عنوان پایان‌نامه
عمق سنجی ابهای کم عمق از روی تصا ویر ماهواره ای
- رشته تحصیلی
- مهندسی عمران - نقشه برداری - فتوگرامتری
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس 2 فنی شماره ثبت: 1538;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 41053;کتابخانه پردیس 2 فنی شماره ثبت: 1538;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 41053
- تاریخ دفاع
- ۲۰ بهمن ۱۳۸۷
- دانشجو
- مژده ابراهیمی کیا
- استاد راهنما
- محمد سعادت سرشت
- چکیده
- بطور کلی عملیات عمق سنجی در نواحی ساحلی برای اطلاع از اجزای زیر آب به منظور انجام فعالیتهایی نظیر کشتیرانی، لایروبی، قراردهی خطوط لوله و کابل، تعیین نقاط پرخطر ساحلی، مطالعات هیدرولوژیکی، تهیه نقشه های جنس بستر، اطلاع از زیستگاه های دریایی جهت کاربرد در امور محیط زیست، نظامی و مهندسی و نظایر آن ضرورت دارد. اندازه گیریهای دوره ای از مناطق ساحلی وسیع به روش مستقیم آبنگاری (عمق سنجی با اکوساندر) بسیار هزینه بر بوده و زمان زیادی را به خود اختصاص می دهد. بنابراین سنجش از دور با توجه به توانایی بالا در جمع آوری اطلاعات در زمان کوتاه و در محدوده ای وسیع، راهکاری بسیار مناسب و مؤثر می تواند باشد. این موضوع در کشورهایی مانند ایران که دارای مرزها و نواحی آبی گسترده می باشد از اهمیت بیشتری برخوردار است. برخلاف روش فتوگرامتری که بر پایه روابط هندسی بنا شده است، اساس روش عمق سنجی سنجش از دور، بر مبنای وابستگی طیفی تصویر با عمق آب می باشد. به بیان دیگر هرچه آب عمیق تر باشد تصویر تیره تر بوده که علت اصلی آن جذب و پراکندگی انرژی نور در آب است. البته عکس این عبارت همیشه صحیح نمی باشد. یعنی همیشه نمی توان گفت هرچه تصویر تیره تر باشد، عمق آب بیشتر است. همین مساله باعث شده است که دقت و بکارگیری روش عمق سنجی سنجش از دور با محدودیتهای قابل توجهی همراه باشد. علت این امر آن است که شدت درجات روشنایی تصویر علاوه بر میزان عمق آب به عوامل متعدد دیگری نیز وابسته است که مهمترین آنها عبارتند از طول موج نور، کالیبراسیون طیفی سنجنده، توان تفکیک طیفی و مکانی سنجنده، پدیده اختلاط طیفی، اثرات زمین مرجع سازی تصویر، میزان هم زمانی مشاهدات زمینی و تصویری، اثرات اتمسفری و فرا اتمسفری، درخشندگی خورشید روی سطح آب، تلاطم آب، زاویه میل اخذ تصویر، میزان شفافیت ستون آب، مواد محلول و معلق در آب، جنس بستر آب و میزان بازتابش آن و درنهایت حداکثر عمق آب. هرچه این عوامل با دقت و صحت بیشتری مدلسازی شوند، اثرات آنها بصورت ترمهای تصحیحی از روی درجات روشنایی تصویر برداشته شده و عمق آب با صحت بالاتری بدست می آید. در عمل حتی اگر دقت روش عمق سنجی ماهواره ای به دقت روش مستقیم نرسد باز هم در بسیاری از کاربردها که به دقت کمتر (برای مثال تهیه حداقل یک زونبندی کلی از عمق) اما سرعت بالاتری نیاز دارند این روش قابل بکارگیری است. هدف کلی این تحقیق، بررسی قابلیتها و مقایسه روشهای عمق سنجی ماهواره ای است. به بیان دیگر این تحقیق به دنبال این پرسش اساسی است که با استفاده از تصاویر ماهواره ای تا چه میزان می توان از عملیات مستقیم آبنگاری صرف نظر نمود و در این شرایط دقت توپوگرافی بستر بدست آمده چقدر است؟ از آنجاییکه عمق سنجی ماهواره ای در نواحی آبی شفاف با حداکثر عمق 30 متر قابل بکارگیری است در این تحقیق از یک تصویر ماهواره ای با قدرت تفکیک بالای آیکونوس (سنجنده غیرفعال) از سواحل شمال شرقی کیش که یک منطقه نسبتا مهم با ساحلی مرجانی، کم عمق و با آب نسبتا شفاف می باشد برای انجام آزمونها استفاده شد و سه موضوع مختلف مورد بررسی قرار گرفت. موضوع اول پیاده سازی و بررسی توانایی آلگوریتمهای مختلف عمق سنجی سنجش از دور شامل روش Jupp، روشLyzenga، روش PCA، روش Stumpf، روش ANN و روشی ترکیبی Jupp & Lyzenga که ایده کلی آخرین روش توسط این مولف ارائه شده است. موضوع دوم بررسی تاثیر تصحیحات رادیومتریک در مرحله پیش پردازش روی نتایج عمق سنجی بود. موضوع سوم نیز بررسی تعداد و پراکندگی نقاط کنترل در کیفیت نتیجه نهایی بود. علاوه بر این مساله بکارگیری وابستگی مکانی در کنار وابستگی طیفی و مقایسه آن دو با هم برای عمق سنجی مورد بررسی قرار گرفت. پس از تجزیه و تحلیل نتایج آزمونها بصورت کمی و کیفی موارد زیر مشخص گردید. روشهای Lyzenga و ANN از دقت بالاتری در عمق سنجی برخوردار هستند و به عنوان روش های انتخابی توصیه می شوند. در این دو روش، خطای متوسط هندسی (RMSE) و حداکثر خطا بر روی نقاط چک به ترتیب حدود 1.5 متر )حدود 15% عمق آب در هر نقطه) و 6.5 متر (حدود 30% حداکثر عمق آب 20 متر) بدست آمد. کلیه روشها تقریبا از یک الگوی مکانی خطای عمق سنجی برخوردارند که ناشی از عدم امکان مدلسازی تغییرات کیفیت آب و جنس بستر در مکانهای مختلف می باشد. در خصوص اعمال تصحیحات در مرحله پیش پردازش مشخص شد که انجام تصحیح کالیبراسیون سنجنده الزامی نبوده اما تصحیح درخشش خورشیدی تاثیر زیادی در صحت نتیجه نهایی دارد. در خصوص تعداد و تراکم نقاط کنترل نمی توان گفت افزایش تعداد مسیرهای عمق سنجی موجب افزایش دقت نتیجه نهایی می شود و بنابراین به نظر می رسد یک مسیر عمق سنجی از ساحل به میانه دریا برای جمع آوری نقاط کنترل کافی باشد.
