امروزه با وجود روش ارتفاع سنجي ماهواره اي امكان تعيين سطح متوسط دريا و تعيين ژئوئيد در درياها با دقت بالا به وجود آمده است. سابقه روش ارتفاع سنجي ماهواره اي براي تعيين سطح متوسط دريا و ژئوئيد، به سه دهه قبل باز مي گردد. امروز با پيشرفتهايي كه در اين زمينه صورت گرفته است، مي توان ارتفاع پاي ماهواره تا سطح دريا، ارتفاع سطح دريا نسبت به بيضوي رفرانس جهاني و ارتفاع سطح دريا نسبت به سطح متوسط دريا را با دقت بسيار خوبي تعيين كرد. در حال حاضر اين روش به خاطر ارائه داده هاي دقيق ارتفاع سطح دريا، كاربردهاي زيادي در رشته هاي مختلف داشته و داراي مزاياي ذيل نيز است:

1- متراكم و يكنواخت بودن توزيع داده ها در سطح دريا

2- دقت و صحت بالا

روش ارتفاع سنجي ماهواره اي براي استفاده متخصصان ژئودزي در تعيين سطح دريا و تعيين توپوگرافي سطح دريا، اقيانوس شناسان در مطالعه ديناميك اقيانوسها و ژئوفيزيكدانها در شناخت ساختارهاي كف اقيانوس ها و فعاليت هاي تكتونيكي زير دريايي مورد توجه و علاقه است. كاربردهاي اين روش در بسياري از رشته ها از جمله اقيانوس شناسي، اقليم شناسي، هواشناسي، مديريت منابع زميني، ژئودزي، ژئوديناميك مشهود است. به عنوان نمونه هايي از كاربردهاي جهاني ارتفاع سنجي ماهواره اي مي توان به موارد ذيل اشاره نمود:

- جريانات دريايي، تغييرات سطح درياها و پديده هاي النينو و لانينا

- تعيين تغييرات ناشي از آب لرزه

- تعيين سطح متوسط درياها و تعيين توپوگرافي سطح دريا

- تغييرات جهاني آب و هوا و تجزيه و تحليلهاي زيست محيطي

- نمايش سطح درياچه هاي بزرگ و نمايش حجم قله هاي يخي

- تعيين ژئوئيد دريايي

- مطالعات ژئوديناميكي درياها

- تحقيقات اقيانوس شناسي

- اكتشاف منابع طبيعي دريايي

مي توان مأموريتهاي ارتفاع سنجي ماهواره ها را به چهار دوره تقسيم نمود:

1- دوره آزمايشي: شامل ماهواره هاي (2,3,4) skylab از سال 1973 تا سال 1975

2- دوره بهره برداريهاي اوليه: شامل ماهواره هاي Geos-3 ، Seasat1 و Geosat تا سال 1991

3- دوره بهره برداريهاي دقيق: شامل ماهواره هاي T/P, ERS-1 و ERS-2 تا سال 1998

4- دوره ماهواره جديد: مأموريتهاي دوره هاي قبل به صورت سلسله وار با ماهواره هاي GFO، Janson-1، Envisat  دنبال مي شود كه پرتاب همه اين ماهواره تاكنون با موفقيت انجام شده است.

شکل ۱: تصویر ماهواره توپکس پوزایدون

اصول هندسي ارتفاع سنجي

يكي از روشهاي سنجش از دور، ارتفاع سنجي به معناي تعيين ارتفاع يك سطح نسبت به سطحي ثابت است، كلمه آلتيمتر از دو بخش تشكيل شده است: Altus به معناي ارتفاع و ‌Metron به معناي اندازه گيري. پس آلتيمتر وسيله اي است كه عمل ارتفاع سنجي را انجام مي دهد. ارتفاع سنج يك دستگاه مشاهده كننده نادير (‌پاي شاقولي) است كه بر روي سكوهاي گوناگوني قرار مي گيرد.

