیاس نقشه بزرگتر خواهد بود و به عکس. بنابراین مقیاس 20000/1 بزرگتر از 50000/1 است.
ب- مقیاس لفظی یا بیانی
در این نوع مقیاس، نسبت یک طول روی نقشه به طولی معادل در روی زمین با جمله ای بیان میشود، مثلاً یک اینچ برابر با یک مایل. لازم به تذکر است که این نوع مقیاس قابل تبدیل به مقیاس کسری هم هست. بیشتر نقشههای که در گذشته در کشور بریتانیا تهیه میشود، دارای چنین مقیاسی بود.
ج- مقیاس ترسیمی یا خطی
مقیاس ترسیمی عموماً در حاشیه اطلاعاتی اغلب نقشهها به صورت خط مدرج نشان داده میشود. درجات مقياس ترسیمی نماینده طول معینی بر روی زمین است که در بالاي هر درجه مقیاس به صورت عدد قید میشود. معمولاً در سمت چپ مقیاس ترسیمی یکی از واحدها را به قطعات کوچکتر تقسیم مینمایند که پاشنه نامیده میشود. برای رسم مقیاس ترسیمی در سیستم متریک (ده دهی)، ابتدا خطی به طول 11 سانتی متر ترسیم و به درجات سانتی متری تقسیم میگردد. سپس پاشنه به ده قسمت مساوی که هر کدام معادل یک میلیمتر خواهد بود درجه بندی میشود. در انتهای سمت راست خط، معیار معادل این اندازه در روی زمین، با حروف فارسی و یا علائم اختصاری لاتین به دو صورت متر(m)، کیلومتر (Km) و ...... نشان داده میشود. مقیاس ترسیمی، گاه به صورت یک خط و گاه به صورت دو و یا چند خط موازی با شکلها و آرایشهای گوناگون ترسیم میشود. معمولاً هر کدام از خطوط متوازي بر حسب یکی از سیستمهای واحد درجه بندی میشود. به طور مثال در مورد دو خط موازی، خط بالایی بر حسب سیستم متریک و خط پائینی برحسب اینچ شماره گذاری خواهد شد. تجربه نشان داده است که برای مبتدیان استفاده از مقیاس ترسیمی در مقایسه با مقیاس عددی مشکلتر است. از ویژگی مقیاس ترسیمی این است که با تغییر ابعاد کاغذ نقشه و با کوچک شدن نقشه به وسیله دستگاههای عکاسی، مقیاس ترسیمی نیز متناسب با ابعاد نقشه تغییر مييابد و نسبت مقیاس حفظ خواهد شد.
مقياس خطي يا ترسيمي
د- مقیاس مساحتی
نسبت مساحت یک منطقه در روی نقشه به نسبت مساحت همان منطقه در روی زمین به وسیله مقیاس مساحتی تعیین میشود. در نقشههایی که دارای سیستم تصویر هم مساحت هستند، تصویر با انتقال سطح کروی زمین بر روی سطح صاف نقشه طوری است که نسبت مساحت قطعات معادل زمین و نقشه تغییر نمييابد. در این صورت، نسبت یک واحد از مساحت هر منطقه نقشه به مساحت منطقه مترادف در روی زمین یکسان خواهد بود.
مقیاس مساحتی معمولاً بصورت 1:1000.000 یا به صورت 1 به مربع 1000.000 نوشته میشود که گاهی کلمه مربع هم حذف شده و به نسبت 1 به 1000000 اکتفا میشود.
1-3- جزئيات نقشه
زمانيكه راجع به جزئيات يك نقشه صحبت ميشود، در حقيقت به مقدار اطلاعات جغرافيايي موجود در نقشه اشاره ميشود. از طرف ديگر دقت نقشه، به ميزان كيفيت و درستي اطلاعات نقشه اطلاق ميشود. در نتيجه در نقشههاي بزرگ مقياس كه بطور معمول اطلاعات بيشتري را نسبت به نقشههاي كوچك مقياس نشان ميدهند، هيچ قانون استانداردي براي اينكه چه مقدار مشخصات و اطلاعات را دريك نقشه نشان دهند، وجود ندارد. بعبارتي، اين يك تصميم كارتوگرافي بوده و بستگي به منظور نقشه و تعداد سمبلهايي كه ميتواند در فضاي موجود نقشه بكار رود، دارد. در نقشه كوچك مقياس فضاي كافي براي نمايش همه جزئيات موجود وجود ندارد، در نتيجه مشخصاتي همچون نهرها و يا جادهها را با خطوط منفرد و يا سطوحي نظير شهرها را با سمبلي مثل يك نقطه نمايش ميدهيم كه به اين حالت كليپردازي يا جنراليسيون گفته ميشود.
زماني كه مشخصات به شكل كلي (Generalized) نمايش داده ميشود، درجة جزئيات نيز براي جلوگيري از ناهنجاري و بهم ريختن نقشه، كاهش پيدا ميكند ولي شكل و موقعيت نقشه ثابت ميماند.
بنابراين، يك نقشة خطوط ساحلي دريا با مقياس كوچك نميتواند تمامي خطوط مقعر و محدب ساحل دريا را به نمايش بگذارد، در حالي كه امكان اين كار در نقشههاي با مقياس بزرگ وجود دارد. نقشههاي با مقياس كوچكتر همچنين مشخصات را بطور كامل حذف ميكنند. اين نقشهها دادههاي مكاني را نيز معمولاً كليپردازي ميكنند. براي مثال، دادههاي مربوط به آمريكا با مقياس 1:25,000,000 داراي جزئيات كمتري نسبت به نقشههاي با مقياس 1:200,000 ميباشند.
دادههاي مكاني را ميتوان بعد از ايجاد آنها، بصورت كلي (جنرال) درآورد. نرمافزارهاي GIS داراي توابعي بصورت اتوماتيك براي جنراليزه نمودن دادههاي مكاني ميباشد كه توسط جابجايي مختصات امكانپذير ميباشد.
1-4- دقت نقشه
دقت يك نقشه بستگي به مقياس آن ندارد؛ بلكه بستگي به دقت دادههاي اوليه بكار رفته براي توليد نقشه، سطح دقت وارد كردن اطلاعات به نقشه و نيز درجه كيفيت (Resolution) چاپ و يا نمايش (Display) نقشه دارد. دقت نقشههاي توليدشده با GIS در درجة اول بستگي به كيفيت مختصات دادهها در مرجع اطلاعات مكاني(Spatial database) دارد. براي توليد دادههاي مكاني، نقشههاي موجود را ميتوان يا رقومي و يا اسكن نمود. همچنين ميتوان از عكسهاي هوايي، ماهوارهاي و يا گزارشات نقشهبرداري استفاده كرد. در نهايت دقت نقشة نهايي تصويري از دقت اين منابع اوليه ميباشد.
شايان ذكر است كه هرچه مقياس كوچكتر شود، هر واحد مسافت در نقشه نمايشدهندة يك مسافت بزرگتر در زمين ميباشد. بنابراين اگر يكي از موضوعات نمايش داده شده داراي مقياس بسيار ريزي درحد ميليمتر باشد، ممكن است اين مسأله باعث عدم دقت در تشخيص مقدار واقعي آن گردد. بايد تذكر داد كه اطمينان از دقت نقشه بستگي به اطمينان از صحت دادهها دارد، و نبايد از اطلاعاتي كه اطمينان به صحت آنها نیست، استفاده نمود.
1-5- سيستمهاي تصوير نقشه
مكانهاي موضوعات در نقشهها براساس موقعيت فعلي آنها در جهان واقعي ميباشد. موقعيت يك عارضه در سطح كرة زمين براساس درجة طولي و عرضي، كه به نام مختصات جغرافيايي شناخته ميشوند، قابل اندازهگيري هستند.
نقشهها به طور کلی نشان دهنده وضع نسبی ابعاد پدیده ها هستند. سه مشخصه پدیده های فضایی عبارتند از: طول، عرض و ارتفاع. بدین ترتیب یکی از هدفهای کارتوگراف بهره گیری از تصویری است که به وسیله آن بتوان ابعاد سه گانه سطح کروی را بر روی سطح دو بعدی نقشه (طول و عرض) منتقل کرد. تصویر کردن سطح کروی بر سطح مستوی، باعث ایجاد تغییرات اجتناب ناپذیری در جهت، فاصله، مساحت و شکل میگردد. سیستم انتقال سطح کروی بر سطح مستوی، اصطلاحاً به سیستم تصویر نقشه معروف است.
