مروری بر روش‌ها و فناوری‌های تشخیص طوفان‌های گرد و غبار

تهیه‌کننده: علی حسین‌نژاد

مقدمه

طوفان‌های گرد و غبار پدیده‌های متداول در بسیاری از نقاط جهان است که خطرات جدی برای محیط‌زیست، اقتصاد و بهداشت به همراه دارد. هشدار به هنگام در مورد نزدیک شدن طوفان‌های گرد و غبار موجب می‌شود که اقدامات احتیاطی را انجام شوند و تاثیرات مخرب آن بر زندگی روزمره انسان‌ها به حداقل برسد. این اقدامات نیازمند نظارت مستمر بر چگونگی طوفان‌های گرد و غبار و حرکات شن‌ها در یک منطقه خاص است. یک فناوری خاص می‌تواند جهت تشخیص نوع خاصی از طوفان‌های گرد و غبار مناسب باشد اما رویکردهای ترکیبی می‌تواند انواع بسیاری از طوفان‌های گرد و غبار را تشخیص دهد. در این گزارش، بررسی سریعی از روش‌ها ها و فناوری‌ها جهت نظارت مستمر بر طوفان‌های گرد و غبار ارائه شده است.

موضوعات اصلی که در توسعه یک سیستم تشخیص و پیش بینی طوفان‌های گرد و غبار مطرح است، شامل داده، مدل‌سازی گرد و غبار و طراحی یک روش پیش‌بینی موثر است. چنین سیستم‌هایی به داده‌هایی در مورد گرد و غبار و سایر تغییرات محیطی نیاز دارند که از دو طریق مشاهدات از سطح زمین و مشاهدات از فضا بدست آیند. با این حال، رویکردهای ترکیبی نسبت به هر دو نوع مشاهده دارای عملکرد بهتری است. متداول‌ترین فناوری‌های تشخیص و پیش‌بینی طوفان‌های گرد و غبار به ۳ دسته، مطابق شکل زیر تقسیم می‌شوند که توضیحات پیرامون هر یک در ادامه می‌آید.

۱. مشاهدات از سطح زمین

روش‌‌های مشاهدات از سطح زمین شامل برج‌های دیده‌بانی، نظارت تصویری و حسگرها است. این مشاهدات بسیار دقیق و جزئی می‌باشد. اما آنها محدود به زمین بوده و قادر به شناسایی گرد و غبار در مقیاس بزرگ نیستند.

۱.۲ برج‌های دیده‌بانی

برج‌های دیده‌بانی، یکی از قدیمی‌ترین روش‌های پایش آب و هوا محسوب می‌شود. این برج یک سازه بسیار بلند است که جهت مشاهده آب و هوا یا دیگر روخدادها نظیر آتش، گرد و غبار و غیره از مسافت‌های طولانی استفاده می‌شود. این برج‌ها این امکان را به ناظر انسانی می‌دهد که دید ۳۶۰ درجه از محیط پیرامونی خود داشته باشد. توانایی و دقت تشخیص طوفان‌های گرد و غبار به شدت محدود به قابلیت‌های انسانی است. ایجاد و مدیریت هزاران برج این چنینی در مناطق دور  افتاده امکان‌پذیر نیست. بیشتر برج‌های موجود یا متروکه‌اند و یا به عنوان موزه و اماکن گردشگری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

۱.۳ نظارت تصویری

تصویر‌های دیجیتال از ایستگاه‌های تصویربرداری مستقر بر زمین، ابزاری مفید و کارآمد جهت تشخیص طوفان-های گرد و غبار در محیط‌های پیرامونی خود هستند. یک ایستگاه تصویربرداری با دوربین‌هایی که به صورت محلی یا از راه دور نصب شده‌اند، تجهیز می‌شود. تصاویر دریافتی از این دوربین‌ها جهت تشخصیص وقوع طوفان پردازش می‌شود و در صورت نزدیک شدن طوفان گرد و غبار هشدارهای لازم داده می‌شود. تنها محدودیت این تکنیک، ضعف در تشخیص طوفان‌های گرد و غبار در مقیاس بزرگ است.