از طريق آنتن ماهواره ارتفاع سنجي، ميكروموج به صورت امواج مخروطي شكل، به صورت پالس به طرف زمين فرستاده شده و سطح زمين را به شكل يك دايره پوشش مي دهد كه به آن فوت پرينت گفته مي شود. سپس بلافاصله ميكروموج از سطح زمين منعكس شده و به طرف ماهواره بر مي گردد (شكل 2). زمان رفت و برگشت موج، توسط ساعت ماهواره اندازه گيري مي شود. در نتيجه مي توان ارتفاع پاي ماهواره را از سطح دريا (برد ماهواره) محاسبه نمود.

شکل ۲: اصول اساسی اندازه گیری ارتفاع سنجی ماهواره ها

اصول فيزيكي ارتفاع سنجي

در ارتفاع سنجها از امواج ميكروموج (قسمت امواج راديويي طيف تابش الكترومغناطيس) استفاده مي شود. انواع ميكروموجها به امواج با طول موجهاي ميليمتري (EHF)، سانتي متري  (SHF) و دسي متري (UHF) تقسيم مي شوند. اين امواج نسبت به امواج با طول موجهاي كوتاه، بيشتر خاصيت موجي از خود نشان مي دهند تا خاصيت ذره اي و خطي.

مشاهدات ارتفاع سنجي

مشاهده برد ارتفاع سنج، فقط يكي از اندازه گيري هاي ماهواره ارتفاع سنج است كه خود پارامتر بسيار مهمي براي تعيين ديگر پارامترهاي سطح درياست. اين اندازه گيري، نقش بسيار مهمي در تعيين ارتفاع سطح دريا، توپوگرافي سطح دريا و آنامولي سطح دريا دارد. اختلاف بين برد اندازه گيري شده و ارتفاع ماهواره از سطح بيضوي رفرانس، ارتفاع سطح دريا را نسبت به بيضوي رفرانس مشخص مي كند. رابطه كميت برد و ارتفاع ماهواره با صرف نظر كردن از خطاهاي برد ماهواره به صورت ذيل است:

                                                                   H_{Sea Surface} = h_Satellite - Range_Altimeter

اگر ارتفاع ژئوئيد را از ارتفاع به دست آمده از فرمول 2 كم كنيم، ارتفاع سطح لحظه اي دريا نسبت به ژئوئيد به دست مي آيد. اين ارتفاع ، توپوگرافي سطح دريا نام دارد. اين سومين داده اي است كه ماهواره هاي ارتفاع سنج ارائه مي دهند. به اين ترتيب مي توان نوشت:

T_{Sea Surface} = H_{Sea Surface} – N_geoid = h_Satellite – Range_Altimeter - N_geoid

معمولاً توپوگرافي سطح دريا را از اختلاف بين سطح متوسط دريا (MSS) و ژئوئيد تعيين مي كنند و آن را توپوگرافي متوسط سطح دريا مي نامند. رابطه تعيين اين توپوگرافي عبارتست از:

SST = MSS - N_geoid

شکل ۳: سطوح در دریا و مشاهدات ماهواره ای

روي برد اندازه گيري شده، تصحيحات جوي مثل تصحيح يونوسفر و تصحيح تروپسفر، تصحيح باياس وضع دريا و باياسهاي ارتفاع سنج اعمال مي شوند. براي تعيين ارتفاع ماهواره نسبت به سطح بيضوي رفرانس، تعيين دقيق موقعيت ماهواره در مدار آن ضروري است.

سنجش از دور به وسيله ليزر را ليدار گويند و تكنيك اندازه گيري عمق آبهاي ساحلي و نواحي كم عمق و ترسيم نقشه هاي كف و ناهمواريها را بوسيله اسكن با پالسهاي ليزري، ليدار هيدروگرافي گويند. به طور کلي 6 سيستم کاربردی  (Airborne Lidar Hydrography) ALHوجود دارد و يکی از پيشرفته ترين و قابل اعتمادترين آنها (Scanning Hydrographic Operational Airborne Survey) SHOAS است.

استفاده از ALH، از اواسط سال 1960 با بوجود آمدن ليزر و كاربرد آن در پيدا كردن زير دريائيها آغاز شد. در سال 1970 اولين سيستمهاي ليدار هوايي توسط آمريكا تست شده و همچنين NASA، كانادا و استراليا نيز تستهايي در زمينه ليدار انجام دادند.