از آنجائی که غالب اجرام آسمانی اصولاً شکل کروی دارند، یکی از راههای رویت کامل آنها تهیه نقشه کروی (کره جغرافیایی) از آنهاست که کلیه اندازه ها به یک نسبت کوچک میشوند، ولیکن، روابط هندسی نظیر زاویه، مساحت و نسبت فواصل، ثابت باقی میمانند. با این حساب چنین کرهای را می توان نقشهای دقیق واقعی از آن جرم آسمانی دانست.
کره جغرافیائی که به این ترتیب تهیه میشود، دارای معایبی خواهد بود. به عنوان مثال، از آنجائی که کره یک جسم مدور سه بعدی است، قادر نخواهم بود که در یک وهله آن را مشاهده نمود. به علاوه، حمل و نقل و نگهداری آن مشکل خواهد بود. اندازه گیری فواصل روی سطح سه بعدی کار آسانی نیست و بالاخره از لحاظ مالی تهیه آن مقرون به صرفه نخواهد بود.
با انتقال سطح کروی، روی یک سطح مستوی و تهیه نقشه مسطح، کلیه معایبی که درمورد کره جغرافیائی ذکر شد، بر طرف میگردد. یعنی اینکه میتوان روی یک برگ نقشه تمامی سطح کروی را مشاهده نمود، به راحتی فواصل را اندازهگیری کرد و تهیه آن به مراتب ارزانتر است و به آسانی قابل حمل و نقل ميباشد . عمل انتقال سطح کروی را روی سطح مستوی و صاف اصطلاحاً تصویر مینامند، که یک پدیده هندسی است و این انتقال از تصویر کردن نقاط کره روی سطح صاف یا سطح قابل گسترش حاصل میشود.
به طرق مختلف میتوان کره را روی سطح مستوی تصویر نمود. برای اینکه بتوانیم تغییر روابط هندسی حاصل از تصویر را مورد بررسی قرار دهیم، تصویر شبکه جغرافیایی زمین را که مدارات و نصف النهارات باشد، در روی نقشه مطالعه مینمائیم و از روی آن به روابط هندسی و ریاضی تصویر مورد نظر میپردازیم. اگر به صفحات مختلف یک اطلس جغرافیایی دقیق شویم، خواهیم دید که در هرکدام از آنها، مدارات و نصف النهارات شکل متفاوتی دارند. در بعضی از آنها مدارات به صورت خطوط مستقیم و در بعضی دیگر به صورت دوایر متحدالمرکز ظاهر می شود. این تغییر شکل شبکه جغرافیایی، ناشی از نوع تصویر سطح کروی روی سطح صاف است.
در يك نقشة مسطح، مكان عارضه در صفحة دوبعدي كه به نام سيستم مختصات سطحي
(Planer Coordinate System) ناميده ميشود، معرفي ميگردد.
در اين سيستم صفحهاي، مختصات نقاط نسبت به يك نقطه مبدأ با مختصات از دو محور افقي x ] شرق- غرب[ و محور عمودي y ] شمال -جنوب[ ، اندازهگيري ميشود.
چون زمين گرد و نقشهها مسطح هستند، تبديل اطلاعات از يك سطح كروي به يك سطح صاف نياز به يك محاسبه رياضي دارد كه اصطلاحاً سيستم تصوير نقشه يا پروژكشن ناميده ميشود .با استفاده از پروژكشن، طول و عرض جغرافيايي عارضهها تبديل به مختصاتx وy ميگردد. بنابراين سيستم تصوير نقشه به معني نگاه كردن به كره زمين از يك زاويه خاص در فضا و تبديل حالت كروي زمين به يك تصوير مسطحاتي ميباشد.
مكان شهر مسكو با دو سيستم تصويري متفاوت
اين پروسه تبديل و مسطح كردن زمين، ميتواند محاسبه مسافت، سطح شكل و جهت را فراهم آورد.
تهيه سيستم تصويري نقشه زماني اهميت پيدا ميكند كه نياز به تعيين اندازه و فاصله نقاط روي نقشه باشد. اگر هـدف تنها ساخت نقشهاي براي نمايش يـك مكان ميباشد در آنصورت نيازي به تصوير(پروژكشن) نميباشد.
قبل از تصوير نقشه بايد مطمئن شد كه واحد نقشه بر اساس درجه ميباشد. اگر يك نقشه تصوير شده را مجدداً تصوير كنيم در آن صورت اطلاعات نقشه بهم ريخته و غلط خواهند شد.
طبقه بندی متداول سیستمهای تصویر، بر مبنای خصوصیات هندسی تصوير است. به این معنی که سطح کروی بر سطوح قابل گسترش که به آسانی تبدیل به سطح صاف میگردند، تصویر میشود. این سطح عبارتند از: استوانه، مخروط و صفحه صاف نامگذاری تصویر هم بر اساس همین سطوح انجام میپذیرد. بدین ترتیب، اگر کره بر سطح استوانه تصویر شود، تصویر استوانه ای، اگر بر سطوح مخروط تصویر شود، تصویر مخروط و اگر بر صفحه صاف تصویر شود تصویر سمتی یا آزیموتال نامیده میشود.
تصویرهای دیگری هم وجود دارند که طبقه بندی آنها بر مبنای شکل هندسی نبوده و غالباً برای نقشههای خیلی کوچک مقیاس که هدف نمایش تمام کره يا نیمکره است، به کار میرود. به این نوع تصاویر میتوان تصویرهای متفرقه اطلاق کرد.
نحوه تصویر کره بر سطوح قابل گسترش ممکن است متفاوت باشد و همین اختلاف بر روی نامگذاری تصویرها اثر میگذارد . برای مثال، استوانه و کره ممکن است در طول خط استوا با هم مماس باشند و یا همدیگر را در طول دو مدار قطع نمایند. به این نوع تصویر، حالت معمولی استوانه ای گفته میشود. چنانچه کره در طول نصف النهار با استوانه مماس باشد حالت جانبی نامیده میشود و اگر حالتی غیر از این دو پیش آید، یعنی کره و استوانه در طول دایره عظیمه بر هم مماس گردند، حالت مایل اطلاق میگردد.
هر کدام از حالتهای معمولی، جانبی و مایل ممکن است به صورت مماس و یا متقاطع باشند.
در مورد تصویرهای سمتی یا آزیموتال، چنانچه کره و صفحه در نقطه ای از خط استوا با هم مماس باشند، حالت استوایی، اگر در قطب مماس باشند، حالت قطبی و چنانچه در نقطه دیگری از کره بر هم مماس شوند، البته ممکن است صفحه و کره همدیگر را در طول دایره ای قطع نمایند، حالت متقاطع پیش آید.
تمام این حالتها در مورد تصاویر مخروطی صادق است، یعنی تصاویر مخروطی ممکن است دارای حالت معمولی، جانبی و مایل باشند.
معمولاً در انتخاب تصویر، سعی بر این است که نحوه تصویر طوری باشد که تغییر مقیاس به حداقل ممکن تقلیل یابد. از این نظر، محل مرکز تصویر (مرکز اشعه نوری) و مماس یا متقاطع بودن دو سطح، اثر بسیار زیادی بر مزایای سیستم تصویر میگذارد که مهمترین اثر آن، ایجاد نقاط یا خطوطی است که تغییر مقیاس در طول آن خطوط و یا نقاط صفر است.
غالباً استفاده کنندگان از نقشه ممکن است با سیستم تصویري برخورد نمایند که با آن آشنایی نداشته باشند. گرچه تعیین مشخصات و خصوصیات سیستمهای تصویر، احتیاج به تخصص ویژهای دارد، لیکن با اطلاع از خصوصیات هندسی شبکه جغرافیایی زمین و نحوه ظهور آن در یک سیستم تصویر میتوان تا حدی این مشکل را حل نمود و به ماهیت سیستم تصویری پيبرد. تعدادی از خصوصیات عینی شبکه جغرافیایی که ممکن است در تصویر ظاهر شوند، به شرح زیر هستند:
- مدارات موازی باشند.
- فاصله مدارات بر روی نصف النهارات برابر باشند.