۱.۳.۱ رادار و لیدار

رادار سیگنال رادیویی در طول موج‌های میکرو (۳۰۰ مگاهرتز تا ۳۰ گیگاهرتز) را ارسال و میزان بازتاب آن را ضبط می‌کند. با پردازش رایانه‌ای سیگنال بازتاب شده می تواند ارتفاع، مسافت، اندازه، سرعت و جهت اشیا را پیدا و یک تصویری از محیط ایجاد کند. از آنجایی که سیگنال‌ها می‌تواند در ابر، مه، گرد و غبار و غیره نفوذ کنند، از این روش می‌توان هم در شب و هم در روز و همچنین در شرایط بد آب و هوایی استفاده کرد. به طور مشابه، لیدار نور مادون قرمز و یا لیزر را در طول موج مرئی ارسال می‌کند و سپس میزان بازتاب آن را ثبت می‌کند. از این روش جهت ایجاد تصویری از محیط و تعیین ارتفاع، مسافت، اندازه، سرعت و جهت اشیا استفاده می‌شود. به دلیل استفاده از نو، این روش در شرایط بد آب و هوایی به خوبی کار نمی‌کند. هم رادار و هم لیدار به طور گسترده‌ای جهت تشخیص طوفان‌های گرد و غبار استفاده می‌شود.

۱.۳.۲ شبکه حسگرهای بیسیم (WSN)

شبکه حسگرهای بیسیم به طور گسترده‌ای جهت پایش خطرات طبیعی از قبیل فوران آتشفشان، زلزله، سیل، بارش برف، آتش‌سوزی در جنگل‌ها و غیره استفاده می‌شود. بکارگیری از شبکه حسگرهای بیسیم به منظور تشخیص طوفان‌های گرد و غبار روشی بسیار جدید می‌باشد. از مزایا این روش جهت پایش گرد و غبار می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• از حسگرها را در مناطقی که سیگنال ماهواره‌ها در دسترس نیستند می‌توان استفاده کرد.
• از چنین شبکه می‌توان برای دیگر حوادث مانند آتش‌سوزی، بارش باران و برف، فوران آتشفشان و غیره استفاده کرد.
• حسگرها اطلاعات دقیق‌تر، به‌روزتر و با جزئیات بیشتری را ارائه می‌کنند.
• حسگرها اطلاعات مربوط به کانون‌های گرد و غبار را به سرعت تهیه می‌کنند.

۲. مشاهدات از فضا

مشاهدات از فضا پوشش بسیار گسترده از رخدادهای مربوط به گرد و غبار را ارائه می‌کند. اما این روش در شب و یا درمحیط‌های ابری عملکرد پایین دارد. متداول‌ترین روش‌های مورد استفاده برای مشاهدات از فضا شامل تصویربرداری ماهواره‌ای و استفاده از هواپیماهای بدون سرنشین (پهباد) می‌باشد.

۲.۱ تصویربرداری ماهواره‌ای

تصویربرداری ماهواره‌ای یا سنجش از دور به یکی از متداول ترین روشها برای تشخیص طوفان‍های گرد و غبار در مقیاس بزرگ و بلند مدت تبدیل شده است. کاربرد تصویربرداری ماهواره ای در تشخیص طوفان‍های گرد و غبار در دو دهه گذشته به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است. لازم به ذکر است که طوفان های گرد و غبار بازتاب  بالایی دارند و از این رو در طیف مرئی نسبتاً روشن به نظر می‌رسند اما در طیف مرئی به شدت در برابر پراکندگی واکنش نشان می دهند.

