کاربرد سنجش از دور در پایش منابع آب

امروزه سنجش از دور به عنوان یک ابزار بسیار قوی مطرح بوده که جایگاه خاصی در پایش منابع طبیعی بخصوص پایش منابع آب دارا می باشد. با توجه به اینکه وسعت بسیار زیادی از سطح زمین پوشیده از آب است جهت مطالعات منایع آب، اقدامات میدانی کاری پردردسر و پرهزینه بوده جایگاه خود را به پردازش تصاویر ماهواره ای داده است. اقداماتی نظیر بررسی کیفیت آب شامل مطالعات شوری، بررسی مواد معلق و رسوب, بررسی رنگ آب, بررسی وجود فیتوپلانگتونها و جلبکها در آب, میزان کلروفیل و همچنین مطالعات کمی منابع آب شامل اندازه گیریهای تغییرات عمق و یا ژرفاسنجی منابع آب از جمله اقداماتی است که می توان به کمک سنجش از ذور انجام داد. این مقاله با هدف شناساندن نقش سنجش از دور در مطالعات منابع آب تدوین گردیده است تا راهگشایی باشد در استفاده از این تکنیک در پایش منابع آب کشور.

بیش از 70% سطح زمین پوشیده از آب است بنابراین پایش و مدیریت این منبع عظیم بسیار مهم می باشد. یکی از مناسبترین ابزار جهت بررسی و مطالعات منابع آب استفاده ار سنجش از دور است. سنجش از دور علم وسیع و گسترده ای است که در بسیاری از زمینه ها کاربرد دارد و در طول سه دهه گذشته نقش و کاربرد آن در زمینه هیدرولوژی رشد بسیار زیادی داشته است. سنجش از دور علم وکسب اطلاعات بدون تماس نزدیک با آنهاست. تکنیک سنجش از دور این امکان را فراهم می کندکه پایش منابع آب آسان تر و با هزینه کمتر انجام گردد. سنجش از دور متکی بر انرژی بازتابی از پدیده هاست . خصوصیات بازتاب انرژی از آب تابع آب و مواد موجود در آب ( مواد آلی و معدنی ) است. وجود مواد معلق , خزه ها و جلبکها در آب ,تلاطم آب و تغییرات حرارتی در طول روز بر میزان بازتاب انرژی از آب موثر است.

فن سنجش از دور بر پردازش , بارزسازی و تجزیه و تحلیل داده های ماهواره ای استوار است. از جمله داده های ماهواره ای که بدین منظور می تواند مورد استفاده قرار گیرد می توان به داده های حاصل از سنجنده TM وETM+ ماهواره لندست و سنجنده CZCS ماهواره نیمباس 7 و داده های ماهواره SPOT وNOAA و.... اشاره کرد.

کاربرد سنجش از دور در پایش منابع آب را می توان به دو قسمت ارزیابیهای کمی و کیفی این منابع تقسیم نمود. در مورد ارزیابی های کمی منابع آب می توان به اندازه گیریهای تغییرات عمق و یا ژرفاسنجی منابع آب اشاره کرد. و در مورد ارزیابی های کیفی به بررسی و اندازه گیری پارامترهای شیمیایی , فیزیکی و بیولوژیکی مانند شوری آب ,مواد معلق و رسوب, رنگ آب, فیتوپلانگتون و جلبکها, کلروفیل و ... اشاره نمود.

تعیین مقدار رسوب و مواد معلق در آب از نظر کارهای مهندسی اهمیت فراوانی دارد, مواد معلق به شدت به جریان آب وابسته است و نشان دهنده مقدار حرکت رسوب در رودخانه ها می باشد . مواد معلق معمولا در طول بارندگی و بلافاصله بعد از وقوع بارندگی افزایش می یابد و ته نشین شدن آن سبب تخریب محل زندگی گباهان آبزی می گردد.

می توان از مواد معلق رسوبی به عنوان رد پایی برای تشخیص آلوده کننده ها نیز استفاده کرد.

رنگ آب نیز بیان کننده اطلاعات کیفی آب مانند تولیدات بیولوژیک می باشد. این پارامتر کیفی نشان دهنده زندگی یا عدم زندگی موجودات در آب می باشد. رنگ آب در جاههایی که جلبک پلانگتون موجود باشد بصورت سبز تیره به نمایش در می آید.

مطالعه فراوانی فیتوپلانگتونها از این نظر مهم است که این جلبکها زنجیره اصلی مواد غذایی در اقیانوسها می باشند بنابراین بررسی رنگ آب به عنوان یک پارامتر کیفی آب بسیار مهم می باشد.

نتایج حاصل از چندین طرح تحقیقاتی نقش مثبت سنجش از دور را در مطالعات منابع آب تایید کرده است.