اصول عملكرد ليدار هيدروگرافي:

پايه اصلی سيستم ALH بر اين است که سنسور Lidar دو طول موج ليزر را به سوی سطح آب می فرستد، همانطوری که در شکل 1 (a)ملاحظه می­فرمائيد. عمق آب ممکن است از اختلاف زمان بازگشت ليزر انعکاسی از سطح آب و کف دريا محاسبه گردد. در اکثر سيستم­ها، يک کانال مادون قرمز  برای تشخيص سطح استفاده می­شود در حالی که برای تشخيص کف از کانال آبی- سبز استفاده می­شود، شکل 1 (b).

شکل1: (a) اصول عملکرد ALH , (b) هندسه نفوذ نور

پرتوهای ليزر يا به صورت قوس يا به صورت مستقيم در جهت عمود بر مسير پرواز در يک نوار با عرضی در حدود نصف ارتفاع، اسکن می­شوند.

در اثر انتشار يك پالس كوتاه ليزري در محيط، پخش و جذب روي آن رخ داده كه انرژي باز پراكنش پس از مدتي بعد از ارسال پالس اصلي در گيرنده دريافت شده و آناليز تغييرات آن، اطلاعات بسيار ارزشمندي را مي دهد. شكل 2 موج خاصي از ليدار را كه از سطح و كف منعكس شده نشان مي دهد. انعكاسات سطحي در پيك اول و انعكاسات از كف در شكل 2 نشان داده شده است.

اختلاف زمان انعكاسات از سطح و كف پس از تصحيحات زاويه حضيض براي محاسبه عمق به كار مي رود. آشكارش اشياء غوطه ور در آب مشكل بوده زيرا انعكاسات شديد سطحي مانع آشكار شدن آنها مي شود. اما اگر شي ء غوطه ور در برابر نور ليزر شفاف نباشد و انعكاس از آبهاي زير آن بوجود نيايد در شكل موج گرفته شده جاهايي سياه شده و جسم قابل شناسايي مي شود.

شكل 2: موج انرژي بازگشتي ليدار

مزاياي استفاده از ليدار هيدروگرافي:

استفاده از ليزر به وسيله هواپيما انجام شده در نتيجه سرعت داده برداري بسيار بالاست همچنين در نواحي ساحلي و كم عمق نمي توان از سونارها استفاده كرد در حالي كه ليدار براي اين مناطق بسيار كاراست، در نواحي كه خطر غرق شدن كشتي يا به گل نشستن آن وجود دارد ليدار به خوبي جواب مي دهد. استفاده از ليدار در آبهاي عميق و تيره امكان پذير نبوده كه در اين نواحي سونارها قدرت مانور بيشتري داشته همچنين در آشكارش اجسام سخت كمتر از يك متر مربع استفاده از سونارها بر ليدار ارجحيت دارد.

ترسيم نقشه و كف نگاري از سطح آب در ابعاد وسيع، بوسيله ليدار قابل انجام است. اطلاعات جمع آوري شده از كف نگاري در مدل سازي طوفانهاي دريايي و مدلسازي شن و ماسه هاي كف نيز به كار مي رود. آزمايشات انجام شده بوسيله ليدارهاي مختلف نشان مي دهد كه بسته به نوع پروژه و مكان انجام آن ، ارزش استفاده از ALH نسبت به تكنيكهاي سوناري 1 به 5 يا 1 به 2 مي باشد. در شكل 3 مقايسه اي بين عملكرد ليدار و سونار در مناطق كم عمق نشان داده شده است. استفاده از كف نگاري ليدار براي آشكارش كف با دقت متوسط به كار مي رود، در حالي كه از سونارهاي باند باريك براي عكسهاي با دقت بالا استفاده مي شود. سيستمهاي ليدار براي آبهاي كم عمق بسيار مفيد هستند. در حالي كه سونارهاي چند بيم براي اعماق بيشتر كارايي بهتري دارند. عمق، شفافيت آب، اطمينان و محدوديتهاي آبي براي يك منطقه مورد نظر شرايطي هستند كه ارجحيت را به استفاده از ليدار هوايي يا سيستمهاي سوناري مي دهند. ليدار هوايي يك وسيله جايگزين سونار نيست، بلكه ابزار جديدي بوده كه ارزش سرمايه گذاري بيشتر براي رشد و توسعه را در كنار سونار و براي توسعه آن دارد.