۲.۱.۱ تصویربرداری مرئی و نزدیک به مادون قرمز

تصویربرداری مرئی و مادون قرمز نزدیک دارای مشکلات در تشخیص طوفان‌های گرد و غبار در مناطق با سطح زمین روشن است که این امر موجب محدودیت در استفاده از آن بر روی آب مانند اقیانوس ها و سطوح زمین تاریک مانند مناطق پوشش گیاهی می‌شود. جهت فائق بر این محدویت، روش‌هایی برای یافتن خصوصیات نوری آئروسل بر روی سطح زمین پیشنهاد شده است.

۲.۱.۲ تصویربرداری حرارتی مادون قرمز

تصویربرداری حرارتی مادون قرمز در تشخیص طوفان‌های گرد و غبار بسیار مفید و شاید بهترین روش است. طوفان گرد و غبار غالباً در طول شب اتفاق می افتد كه تصاویر VIR و NIR در تشخیص آن كمك چندانی نمی-کند. از این‌رو، می‌بایست از تصویربرداری حرارتی به وسیله تعداد زیادی حسگر استفاده کرد. رویکردهای حرارتی-مبنا، از ویژگی‌های حرارتی آئروسل‌های معدنی و بخارات آب استفاده می کند تا بین آن‌ها تمایز ایجاد کند. با این حال ، این روش در تمایز ذرات معلق در برابر گرد و غبار از مناطق نشات گرفته از گرد و غبار مانند بیابان ها ، مناطق نیمه خشک و مناطق خشک با مشکل روبرو است زیرا آئروسل های گرد و غبار و منابع گرد و غبار دمای روشنایی (BT) مشابهی دارند.

هر دو روش VIR و TIR از دهه ۱۹۷۰ برای تشخیص طوفان‌های گرد و غبار استفاده شده اند. با این حال ، تکنیک های TIR هم در روز و هم در شب عملکرد بهتری دارند. برخی از ماهواره های مدرن ، خروجی‌های مبتنی بر TIR ایجاد می‌کنند که با استفاده از آن‌ها می توان به راحتی طوفان‌های گرد و غبار را تشخیص داد.

۲.۱.۳ تصویربرداری رادار و ماکروویو

تصویربرداری رادار و ماکروویو در تشخیص طوفان‌های گرد و غبار به خصوص در هوای ابری بسیار مفید است. زیرا که مایکروویو و رادار به راحتی می‌توانند درون یخ، ابر و غیره نفوذ کنند. تشخیص طوفان‌های گرد وغبار مبتنی بر مایکروویو با استفاده از تکنیک اختلاف قطبی شدن  صورت می‌گیرد.

۲.۱.۴ رویکرد چند طیفی

تصاویر موجود در طیف مرئی فقط به تکنیک‌های ساده پردازش تصویر مانند پیکسل یا تشخیص لبه نیاز دارند تا حوادث شن و ماسه و گرد و غبار را تشخیص دهند. با این حال ، این کار با وجود ابرها ، دریا و سطح در تصاویر چالش برانگیز می شود و در شب هنگام که تصویر روشنی در دسترس نیست.

رویکرد چند طیفی که به عنوان رویکرد یکپارچه یا رویکرد چند حسگر نیز شناخته می شود ، مشاهدات بسیاری از سنسورهای ماهواره ای از جمله دستگاه های قابل مشاهده، مادون قرمز و مایکروویو را در هم می‌آمیزد تا ضمن جلوگیری از نقاط ضعف موجود در آنها به تنهایی، دقت در تشخیص طوفان‌های گرد و غبار را بهبود بخشد.

۲.۲ هواپیمای بدون سرنشین (پهپاد)

استفاده از پهپادها در تشخیص طوفان‌های گرد و غبار و سایر خطرات در سالهای اخیر به میزان قابل توجهی افزایش یافته است. پهپادها معمولاً مجهز به سنسورهای متعدد، از جمله دوربین‌های دیجیتال برای تصویربرداری با وضوح بالا، سنسورهای چند طیفی، رادار و غیره هستند. اخیراً روشهای مختلفی برای پردازش تصاویر دیجیتال ضبط شده توسط پهپادها، تصاویر چند طیفی، جریان فیلم و غیره ایجاد شده است.