- Abstract
- Today, depth mapping of coastal and waterfront areas is necessary for various aims such as shipping, dredging, underwater piping, hazardous area detection, hydrological studies, material mapping of water bed, information collection from marine settlements for environment preservation, military and engineering applications. Periodical depth mapping of wide water areas by classic hydrography method (via ecosounder) is expensive and time consuming. Therefore, due to high capability in rapid data collection from a vast area, remote sensing can be an effective and proper complementary method for this purpose. Attention to this issue is more important for our country which has long shorelines. Unlike photogrammetry which is based on geometric relationships, the basis of remote sensing bathymetry comes from spectral correlation of image gray values and water depth relief. In the other word, more water depth leads to darker image that is due to more energy absorption and scattering of light in the water column. It should be noted that the vice versa is not correct i.e. it does not always say darker image means more depth. This fact causes the remote sensing bathymetry has considerable limitations in measurement accuracy and so in its applications. The reason is that image gray values not only depend on water column depth but also changing by light wavelength, spectral calibration of the imaging sensor, spectral and spatial sensor resolving powers, spectral mixing, image geo-referencing effects, level of imaging and filed measurement simultaneity, atmospheric and upper-atmospheric effects, sun glint of water surface, water turbulence, imaging incidence angle, water column clarity, type and amount of suspense and solvable materials in water, water bed substance and its reflectivity, and finally maximum water depth. To have a higher accuracy of depth measurement, the effects of these issues on the gray values should be modeled and corrected in higher accuracy. In practice, if the accuracy of remote sensing bathymetry is less than the classical hydrography, then it can be utilized for other applications which require less accuracy but rapid measurement such as general depth topography zoning for reconnaissance goals. The main goal of this research is to study capabilities and comparison of different remote sensing bathymetric methods. The dissertation makes an effort to answer the principal question: how much can reduce the hydrographic filed operations by using satellite images and how much is derived accuracy of waterbed topography? Since remote sensing bathymetry is applicable for clear water with depth less than 30 meters, our experiments are made on a high resolution imagery of Ikonos (passive sensor) from east-north shoreline of Kish Island having clear shallow water with coral bed. Four subjects are studied: (1) To evaluate different remote sensing bathymetric algorithms including Jupp, Lyzenga, PCA, Stumpf, ANN and a hybrid Jupp & Lyzenga (developed by author) methods. (2) To study effect of radiometric corrections in data preprocessing on result of methods. (3) To study the number and distribution of ground control depths on accuracy of final derived depths. (4) To survey the idea of spatial dependency as well as spectral correlation on the result. After quantitative and qualitative analyses of experiment results, we found that ANN and Lyzenga methods have higher depth accuracy with RMS error about 1.5 meters (about 15% of its depth) and MAX error of 6.5 meters (about 30% of maximum depth of 20 meters). All methods approximately have a similar spatial pattern of depth error which may be due to impossibility of modeling of water emitting and scattering and waterbed substance reflectivity in different areas. We also found that for radiometric corrections, sensor calibration is not necessary but deglinting is significant for accuracy improvement. At the end, we found that a single path for classic hydrography from shoreline to the middle of sea is enough for ground control depth collection.