- نصف النهار و سایر دوایر عظیمه، خط مستقیم باشند.
- با حرکت به طرف قطبین، نصف النهارات به هم نزدیک شوند و با حرکت به طرف استوا از هم دور گردند.
- فواصل نصف النهارات، روی مدارات برابر
- تقسیمات نصف النهارات بر روی خط استوا، عیناً شبیه تقسیمات روی مدار باشد.
- فاصله نصف النهارات روی مدار 60 درجه، نصف فاصله مدارات روی نصف النهار باشد( محیط استوا یا محیط نصف النهارات دو برابر محیط مدار 60 درجه است.)
- مدارات و نصف النهارات بر هم عمود باشند.
- مساحت حاصل از چهار ضلعی که دو ضلع روبروی آن، مدارات و نصف النهارات بوده، در صورتی که دو مدار ثابت و نصف النهارات تغییر نماید، یکسان و برابر باشد.
سيستمهاي تصوير
انواع مدلهاي تصوير كرهزمين عبارتنداز:
• BEHRMANN
• EQUAL-AREA CYLINDRICAL
• HAMMER-AITOFF
• MERCATOR
• ILLER CYLINDRICAL
• MOLL WEIDE
• PETERS
• PLATE CARREE
• ROBINSON
• SINUSOIDAL
• THE WORLD FROM SPACE(ORTHOGRAPHIC)
انتخاب نوع سيستم تصويري بستگي به هدفي دارد كه از تصوير كردن نقشه داريم. بعضي از اين سيستمها براي نمايش شكل مناسبترند ولي از نظر اندازهگيري مسافت و يا سطح، دقيق نيستند درحاليكه بعضي ديگر علاوه بر شكل، مسافت را نيز دقيقاً اندازهگيري ميكنند.
چهار نوع مختلف سيستم تصويري از زمين
اگر نقشه در مقياس جهاني باشد، در آنصورت ممكن است با انتخاب نامناسب پروژ كشن اطلاعات بدست آمده دقيق نباشند و يا اطلاعات ناقص بدست آيند. ولي اگر در مقياس كوچك مثلاً در يك شهر كوچك باشد، در آنصورت از دست دادن بعضي اطلاعات ميتواند قابل صرفنظر كردن باشد.
تفاوت سطح يك منطقه با دو سيستم تصويري متفاوت
• معرفي سیستم Universal Transverse Mercator Grid System) UTM)
شبكه بندي U.T.M مخفف سه كلمه UNIVERSAL TRANSVERSE MERCATOR است كه برگردان فارسي آن، تصوير مركاتور جانبي جهاني است. به طوري كه از اسم اين تصوير ميتوان استنباط نمود، اين تصوير از نوع استوانهاي جانبي است. در واقع، تصوير مركاتور جانبي است كه اصطلاحاً در آن انجام گرفته است.
هر تصوير، بر پايه ماهيت و ويژگيهاي آن فقط براي مناطق خاصي از كره زمين مناسب است. به همين جهت،هر كشور بر مبناي موقعيت جغرافيائي، شكل و اندازه سرزمين خود، تصوير يا تصاوير را انتخاب مينمايد. بديهي است، يك سيستم تصوير به تنهايي نميتواند براي نمايش كليه كشورها و كل زمين مناسب باشد. به همين دليل،ما با تنوع سيستم تصويرها روبرو هستيم و ميبينيم كه هر كشوري تصويري را انتخاب مينمايد كه از جهات گوناگون، متفاوت با كشورهاي ديگر است.
در طول جنگ جهاني دوم،نياز به يك سيستم مختصات مستوي جهاني براي مقاصد نظامي بيش از بيش محسوس گرديد.
سيستم U.T.M در دهه 1950 ميلادي به وسيله سازمان پيمان آتلانتيك شمالي يا ناتو (NATO) معرفي شد. امروزه بيش از 60 كشور دنيا از اين تصوير بهرهگيري ميكنند. 50 كشور از كشورهاي فوق علاوه بر تصوير U.T.M از تصوير دومي هم براي نمايش سرزمين خود استفاده مينمايند. اتحاد جماهير شوروي، چين و ساير كشورهاي بلوك شرق تصوير مركاتور جانبي را پذيرفتهاند. از اين جهت تصوير U.T.M با وجودي كه براي كل جهان مناسب است و از آن براي تهيه نقشه يك ميليونيم جهان بهرهگيري شده است، هنوز جنبه جهاني به خود نگرفته است و تا روزي كه همه كشورها آن را به عنوان سيستم تصوير ملي خود بپذيرند فاصله زيادي مانده است.
شايان ذكر است كه ايران هم تصوير U.T.M را به عنوان تصوير ملي پذيرفته است و تمامي نقشههاي تهيه شده در ايران در سيستم U.T.M است. به استثناي تعدادي از نقشهها كه توسط وزارت نفت در تصوير لامبر تهيه شده است. مشخصات تصوير U.T.M به شرح زير است:
در اين سيستم، كره زمين به 60 نوار عمودي يا قاچ (Zone) كه هر كدام شامل 6 درجه طول جغرافيايي است، تقسيم ميشود. محدوده شمالي اين سيستم عرض جغرافيايي 80 درجه شمالي است و محدوده جنوبي آن عرض جغرافيايي 80 درجه جنوبي است. براي نمايش عرضهاي بالاتر از 80 درجه شمالي و جنوبي يا مناطق منجمد شمالي و جنوبي،از تصوير ديگري به نام سيستم تصوير استرئوگرافي قطبي جهاني 16 (UPS) استفاده ميشود. هر كدام از نوار 60 گانه با يك رقم مشخص ميشود. نوار محصور بين طول جغرافيايي 180 درجه و 174 درجه غربي، عدد يك را به خود اختصاص ميدهد و مطابق شكل 3-4 اعداد به طرف شرق افزايش مييابند. مثلاً نوارهاي مربوط به ايران نوارهاي 38 ،39 ، 40 ، 41 است. هر قاچ يا نوار داراي يك خط مركزي به نام نصف النهار مركزي است كه در نتيجه 60 نصف النهار مركزي خواهيم داشت. درواقع، از نظر تئوري هر بار كره زمين در راستاي يكي از اين نصف النهارات با استوانه مماس ميشود، يعني استوانه جانبي به طور فرضي 60 بار دور كره ميچرخد و هر بار يك قاچ يا نوار را ايجاد مينمايد.
نحوه شماره گذاري قاچها در تصوير U.T.M
2- عكسهاي هوايي
بطورکلی هرگونه عکس قائمی را که توسط وسایل نقلیه هوایی نظیر انواع هواپیماها- هلی کوپترها- فضا پیماها و امثال آنها از بخشی از سطح زمین برداشت شود را اصطلاحاً عکس هوایی می نامند مسلماً جهت استفاده علمی از عکسهای هوایی و تهیه انواع نقشه های موضوعی، هر عکس هوایی باید طبق ضوابط و استانداردهای ویژه ای برداشت گردد. عکسهای هوایی در مقایسه با انواع نقشه ها دارای محاسن زیرند:
- عوارض در عکسهای هوایی با شکل واقعی شان تصویر میگردند و در مقایسه با نقشه نیازی به استفاده از علائم قراردادی و یا راهنما نیست.
- زمان تهیه نقشه از طریق تبدیل عکسهای هوایی با زمان مشابه از طریق برداشت های زمینی قابل مقایسه نبوده بسیار کوتاهتر است.
- در مناطق صعب العبور و خاص نظیر نواحی مرتفع کوهستانی- باتلاقها- یخچالهای طبیعی- مردابها که برداشت های زمینی عملاً در آنجا امکان پذیر نیست تهیه نقشه بوسیله عکس هوایی قابل حصول ترین و مناسب ترین راه است.
- جزئیاتی را که میتوان در عکسهای هوایی ملاحظه نمود در انواع نقشه ها وجود ندارند ضمن اینکه عکس های هوایی مشتمل بر اطلاعات روز می باشند در صورتیکه نقشه های قدیمی فاقد آنند.
- هزینه های پرسنلی و تهیه نقشه از طریق کاربرد عکسهای هوایی در مقایسه با برداشتهای مستقیم زمینی بسیار کمتر و نازلتر است.