خرم و چشیر( 1985 ) , از داده های سنجنده MSS ماهواره لندست جهت بررسی کیفیت آب استفاده نموده و برای پارامترهای کیفی آب مدل ارزیابی ارائه نمودند . بدین منظور از 50 منطقه در خلیج سان فرانسیسکو نمونه گیری انجام داده و سپس مدل رگرسیونی بین پارامترهای کیفیت آب و میانگین ارزشهای انعکاسی (radiance ) باندهای مختلف لندست را بسط دادند و برای هر کدام از پارامترهای شوری , تیرگی[1] , مواد معلق و کلروفیل مدلی ارائه نمودند. و از این مدلها برای پیش بینی و تهیه نقشه پارامترهای کیفی آب استفاده کرد. آنها بیان نمودند که یک همبستگی قوی بین شوری و تیرگی آب وجود دارد بنابراین آب شور معمولا تیرگی بیشتری از آب شیرین دارد. آنها همچنین برای بررسی کلروفیل وتهیه نقشه موضوعی آن , نسبت گیری طیفی را پیشنهاد نمودند, بطوریکه نسبت باند آبی_قرمز(520- 450 ) به مادون قرمز نزذیک ( 1050 – 910) برای غلظت های کم کلروفیل و نسبت بین دو باند قرمز(690 – 630 ) به مادون قرمز نزدیک(750-690 ) برای غلظت های زیاد کلروفیل را پیشنهاد دادند.

برگاوا و ماریام (1992 ) , تاثیر توام شوری و رسوبات جامد معلق را بر میزان انعکاس طیفی آب در آزمایشگاه مورد بررسی قرار داده و نتیجه گرفتند که میزان انعکاس با غلظت مواد معلق رابطه مستقیم و با سطح شوری رابطه عکس دارد. بدین ترتیب که با افزایش شوری و کاهش مواد معلق , انعکاس طیفی کاهش یافته و با کاهش شوری و افزایش مواد معلق , انعکاس طیفی افزایش پیدا می کند.

سروان و بابان (1993 ) , با استفاده از داده های TM ماهواره لندست , پارامترهای کیفی آب مانند مواد جامد معلق , شوری , فسفر کل و دما را مورد مطالعه قرار داده و با استفاده از داده های میدانی رابطه بین باندهای سنجنده TM و پارامترهای کیفی آب را مدلسازی کرد. وی از این مدلها برای پیش بینی و تهیه نقشه پارامترهای کیفی آب استفاده نمود.

علوی پناه و خدائی (1381 ) , به بررسی شوری و مواد معلق به عنوان دو پارامتر کیفی آب در دریاچه ارومیه پرداختند. بدین منظور از داده های TM ماهواره لندست در دو زمان مختلف استفاده گردید. آنها بیان نمودند که باند 3 و 6 سنجنده TM برای بررسی توزیع و پراکنش بار معلق و شوری مناسبتر از بقیه باندها هستند.

ارزیابی کمی منابع آب

به کمک سنجش از دورمی توان تغییرات عمق را در آبهای کم عمق مانند دریاچه ها , استخرها , سواحل دریاها و ... اندازه گیری نمود. همانطوریکه ذکر گردید سنجش از دور متکی بر انرژی بازتابی از پدیده هاست بنابراین علت اینکه نمی توان در آبهای عمیق ژرفاسنجی را به کمک سنجش از دور انجام داد این است که هیچ کدام از طول موجها قادر نیستند تا بیش از 30 متر در آب نفوذ کنند بنابراین بازتاب آبهای خیلی عمیق عملا ناچیز و صفر می باشد.

انرژی با طول موجهای بلندتر از 0.7 میکرومتر به ندرت در آب نفوذ می کنند و تنها انرژی های کمتر از این مقدار می تواند در آب نفوذ نمایند;

به طور کلی می توان این طور بیان نمود که در اعماق کمترآب طول موجهای مرئی میتوانند در آب نفوذ کنند و به ته آب برسند و بازتاب نماید. مثلا طول موج آبی ( 0.5-0.4 میکرومتر ) در عمق کمتر از 30 متر به ته آب می رسد و مقداری بازتاب می نماید , این بازتاب با کاهش عمق بیشتر خواهد شد. در آبهای با عمق دو یا سه متر یا کمتر , نور قرمز نیز ( 0.7-0.6 میکرومتر ) به کف آب می رسد و میزان بازتاب نور قرمز نیز افزایش می یابد.