پهپادها می توانند به سرعت در منطقه مستقر شوند و در مقایسه با هواپیماهای سرنشین دار می توانند تصاویر با وضوح بسیار بالا با هزینه نسبتاً کم تهیه کنند. با این حال، هزینه بسیار بالایی در رابطه با رسیدن به دانش و ساخت اولیه پهپاد، تربیت نیروی متخصص و اخذ مجوز از سوی سازمان‌های ذی‌صلاح وجود دارد. متأسفانه، استفاده از پهپادها در پایش طوفان‌های گرد و غبار به دلیل مشکلات پرواز در هنگام طوفان بسیار محدود است. با این حال، از پهپادها برای مطالعه آئروسل، گرد و غبار و ابر استفاده شده و یک سیستم پروفایل جهانی برای بهبود آب و هوا و پیش بینی آب و هوا با استفاده از پهپادهای پایدار در ارتفاع بالا توسعه یافته است.

۳. رویکردهای ترکیبی

رویکردهای ترکیبی از هم‌افزایی قابلیت‌های رویکردهای دیگر بهره می‌گیرد و برای تشخیص طوفان‌های گرد و غبار بسیار مفید هستند. همچنین این رویکردها جهت مطالعه انتقال گرد و غبار در مسافت‌های طولانی مناسب می‌باشد. در این رویکرد از روش‌های مبتنی بر زمین و مشاهدات از فضا جهت تشخیص طوفان‌های گرد و غبار استفاده می‌شود. به طور کلی، رویکرد ترکیبی از تصویربرداری ماهواره‌ای با فناوری‌های دیگر همچون نظارت تصویری، حسگرها، پهبادها و غیره استفاده می‌کند.به عنوان مثال، ترکیب مشاهدات از فضا از طریق ماهواره با مشاهدات از سطح بر زمین از طریق ایستگاه‌های تصویربرداری دیجیتال بسیار رایج است.

مزیت اصلی چنین رویکردی در این است که نظارت تصویری هنگامی که هوا ابری بوده و تصویربرداری ماهواره‌ای به خوبی کار نمی‌کند، کار می‌کند. معمولا از ایستگاه‌های تصویربرداری برای تقویت ماهواره‌های سنجش از دور جهت افزایش قابلیت تشخیص و ردیابی طوفان‌های گرد و غبار استفاده می‌شود. به طور مشابه، ترکیبی از تصویربرداری ماهواره‌ای به همراه مدل‌های گرد و غبار منطقه‌ای، نمونه‌برداری از ذرات و سیستم‌های LIDAR جهت نظارت بر طوفان شدید گرد و غبار در یونان استفاده شده است. علاوه بر این، ترکیبی از GIS و WSN جهت ایجاد نقشه‌های آلودگی برای محیط شهری که در آن حسگرها جهت اندازه‌گیری آلاینده‌ها و GIS برای  اطلاعات جغرافیایی قرار دارد، استفاده شده است. سیستم پیشنهادی نقشه آلودگی را برای یک منطقه ایجاد می-کند و مناطقی را که آلودگی بیشتری دارد برجسته می‌کند. استفاده از رویکردهای ترکیبی متشکل از تصویربرداری ماهواره‌ای و WSN به دلیل کارآیی و اثربخشی آن‌ها در تشخیص انواع مختلفی از طوفان‌های گرد و غبار، رو به رشد می‌باشد.

۴. مقایسه فناوری‌‌ها

در جدول زیر مقایسه‌‌ای بین فناوری‌‌های تشخیص طوفان‌‌های گرد و غبار آمده است.

منبع: https://bit.ly/35Kg13R