- در مطالعه و بررسیهای مهندسی با عکس برداری متوالی میتوان به تغییرات و جابجایی بسیاری از پدیده ها پی برده، نقش مثبت و منفی هر یک از آنها را در پروژه های مهندسي خاص تعیین نمود.
عکسهای هوایی دارای معایب و محدودیت های خاصی می باشند که میتوان مهمترین آنها را بشرح زیر بیان داشت:
- عکسهای هوایی تصاویری مرکزی هستند بهمین دلیل در مرکز هر عکس کلیه عوارض موازی و متقاطع تصویر می گردند این کيفیت نیز موجب می گردد که مقیاس عکس از مرکز بسمت نقاط پيرامونی نوسان داشته باشد.
- نسبت کوچک شدگی عوارض با مقیاس در عکسهای هوایی تقریبی بوده، تابع شرایط توپوگراف و مورفولوژیکی منطقه برداشت شده میباشد. هرچه شرایط توپوگرافی و مورفولوژیک منطقه ای ملایمتر باشد بر ثبات مقیاس عکسهای هوایي افزوده میگردد.
لازم به توضیح و تذکر است که حالت مرکزی بودن و ایجاد زاویه انحراف در محور دوربین عکسبرداری هوایی عدم ثابت بودن مقیاس را به نحو چشمگیری افزایش میدهد.
- تعدادی از عوارض و يا پدیدههای کم وسعت ممکن است بوسیله سایه عوارض بزرگتر پوشانیده شوند که در اين صورت قابل شناسايی و تفکيک نخواهند بود و این مورد هنگامی شدت مییابد که منطقه مورد مطالعه پوشش گیاهی پرتراکمی را نيز دارا باشد.
- موقعیت نقاط و پدیده ها در ارتباط با تغییر ارتفاع پرواز (ارتفاع نقاط زمینی تا مرکز اپتیک دوربین) دچار نوسان شده و باید تصحیح گردند.
- استفادهکنندگان از عکسهای هوایی به وسایل برجسته بینی و محاسباتی ویژه ای به انضمام آموزشهای تخصصی خاصی نیاز دارند تا بتوانند عکسهای هوایی را تفسیر نموده و آنها را به نقشه های موضوعی خاص تبدیل نمایند.
- به استثنای عکسهای هوایي رنگی که برداشت آنها مستلزم هزینههای قابل توجهی است، بدلیل محدود بودن اختلاف رنگ در عکسهای هوایی معمولی، تشخیص بسیاری از عوارض و پدیدهها با اشکال صورت پذیرفته مستلزم کنترل های مجدد زمینی هستند.
2-1- انواع عكسهاي هوايي
عكسهاي هوايي به دو دسته زير تقسيم ميشوند:
الف: عکسهای قائم: این گروه مشتمل بر عکسهایی می باشد که محور اپتیک دوربین برداشت کننده آنها در لحظه عکسبرداری منطبق بر قائم محل و عمود بر سطح منطقه برداشت شده است. البته دستیابی به حالت صد در صد عمودی، تصادفی و اتفاقی بوده بدین لحاظ انحرافاتی تا حدود 3 درجه از حالت کاملاً قائم را نیز جزء حالات استاندارد محسوب میکنند.
عکسهای هوایی قائم جزء منابع مهم اطلاعاتی و محاسباتی در تهیه انواع نقشههای مقدماتی- پایه و تخصصی به شمار میروند. زیرا نوسانات و تغییر پذیری مقیاس آنها در مقایسه با دیگر انواع اندک است. یک عکس هوایی قائم در واقع کاملترین و یکنواخت ترین مشکل ممکنه از منطقه برداشت شده را در اختیار استفاده کنندگان قرار میدهد و به استثنای پرتگاه های بسیار پرشیب و بخشهایي از سطح منطقه که توسط سایه پوشانیده میشوند، همه جزئیات دیگر در میدان دید ناظرین قرار میگیرند.
وسعت منطقه برداشت شده بوسیله عکس های هوایی قائم نسبت مستقیمی با ارتفاع پرواز هواپیما ( فاصله مرکز اپتیک تا نقاط برداشت شده در سطح زمین) و رابطه معکوس با فاصله کانونی دوربین برداشت کننده دارد. بنابراین با افزایش ارتفاع پرواز بر وسعت و سطح تصویر عکسهای هوایی قائم افزوده میگردد در صورتیکه با افزایش فاصله کانونی دوربین از سطح تصویری آنها به نحو موثری کاسته میگردد.
ب- عکسهای هوایی مایل: در این نوع از عکسهای هوایی انحراف محور دوربین عکسبرداری بهنگام برداشت به حدی است که تصویر افق کاملاً در عکس هوایی مشاهده میگردد. این گروه از عکسهای هوایی ظاهراً به عکسهایی شباهت دارند که از یک زمین مرتفعي از منطقه برداشت میشوند. اختصاصات توپوگراف عکسهای هوایی مایل در سطح تصویری به شدت تغییر نموده و جهت اصلی تغییرات از سمت جلو به طرف پشت عکس میباشد. به ویژه در مناطق ملایم و پستی که خط افق در عکس هوایی بدون حائل دیده میشود.
عکسهای هوایی مایل در ابعاد هندسی یکسان منطقه بسیار وسیعتری در مقایسه با عكسهاي قائم پوشش مینماید ولیکن پوشش مؤثر آن از عکسهای هوایی قائم و کم میل بسیار کمتر است. قدمت عکسبرداری هوایی زیاد نبوده و مقارن با پیدایش صنعت پرواز و هنر عکاسی است.
اولین گزارش کتبی اختراع عکاسی مربوط به آکادمی علوم و هنرهای فرانسه در 1839 میلادی میباشد و گزارش قطعی پرواز هواپیما نیز مربوط به 17 دسامبر 1902 توسط برادران رایت بوده است و طبق گزارشهای موجود اولین عکسبرداری هوایی به زمانی بین دو تاریخ ذکر شده در سال 1858 بوسیله Nadar از درون بالن انجام گرفته است.
با پیشرفت در صنایع شیمیایی و تهیه فیلمهای مناسب و تکنولوژی عکاسی با تحولاتی که در دوربینهای عکسبرداری هوایی (از نظر سیستم اپتیکی) صورت یافت هواپیماهای دور پرواز مجهز به دوربینهای پیشرفته نیز گردیدند. در ابتدا عکسبرداری هوایی با فیلمهای سیاه و سفید صورت میگرفت، سپس فیلمهای پانکروماتیک مطرح شدند و در این اواخر عکسهای رنگی مورد استفاده واقع شدند.
عکسهای هوایی به دلیل اینکه حاوی اطلاعات زیادی از زمین هستند به کمک آنها میتوان بدون تماس و کار گسترده میدانی به شناخت نسبتاً جامعی از منطقه مورد مطالعه دست یافت. معمولاً عکسبرداری هوایی به منظور تهیه نقشة توپوگرافی انجام مییابد، و مطالعه کمی و کیفی سرزمین از اهداف بعدی است. از بررسی حوزة نفوذ، محدوده شهر، تشخیص کاربریهای موجود، کیفیت ساختمانها و بناهای مسکونی، مطالعة ترافیک و پارکینگ، مکانیابی، جهات توسعه، تراکم مسکونی، مراحل توسعه و رشد شهر، مکانهای باستانی و تاریخی و همچنین برآورد جمعیت، با استفاده مناسب از عکسهای هوایی میسر است.
با تعبیر و تفسیر عکسهای هوایی پدیدههای زمینشناسی قابل مشاهده است و بسیاری از موارد زمینشناسی مهندسی که به منظور اجرای طرحهای توسعة شهری و احداث تأسیسات بزرگی مانند سد و نیروگاه دارای اهمیت است با استفاده از عکسهای هوایی قابل بهرهبرداری میباشند.
عکسهای هوایی در ژئومورفولوژی ساختمانی که بیشتر به تشخیص ساختمان ناهمواریها میپردازد (همچون بررسی شکل ظاهری ناهمواریها، اشکال شیب، امتداد طبقات، گسلها، شبکة زهکشی و شناخت سنگهای تشکیلدهندة بیرون زدگیها) موارد استفاده فراوان دارد.
بهرهبرداری از عکسهای هوایی مستلزم آشنایی با مبانی اولیه تفسیر عکس است که خوشبختانه امروزه در اغلب رشتههای دانشگاهی علوم کاربردی زمین، آموزش تفسیر عکسهای هوایی و ماهوارهای به صورت 2 تا 5 واحد درسی ارائه میشود.