همانطوریکه ذکر گردید اگر عمق آب زیاد باشد انرژی قبل از رسیدن به کف آب جذب می شود ولی در آبهای کم عمق قسمتی از انرژی مرئی به کف آب رسیده و باز می تابد که قسمتی از آن قادر است بدون جذب شدن به سطح آب برسد. نور آبی وسبز برای نفوذ در آب بهتر از نور قرمز عمل می کنند و مادون قرمز به سختی می تواند در آب نفوذ کند. بنابر این با مقایسه بازتاب این باندها می توان عمق آب را تعیین کرد. استفاده از داده های سنجنده TM وETM+ ماهواره لندست بدین منظور می توانند مفید باشند, اگر چه اندازه تفکیک زمینی این سنجنده ها 30 متر است با این حال به دلیل اینکه در طیف گسترده از آبی تا مادون قرمز تصویربرداری را انجام می دهند جهت انجام ژرفاسنجی آب می توان از آنها استفاده کرد . بنابراین ژرفاسنجی را می توان با استفاده از تصویر ترکیب رنگی کاذب بصورت رقومی و تفسیر آن و یا با ساختن مدل انتقال نور در آب و بااستفاده از ارزشهای بازتابی کف دریا انجام داد.

ارزیابی کیفی منابع آب از جمله سنجنده هایی که می توان در مطالعات آبشناسی وبررسی کیفیت آب مورد استفاده قرار گیرد سنجنده CZCS ماهواره نیمباس 7 است. این سنجنده مجهز به باندهایی است که مخصوصا برای بررسی سبزینه طراحی شده است. توان تفکیک فضایی باندهای این سنجنده نسبتا کم و توان تفکیک طیفی آن بالا می باشد و ابن بدان دلیل است که بتوان رنگ و درجه حرارت آبهای ساحلی و اقیانوسها را اندازه گیری کرد.منظور از اصطلاح رنگ اقیانوسها خصوصیات انعکاس طیفی آب اقیانوسهاست. این خصوصیات بسته به مقدار مواد معلق و محلول آلی و غیر آلی متفاوت است.

مطالبی که در بخش قبل در مورد ژرفاسنجی ارائه گردید فقط وقتی امکان دارد که آب دریا شفاف و ذلال باشد . در آبهای گل آلود که آب حاوی مقدار زیادی ماسه ریز و گل می باشد نور توسط مواد معلق در آب بازتاب پیدا می کند. بنابراین خصوصیات طیفی آب با حضور مواد معلق در آب تغییر میکند. وجود مواد معلق در آب باعث پراکنش انرژی نفوذ یافته به آب می شود و بازتاب را در نزدیکی سطح زیاد می کند بنابراین تعیین عمق آب را غیر ممکن می سازند.

ارزیابی و اندازه گیری مواد معلق در آب معمولا یکی از پارامترهایی است که در بررسی کیفیت آب مد نظر قرار می گیرند. وجود مواد معلق در آب میزان بازتاب را در طیف مرئی افزایش می دهد.

تا قبل از انقلاب صنعتی مشکلی بنام مشکل کیفیت آب وجود نداشت , اما امروزه به دلیل عدم مدیریت شهری , صنعتی و کشاورزی اکثر منابع آب دچار تخریب کیفیت شده اند . سنجش از دور نقش مهمی را در ارزیابی کیفیت آب و مدیریت آن می تواند ایفا نماید. منابع آلودگی اغلب به آسانی می توانند بوسیله سنجش از دور تشخیص داده شوند, بخصوص وقتی بوسیله کانالهای روباز به داخل دریاچه یا رودخانه تخلیه شوند.

قسمتی از طیف الکترومگنتیک شامل مرئی و مادون قرمز برای بارزسازی شاخص های کیفیت مناسب می باشند. مادون قرمز حرارتی نیز میتواند برای اندازه گیری کیفیت آب استفاده شود.  

برای پی بردن به وضعیت کیفَُُیت آب بایستی رابطه تجربی بین پارامترهای کیفیت آب و یک یا چند باند طیفی برقرار شود. شاخص های کیفیت آب مانند رنگ , کلروفیل , مواد معلق وشوری معمولا به کمک سنجش از دور ارزیابی می گردند.

سنجش از دور می تواند در پایش و تخمین میزان تمرکز خزه ها و جلبکها در دریاچه ها و منابع آب[1] استفاده شود. به کمک سنجش از دور می توان محل تمرکز کلرفیل (chlorophyll-a) را در منابع آب شناسائی و مشاهده نمود.کلروفیل رنگدانه ای است که اجازه می دهد گیاهان نور خورشید را تبدیل به فتوسنتز کنند. بدلیل اینکه اندازه گیری بیوماس حقیقی جلبکها و خزه ها در آب بسیار مشکل است , اندازه گیری میزان کلروفیل می تواند نشان دهنده میزان بیوماس جلبکها در آب قلمداد گردد. افزایش میزان کلروفیل سبب کاهش انرژی بازتابی در طول موج آبی و افزایش آن در طول موج سبز می گردد .

علاوه بر موارد ذکر شده به کمک سنجش از دور و تصاویر ماهواره ای می توان نشت مواد نفتی را بر پهنه های دریاها واقیانوسها شناسایی و به کمک ابزار GIS آنرا ردیابی کرد.