3- تصاوير ماهوارهاي
ماهواره، يا «قمر مصنوعی»، به دستگاههای ساخت بشر گفته میشود که در مدارهايی در فضا به گرد زمين يا سيارات ديگر میچرخند.
در سال 1955 اتحاديه سويت درايالات متحده آمريكا تحقيقات خود را براي پرتاب ماهواره مصنوعي به فضا آغاز كرد.
در تاريخ چهارم اكتبر 1957 اين اتحاديه ماهواره اسپاتنيك 1 را به عنوان اولين ماهواره مصنوعي به فضا ارسال نمود. اين ماهواره در هر96 دقيقه يك دور كامل به دور زمين مي چرخيد و اطلاعات به دست آورده خود را به شكل سيگنالهاي راديويي قابل دريافت به زمين ارسال ميكرد. در تاريخ 3 نوامبر 1957اتحاديه سويت دومين ماهواره مصنوعي يعني اسپاتنيك 2 را به فضا فرستاد. اين ماهواره حامل اولين حيواني بود كه به فضا سفر كرد. سگي به نام لايكا. پس از آن ايالات متحده ماهواره كاوشگر1 را در تاريخ 31 ژانويه 1958 و ونگارد1 را در تاريخ 17 مارس همان سال به فضا فرستاد.
نخستين ماهواره ارتباطي اكو در ماه اگست سال1960 از ايالات متحده به فضا فرستاده شد. اين ماهواره امواج راديويي به زمين ميفرستاد. در آپريل1960 نيز اولين ماهواره هواشناسي تيروس 1 كه تصاوير ابرها را به زمين ارسال ميكرد، فرستاده شد.
نيروي دريايي آمريكا سازنده اولين ماهواره ردياب، درآپريل سال 1960 بود. به اين ترتيب تا سال 1965 در هر سال بيش از 100 ماهواره به مدارهايي در فضا فرستاده شدند. از سال1970 دانشمندان به كمك رايانه و نانو تكنولوﮋي موفق به اختراع سازهها و تجهيزات پيشرفتهتري براي ماهواره شدهاند. به علاوه كشور هاي ديگر و همينطور سازمانهاي تجاري مبادرت به خريداري و ارسال ماهواره نمودهاند. در سالهاي اخير بيشتر از 40كشور ماهواره در اختيار دارند و نزديك به3000 ماهواره در مدارها به انجام ماموريتهاي خود ميپردازند.
ماهواره مخابراتی ميلاستار
در سالهای اخیر اطلاعات ماهوارهای و تکنولوژی جدید سنجش از دور پیشرفتهای چشمگیری داشته و بکارگیری تصاویر ماهوارهای در بررسیهای مختلف زمین هر روز از وسعت بیشتری برخوردار میگردد. بدیهی است این تکنولوژی از ویژگیهایی برخوردار است که در بسیاری از موارد جایگزین عکسهای هوایی میگردد. چرخش منظم ماهوارههای سنجش از دور به دور زمین، امکان ثبت اطلاعات و تصویربرداری تکراری و دسترسی به اطلاعات جدید و آگاهی از هرگونه تغییرات فضایی را میسر میسازد. بخشی از پژوهشهای علمی و تخصصی که در آزمايشگاههای مستقر در فضا انجام میشود، هرگز نمیتوانست روی کره زمين جنبه عملی به خود گيرد.
لازمة تصویربرداری، برخورد انرژی از منبع نوری با اشیاء و پدیدههای سطح زمین است. خورشید بزرگترین منبع تولید انرژی است و انتقال انرژی به زمین به صورت امواج الکترومغناطیسی صورت میگیرد، در عمل بسیاری از امواج با برخورد به جو تحلیل رفته و در نتیجه انرژی خورشید در محدوده خاصی از طیف الکترومغناطیسی به سطح زمین میرسد و از برخورد امواج با پدیدههای مختلف ترکیبی از انعکاس، جذب و عبور انرژی صورت میگیرد که تفاوت در میزان شدت و ضعف هر عمل و نیز ثبت واکنشهای پدیدهها در طول موجهای مختلف که به طول موج انرژی تابیده شده و نیز خصوصیات فیزیکی و شیمیایی پدیدههای روی زمین بستگی دارد، تشخیص شیئی و یا پدیده موردنظر را امکان پذیر میسازد.
در برخورد امواج الکترومغناطیسی با هر پدیده سه عمل عمده انعکاس ، جذب و عبور صورت میگیرد که میزان هریک به طول موج انرژی تابیده و نیز خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آن پدیده بستگی دارد و در واقعیت میزان انعکاس انرژی از هر پدیده که تابعی از طول موج، خواص ملکولی و درون سلولی پدیده و سایر خصوصیات فیزیکی و ظاهری اشیاء مورد اندازه گیری میباشد.
آب، خاک و پوشش گیاهی از عناصر اصلی طبیعت دارای واکنشهای متفاوتی هستند که اساس تشخیص پدیدههای مختلف را تشکیل میدهند. یک ماهواره را می توان به دو بخش کلی تقسیم کرد:
- بار مفید یا محموله: بار مفید یا محموله قسمتی از ماهواره است که ماهواره بدان منظور ساخته و در مدار قرار داده میشود. برای مثال ماهواره ای که به منظور هواشناسی فرستاده میشود از ابزارهای دقیق جهت محاسبات جریانهای هوایی و تعیین جهت حرکت احتمالی آنها استفاده میکنند. در نتیجه این قسمت از ماهواره در هر ماموریت متفاوت میباشد.
- سکو یا جایگاه: وقتی یک ماهواره در مدار قرار میگیرد دسترسی بدان آسان نیست. بنابراین باید از بهترین عملکرد از نظر جنس سازه مورد استفاده و نیز طراحی بهینه سازه برخوردار باشد. اگر به هنگام کار یک ماهواره برای آن مشکلی پیش بیاید چه کار باید کرد؟
چون زمان زیادی برای طراحی یک ماهواره صرف شده و نیز از ساخت ماهواره هدفی دنبال میشده بنابراین باید قسمتی در ماهواره تعبیه شود که بتوان در مواقع اضطراری برای تعمیر قطعات فرسوده یا ناکارآمد و نیز کنترل ، مراقبت ، پشتیبانی فنی و در برخی موارد اتصال به فضاپیما از آن استفاده نمود. این قسمت به سکو یا جایگاه محموله معروف است.
اطلاعات ماهوارهای بدست آمده در ابتدا دارای خطاهای مختلف ژئومتری و رادیومتری است که متأثر از وضعیت ماهواره و سنجنده و شرایط جوی و خطاهای هنگام ثبت، انتقال اطلاعات و دیگر موارد ناشی از آن میباشد.خطاهای ژئومتری از تغییرات سرعت حرکت ماهواره، تغییر وضعیت تعادلی آن و تغییر ارتفاع ماهواره و خطاهای سیستم سنجنده به وجود میآید. خطاهای رادیومتری بر اثر تأثیر عوامل جوی در مسیر انعکاس امواج، خطاهای اپتیکی و موارد مربوط به صفحه حساس دوربین و غیره ناشی میگردد.
اطلاعات ماهوارهای پس از انجام تصحیحات ژئومتری و رادیومتری دارای ارزش شده و سودمند میگردند. با انجام تصحیحات هندسی، اطلاعات ماهوارهای آماده تجزیه و تحلیل و بهرهبرداری میشود و برای آن، یکی از روشهای تجزیه و تحلیل را بایستی انتخاب نمود، تا به وسیله آن اطلاعات آشکار، اطلاعات تکمیلی و جدید و ناپیدا از تصویر استخراج شده و عمل بررسی پدیده ها واستخراج اطلاعات موردنظر و تعبیر و تفسیر آن امکان پذیر گردد که ممکن است با چشم غیر مسلح و یا به کمک ابزارهای ویژه انجام گیرد. هرچند که اطلاعات حاصله در کاربردهای مختلف متفاوت میباشد، ولی روش تعبیر و تفسیر یکسان است. حجم، دقت و صحت اطلاعات حاصله به سطح دانش و آگاهی مفسر از (سنجس از دور) و رشته مربوطه بستگی دارد. مفسر تصاویر ماهوارهای براساس شواهد سطحی تصاویر قضاوت نموده و با استفاده از آنها و عوامل مؤثر در تفسیر به وضعیت پدیدههای درونی پی میبرد.
به عنوان مثال، یک اکولوژیست از نوع گیاهان شناخته شده در تصویر به جنس خاک، آب و هوا و وجود جانداران منطقه پی میبرد و یا یک شهرساز با بررسی تصاویر در زمانهای مختلف، از سیر تحول و مناطق توسعه شهری اطلاع کسب نموده و یا با توجه به تراکم ساختمان وضعیت استقرار و ارتباط بین آنها را درمییابد. بررسی جمعیت و مسکن و حتی تلفیق اطلاعات موردی از منطقهای از شهر، امکان تشخیص چگالی جمعیت و برآورد جمعیت را امکان پذیر می سازد.
3-1- طبقهبندی ماهوارهها
ماهواره هاي مصنوعي بر اساس ماموريت هايشان طبقه بندي مي شوند. شش نوع اصلي ماهواره وجود دارند:
- تحقيقات علمي
- هواشناسي
- ارتباطي
- ردياب
- مشاهده زمين
- تاسيسات نظامي
- ماهواره هاي تحقيقات علمي اطلاعات را به منظور بررسي هاي كارشناسي جمع آوري مي كنند. اين ماهوارهها اغلب به منظور انجام يكي از سه ماموريت زير طراحي و ساخته مي شوند.
• جمع آوري اطلاعات مربوط به ساختار، تركيب و تاثيرات فضاي اطراف كره زمين
• ثبت تغييرات در سطح و جو كره زمين. اين ماهوارهها اغلب در مدارهاي قطبي در حركتند
• مشاهده سيارات، ستارهها و اجرام آسماني در فواصل بسيار دو
بيشتر اين ماهوارهها در ارتفاع كوتاه در حركتند. ماهواره هاي مخصوص تحقيقات علمي حول سيارات ديگر، ماه و خورشيد نيز حضور دارند.
- ماهواره هاي هواشناسي به دانشمندان براي مطالعه بر روي نقشه هاي هواشناسي و پيش بيني وضعيت آب و هوا كمك مي كنند. اين ماهواره ها قادر به مشاهده وضعيت اتمسفر مناطق گسترده اي از زمين مي باشند. بعضي از ماهواره هاي هواشناسي در مدارهاي سان سينكرنوس، قطبي، در حركتند كه توانايي مشاهده بسيار دقيق تغييرات در كل سطح كره زمين را دارند. آنها مي توانند مشخصات ابرها، دما، فشار هوا، بارندگي و تركيبات شيميايي اتمسفر را اندازه گيري نمايند. نمونههایی از تصاویر ماهوارههای هواشناسی ذيلاً آورده شده است:
نمونههايي از تصاوير ماهوارههاي هواشناسي
دانشمندان با اطلاعات به دست آمده قادر به مقايسه دقيق تر آب و هواي مناطق مختلفند. ضمنا شبكه جهاني ماهوارههاي هواشناسي كه در اين مدارها در حركتند مي توانند نقش يك سيستم جستجو و نجات را بر عهده گيرند. آنها تجهيزات مربوط به شناسايي سيگنال هاي اعلام خطر در همه هواپيماها و كشتي هاي خصوصي و غير خصوصي را دارا هستند. بقيه ماهوارههاي هواشناسي در ارتفاع هاي بلند تر در مدارهاي ژئوسينكرنوس قرار دارند. از اين مدارها، آنها مي توانند تقريبا نصف كره زمين و تغييرات آب و هوايي آن را در هر زمان مشاهده كنند. تصاوير اين ماهوارهها مسير حركت ابرها و تغييرات آنها را نشان مي دهد. آنها همينطور تصاوير مادون قرمز نيز تهيه مي كنند كه گرماي زمين و ابرها را نشان مي دهد.
- ماهواره هاي ارتباطي در واقع ايستگاه هاي تقويت كننده سيگنالها هستند كه از نقطه اي امواج را دريافت و به نقطه اي ديگر ارسال مي كنند. يك ماهواره ارتباطي مي تواند در آن واحد هزاران تماس تلفني و چندين برنامه شبكه تلويزيوني را تحت پوشش قرار دهد. اين ماهوارهها اغلب در ارتفاع هاي بلند، مدار ژئوسينكرنوس و بر فراز يك ايستگاه در زمين قرار داده مي شوند. يك ايستگاه در زمين مجهز به آنتني بسيار بزرگ براي دريافت و ارسال سيگنالها ميباشد. گاهي چندين ماهواره كه در يك شبكه و در مدارهاي كوتاهتر قرار گرفته اند، امواج را دريافت و با انتقال دادن سيگنالها به يكديگر آنها را به كاربران روي زمين در اقصي نقاط آن ميرسانند. سازمانهاي تجاري مانند تلویزیونها و شركت هاي مخابراتي در كشورهاي مختلف از كاربران دائمي اين نوع ماهوارهها هستند.
- به كمك ماهواره هاي ردياب، كليه هواپيماها، كشتيها و خودروها بر روي زمين قادر به مكان يابي با دقت بسيار زياد خواهند بود. علاوه بر خودروها و وسايل نقليه اشخاص عادي نيز ميتوانند از شبكه ماهواره هاي ردياب بهرهمند شوند. در واقع سيگنال هاي اين شبكه ها در هر نقطه اي از زمين قابل دريافتند. دستگاه هاي دريافت كننده، سيگنالها را حداقل از سه ماهواره فرستنده دريافت و پس از محاسبه كليه سيگنالها، مكان دقيق را نشان ميدهند.
- ماهوارههاي مخصوص مشاهده زمين به منظور تهيه نقشه و بررسي كليه منابع سياره زمين و تغييرات ماهيتي چرخه هاي حياتي در آن، طراحي و ساخته مي شوند. آنها در مدارهاي سان سينكرنوس قطبي در حركتند. اين ماهوارهها دائما در شرايط تحت تابش نور خورشيد مشغول عكس برداري از زمين با نور مرئي و پرتوهاي نامرئي هستند. رايانهها در زمين اطلاعات به دست آمده را بررسي و مطالعه ميكنند. دانشمندان به كمك اين ماهواره معادن و مراكز منابع در زمين را مكان يابي و ظرفيت آنها را مشخص ميكنند. همينطور ميتوانند به مطالعه بر روي منابع آبهاي آزاد و يا مراكز ايجاد آلودگي و تاثيرات آنها و يا آسيب هاي جنگلها و مراتع بپردازند.
ماهوارههاي تاسيسات نظامي مشتمل از ماهوارههاي هواشناسي، ارتباطي، ردياب و مشاهده زمين مي باشند كه براي مقاصد نظامي به كار مي روند. برخي از اين ماهوارهها كه به ماهواره هاي جاسوسي نيز شهرت دارند قادر به تشخيص دقيق پرتاب موشكها، حركت كشتيها در مسير هاي دريايي و جابجايي تجهيزات نظامي در روي زمين مي باشند.
3-2- مدار ماهوارهها
ماهواره در يک مسير بسته که آن را مدار ماهواره مینامند، به دور زمين در گردش است. اين مسير ممکن است دايرهای يا بيضی شکل باشد و مرکز زمين در مرکز اين مسير يا در يکی از کانونهای بيضی آن قرار دارد. ماهواره در صورتی که تحت تاثير نيروهای گرانشی ديگری قرار نگيرد، همواره در صفحهای به نام صفحه مداری به گردش خود به دور زمين ادامه می دهد. حركت اين صفحه مداری به پريود مدار و زاويه صفحه با صفحه استوا بستگی دارد. اگر اين زاويه صفر باشد، صفحه مداری منطبق بر صفحه استوايی زمين میشود. عموماً ماهوارهها بروی چهار نوع مدار که بستگی به نوع کاربرد ماهواره دارد، قرار می گيرند:
قرارگیری ماهواره ها در مدار مربوطه خود در اطراف کره زمین
الف- ماهوارههای مدار پائين زمين
به ماهوارههايی که در در فاصله نسبتا کمی از سطح زمين قرار دارند، ماهوارههای مدار پائين زمين گفته میشود. بيشترين ارتفاع اين نوع ماهوارهها از سطح زمين بين ۳۲۰ تا ۸۰۰ کيلومتر است. مسیر حرکت این ماهوارهها از غرب به شرق و همجهت با دوران زمین بدور خود است.
بدلیل نزدیکی فاصله این نوع ماهوارهها از سطح زمین، سرعت حرکت این ماهوارهها خیلی بیشتر از سرعت دوران زمین بدور خود است. گاهی سرعت این نوع ماهوارهها به ۲۷۳۵۹ کیلومتر در ساعت نیز میرسد. با این سرعت، این نوع از ماهوارهها می توانند در هر ۹۰ دقیقه، یک دور کامل بدور زمین بگردند. برخی از ماهوارههای هواشناسی، ماهوارههای سنجش از دور و ماهوارههای جاسوسی از این نوعاند.
ب- ماهوارههای مدار قطبی
ماهوارههای مدار قطبی نوعی از ماهوارهها را گویند که مسیر مدار حرکت آنها عمود بر خط استوا و مسیر دوران از قطبهای شمال و جنوب می گذرد. بعضی از ماهوارههای هواشناسی، ماهوارههای سنجش از دور و ماهوارههای جاسوسی از این نوعاند.
ج- ماهواره های مدار زمينايست
این نوع ماهوارهها در حالت کلی بروی مدار زمینایست و بر بالای خط استوا، در فاصله ۳۳۶۰۰ کیلومتری از سطح زمین قرار داند. این نوع ماهوارههای در فضا در مکانی ثابت قرار دارند و همراه با دوران زمین بدور خود، میگردند و بدلیل همین ثبات دارای سایهای ثابت (معروف به «جایپا» ) بر زمین هستند. به مدار geosynchronous مدار زمینایست و یا مدار کلارک نیز گفته میشود. تمام ماهوارههای مخابراتی و تلویزیونی از این نوع هستند.
د- ماهوارههای مدار بيضوی
مسیر حرکت و دوران این نوع ماهواره مانند ماهوارههای قطبی از سمت شمال به جنوب است.
3-3- زندگي و مرگ ماهوارهها
ساخت هر ماهواره حامل تجهيزاتيست كه براي انجام ماموريت خود به آنها نياز دارد. براي مثال ماهواره اي كه مامور مطالعه كائنات است مجهز به تلسكوپ و ماهواره مامور پيش بيني وضع هوا مجهز به دوربين مخصوص براي ثبت حركات ابرها است. علاوه بر تجهيزات تخصصي، همه ماهواره ها داراي سيستمهاي اصلي براي كنترل تجهيزات خود و عملكرد ماهواره مي باشند. از جمله سيستم تامين انرﮋي، مخازن، سيستم تقسيم برق و ...
در هر يك از اين بخشها ممكن است از سلول هاي خورشيدي براي جذب انرﮋي مورد نياز استفاده شود. بخش دادهها و اطلاعات نيز مجهز به رايانههايي به منظور جمعآوري و پردازش اطلاعات به دست آمده از طريق تجهيزات و اجراي فرامين ارسال شده از زمين مي باشد.
هريك از تجهيزات جانبي و بخشهاي اصلي يك ماهواره به طور جداگانه طراحي، ساخته و آزمايش مي شوند. متخصصان، بخشهاي مختلف را كنار هم گذاشته و متصل مي كنند تا زمانيكه ماهواره كامل شود و سپس ماهواره در شرايطي نظير شرايطي كه هنگام ارسال از سطح زمين و هنگام استقرار در مدار خود خواهد داشت آزمايش مي شود. اگر ماهواره همه آزمايشها را به خوبي گذراند، آماده پرتاب مي شود.
برخي ماهوارهها توسط شاتلها در فضا حمل مي شوند ولي اغلب ماهوارهها توسط راكتهايي به فضا فرستاده مي شوند كه پس از اتمام سوختشان به درون اقيانوسها مي افتند. بيشتر ماهوارهها در ابتدا با حداقل تنظيمات در مسير مدار خود قرار داده مي شوند. تنظيمات كامل را راكتهايي انجام مي دهند كه داخل ماهواره كار گذاشته مي شوند. زمانيكه ماهواره در يك مسير پايدار در مدار خود قرار گرفت مي تواند مدت هاي درازي در همان مدار بدون نياز به تنظيمات مجدد باقي بماند.
كنترل بيشتر ماهوارهها در مركزي بر روي زمين است. رايانهها و افراد متخصص در مركز كنترل وضعيت ماهواره را تحت نظر دارند. آنها دستورالعمل ها را به ماهواره ارسال مي كنند و اطلاعات جمع آوري شده توسط ماهواره را دريافت مي نمايند. مركز كنترل از طريق امواج راديويي با ماهواره در ارتباط است. ايستگاههايي بر روي زمين اين امواج را از ماهواره دريافت و يا به آن ارسال ميكنند. ماهوارهها معمولا به طور دائم از مركز كنترل دستورالعمل دريافت نمي كنند. آنها در واقع مثل روباتهاي چرخان هستند.
روباتي كه سلول هاي خورشيدي خود را براي دريافت انرﮋي كافي تنظيم و كنترل ميكند و آنتن هاي خود را براي دريافت دستورات خاص از زمين آماده نگه ميدارد. تجهيزات ماهواره به صورت مستقل و اتوماتيك وظايف خود را انجام ميدهند و اطلاعات را جمعآوري ميكنند. ماهوارههاي موجود در ارتفاع هاي بلند مدار ﮋئوسينكرنوس در ارتباط هميشگي و دائم با زمين ميباشند. ايستگاههاي زمين مي تواند دوازده بار در روز با ماهواره هاي موجود در ارتفاع كوتاه ارتباط برقرار نمايند. در طول هر تماس ماهواره اطلاعات خود را ارسال و دستورالعملها را از ايستگاه دريافت ميكند.
تبادل اطلاعات تا زمانيكه ماهواره از فراز ايستگاه عبور ميكند ميتواند ادامه داشته باشد كه معمولا زماني حدود 10 دقيقه است. چنانچه قسمتي از ماهواره دچار نقص فني شود اما ماهواره قادر به ادامه ماموريت هاي خود باشد، معمولا همچنان به كار خود ادامه ميدهد. در چنين شرايطي مركز كنترل روي زمين بخش آسيب ديده را تعمير و يا مجددا برنامه نويسي مي كند.
در موارد نادري نيز عمليات تعمير ماهواره را شاتلها در فضا انجام ميدهند و اما چنانچه آسيب هاي وارد آمده به ماهواره به اندازهاي باشد كه ماهواره ديگر قادر به انجام ماموريت هاي خود نباشد مركز كنترل فرمان توقف ماهواره را صادر مي كند. يك ماهواره بعد از سقوط در مدار خود باقي مي ماند تا زمانيكه شتاب آن كم شود و در چنين حالتي نيروي گرانش ماهواره را به سمت پايين و به سمت اتمسفر مي كشاند. سرعت ماهواره هنگام برخورد با مولكول هاي خارجيترين لايه اتمسفر كم مي شود. هنگامي كه نيروي گرانش ماهواره را به سمت لايههاي داخلي اتمسفر ميكشاند هوايي كه در جلوي ماهواره قرار ميگيرد سريعا به قدري فشرده و داغ مي شود كه در اين هنگام بخشي و يا تمامي ماهواره مي سوزد.
3-4- مشخصات انواعی از ماهوارههای موجود در دنیا
در اين بخش به ارائه توضيحاتي درخصوص برخي از انواع ماهوارهها پرداخته شده است.
• ماهواره لندست
اولين ماهواره منابع زميني كه به فضا پرتاب شد به ERTS-1 معروف است كه بعدها به لندست 1 تغيير نام يافت. پرتاب اين ماهواره كه توسط ايالات متحده صورت پذيرفت، توانست تحول عميقي در علوم و فنون جمع آوري اطلاعات زميني پديد آورد و آن را به منبع مهمي براي تامين نيازهاي اطلاعاتي مبدل سازد. تا كنون 7 ماهواره از گروه لندست در مدار قرار گرفته كه 5 ماهواره پس از دريافت تصاوير در طول سالهاي متمادي و پايان عمر مفيد خود از مدار خارج شدند و ماهواره لندست 6 قبل از عملياتي شدن، از كنترل ايستگاههاي زميني خارج گرديده است. در حال حاضر، ماهواره لندست 7 ازمناطق مختلف كره زمين تصوير برداري مينمايد.
• ماهواره اسپات
ماهواره اسپات 1 را كشور فرانسه در سال 1985 در مدار قرار داد و تاكنون 4 ماهواره از اين گروه به فضا پرتاپ شده و تصاوير مناسبي در اختيار كاربران قرار گرفته است. شكل 2-18 ماهواره اسپات 4 را نشان ميدهد.
ماهوارههاي اسپات شامل دو سنجنده HRV1 و HRV2 است كه در دو مد مرئي و مادون قرمز عمل ميكنند. تصاوير ماهواره اسپات در مقايسه با ماهوارههاي لندست از قدرت تفكيك مكاني بهتري برخوردار هستند، در حالي كه تعداد باندهاي طيفي آنها كمتر است. تصاوير اين ماهواره شامل دادههاي سياه و سفيد با قدرت تفكيك مكاني 10×10 متر و اطلاعات رنگي با قدرت تفكيك 20×20 متر ميباشد. نحوه تصوير برداري سنجندههاي HRV1 و HRV2 در شكل زیر ارائه شده است.
شماي ماهواره اسپات در حال تصويربرداري از زمين
نحوه تصويربرداري ماهواره اسپات با دو سنجنده HRV1 و HRV2
4- سيستم موقعيت جهاني
GPSیعنی سیستم موقعیت یاب جهانی. این سیستم تشکیل شده است از یک شبکه 24 تايي ماهواره ای در مدار زمین که توسط وزارت دفاع دولت آمریکا پشتیبانی میشود.
هـدف اصـلی و اولـیـه از طـراحـی GPS ، اهـداف نـظامـی بـوده امـا از ســال 1980 به بـعــد بـرای اسـتـفاده های غــیر نـــــظامی نیز در دسترس قرار گرفت. GPS در تمام شرایط بصورت 24 ساعت در شبانه روز و در تمام دنیا قابل استفاده می باشد و هیچ گونه بهائی بابت این خدمات اخذ نمی شود.
ماهوارههای GPS هر روز دوبار در یک مدار دقیق دور زمین میگردند و سیگنال های حاوی اطلاعات را به زمین میفرستند.
GPS براساس زمان مقایسه زمان ارسال و دریافت سیگنال توسط یک ماهواره کار میکند . اختلاف زمان مشخص میکند که گیرندة GPS چقدر از ماهواره دور است . حال با اندازهگیری مسافت از چند ماهواره گیرندة GPS میتواند موقعیت کاربر را مشخص نموده حتی روی نقشه الكترونيكي نمایش داد.
یک گیرندة GPS بایستی حداقل سیگنالهای 3 ماهواره را برای تعیین دقیق 2 موقعیت (طول و عرض جغرافیایی ) یک شیء دریافت نماید و سیگنالهای 4 ماهواره یا بیشتر میتواند 3 موقعیت (طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع ) را نشان دهد.
همچنین ازGPS میتوان برای اندازه گیری سرعت ، جهت یابی ، جستجو ، مسافرت طولانی ،رفتن به مقصد ، زمان طول و مغرب خورشید و غیره نیز استفاده کرد .
Model: Rino 530
• قطب نمای مغناطیسی
• ارتفاع سنج بارومتریک
• اطلاعات هواشناسی
• فشارسنج هوا
• عمر باتری 16 ساعت
• و همه امکانات Rino 520
Model: GPS 76
• دارای آنتن مخصوص برای گیرندگی قویتر
• دارای صفحه بزرگ
• عمر باتری 16 ساعت
• حافظه داخلی 1MB
• حافظه 500نقطه
• حافظه 50مسیر با 50 نقطه در هر مسیر
• 180×240 Pixel :
• مختصات شهرهای بزرگ
• کار در زیر آب
• قابل شناور شدن روی آب
• محاسبه مساحت
• قابلیت WAAS
• آلارم مسیر
• زمان شکار و ماهیگیری
4-1- سیستم ماهوارهای GPS
24 ماهواره در بخش های مختلف فضای زمین در مداری خاص با فاصله حدود 12000 مایلی بالای سر ما قرار گرفته است. آنها با یک سرعت ثابت در حرکتند و در هر 24 ساعت دو بار دور زمین را با سرعتی معادل 7000 مایل در ساعت می گردند. ماهواره های GPS توسط انرژی خورشید تغذیه میشوند آنها مجهز به باطریهای قابل شارژ اتوماتیک برای زمانهای بارندگی یا خورشید گرفتگی می باشند. yocket booster های کوچک روی هر ماهواره آنها را دریک مسیر پروازی صحیح نگهداری میکنند. اولین ماهواره GPS در سال 1978 با موفقیت به فضا پرتاب شد.
درسال 1994 تمامی 24 ماهواره در مدار زمین قرار گرفت. هر ماهواره برای 10 سال مأموریت ساخته میشود و پس از طی این زمان حتماً بایستی ماهواره دیگر جایگزین گردد. وزن یک ماهواره GPS حدود 2000 پوند (معادل 907 کیلو گرم ) با 17 فوت عرض (18/5 متر)ميباشد.
4-2- کنترل زمینیGPS
در قسمت قبل درباره بخش فضایی سیستم GPS صحبت شد؛حال به سراغ بخش کنترل زمینی این سیستم می رویم: این بخش شامل ایستگاههای کنترل زمینی است که دارای مختصات معلوم هستند و موقعیت آنها از طریق روشهای کلاسیک تعیین موقعیت نظیر روش VLBI (تعیین فواصل بلند توسط کوازارها)و روش SLR (فاصله سنجی ماهواره ای با امواج لیزر ) بدست آمده است. این ایستگاه ها وظیفه تعقیب ومشاهده شبانه روزی ماهواره های GPS را بر عهده دارند . این بخش بوسیله محاسبات ریاضی پیچیده از پارامترهای مداری (افمریزها)و موقعیت ماهواره ها را نسبت به یک سیستم مختصات ژئودتیک ژئوسنتریک (مبدا سیستم مختصات تقریبا در مرکززمین قرار دارد.) محاسبه می نماید.
تعداد این ایستگاههای زمینی 5 عدد است که ایستگاه اصلی با نام کلرادو اسپرینگ در آمریکا قرار دارد و 4 ایستگاه فرعی دیگر در نقاط دیگر کره زمین مستقر هستند.
4-3- قسمت كاربران
آخرین بخش از سیستم GPS ، قسمت USER یا کاربران سیستم می باشد که خود شامل دو بخش است:
الف) آنتن دریافت کننده اطلاعات ارسالی از ماهواره ها
ب ) گیرنده (پردازش کننده اطلاعات دریافتی و تعیین کننده موقعیت محل آنتن)
نرم افزار و میکروپروسسور داخل گیرنده فاصله بین آنتن زمینی تا ماهواره های مرتبط با گیرنده را تعیین میکند. سپس با استفاده از حداقل 4 ماهواره موقعیت X وY و ارتفاع محل استقرار آنتن یا همان گیرنده تعیین میشود.
نکته مهمی که می بایست مورد توجه قرار گیرد اینست که ارتفاعی که GPS به ما می دهدبا ارتفاع موجود در نقشهها و اطلس ها فرق میکند. ارتفاع GPS نسبت به سطح مبنایی بنام بیضوی است در حالی که ارتفاع موجود در نقشه ها ارتفاع اورتومتریک می باشدکه از سطح دریاهای آزاد محاسبه میگردد. مقدار این اختلاف در بیش ترین حالت در حدود 100 متر می باشد.
4-4- نمونهای از کاربردهای سیستم GPS
پیش بینی زلزله ،نقشه برداری ، کاداستر ، کنترل امور مربوط به حمل و نقل و ترافیک ، کنترل حرکات تکتونیکی زمین ، کنترل جابجایی سدها و برج های بلند، پیش بینی وضع هوا ، ناوبری (زمینی،هوایی،دریایی) ، هیدروگرافی(آبنگاری) ، تعیین موقعیت سکوهای دریایی نفتی،تعیین موقعیت جزیره های مرجانی، مین یابی ، SCAN کردن دریا ، بروز رسانی سیستم های تعیین موقعیت اینرشیال ، استفاده جهت کنترل ماهواره های سنجش از دور(Remote Sensing) و... نمونهاي از كاربردهاي سيستم GPS ميباشد.