شكل 3: مقايسه بين عملكرد  ليدار و سونار چند بيم  در آبهاي كم عمق

محدوديتهاي استفاده از ليدار هيدروگرافي:

يكي از مهمترين محدوديتها براي سيستم ALH، شفافيت آب بوده كه مشخص كننده عمق ماكزيمم است. عمق ماكزيمم قابل اندازه گيري بوسيله سيستم هاي ليزري بستگي به انرژي پالس ليزر، پهناي باند گيرنده اپتيكي، روزنه، ميدان ديد، بازده سيستم اپتيكي، ميزان نويز الكترونيكي، ارتفاع پرواز، شفافيت آب و بازتاب پذيري كف دارد.

مشخصات

مدیر گروه هیدروگرافی 

نام و نام خانوادگي: دکتر مهدي نجفي علمداري

ميزان تحصيلات: دكتري ژئودزي- دانشگاه UNB كانادا

مرتبه علمي: دانشيار

پست الكترونيك:

mnajalm@yahoo.com

مشخصات  

نام و نام خانوادگي: دکتر مسعود مشهدی حسینعلی

ميزان تحصيلات: دكتري ژئودزی دانشکده ژئودزی و ژئوماتیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی و عضو هیئت علمی و مدیر گروه نقشه برداری دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی

مرتبه علمي: استاديار

پست الكترونيك:

hossainali@kntu.ac.ir

مشخصات

نام و نام خانوادگي: دکتر روح الله عمادی

ميزان تحصيلات: دكتري ژئودزی دانشکده ژئودزی و ژئوماتیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی و عضو هیئت علمی و مدیر گروه نقشه برداری دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

پست الكترونيك:

rs_emadi@yahoo.com

مشخصات

نام و نام خانوادگی: دکتر عباس شیخ محمدزاده

ميزان تحصيلات: دكتري سیستم اطلاعات جغرافیایی دانشکده ژئودزی و ژئوماتیک دانشگاه تهران

پست الكترونيك:

مشخصات

نام و نام خانوادگی: دکتر اصغر راست بود

میزان تحصیلات:دکتری ژئودزی دانشکده ژئودزی و ژئوماتیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی و عضو هیئت علمی گروه نقشه برداری دانشگاه تبریز

پست الکترونیک:

مشخصات

نام و نام خانوادگی: مهندس بهمن تاج فیروز مدیر عامل شرکت دریا ترسیم و کارشناس ارشد هیدروگرافی

پست الكترونيك:

firooz@apadana.com 

رشته مهندسي نقشه برداري كه امروزه گاهي اوقات مهـندسي ژئودزي و ژئوماتيك نيز خوانده مي شود در بــرگيرنده كـليه فعالــيتهايـي است كه به نوعي منجر به برآورد مختصات يـك يا چند نقطه از سطـح درون و يا برون زمين مي گردد، بنا به كاربردهاي متنوع رشته مهندسي نقشه برداري و نياز به پرورش متخصصين با توانايي هاي ويژه در اين رشته، در مقاطع كارشناسي ارشد و دكترا در نقاط مختلف جهان داراي گرايش هايي نظير ژئودزي، هيدروگرافي، فتوگرامتري و سنجش از دور و سيستم هاي اطلاعات جغرافيايي بوده و وجه مشترك همه گرايش ها سر و كار داشتن با مختصات نقاط زميني و كاربردهاي آن مي باشد.

با توجه به ارتباط مستقيم گرايشهاي ژئودزي و هيدروگرافي، مختصري به تعريف اين دو مي پردازيم.

1- ژئودزي: علمي است كه هدف از آن تعيين شكل و اندازه زمين و مختصات نقاط روي سطح زمين و يا بالاي آن و همچنين بررسي تغييرات زماني در شكل و ميدان ثقل زمين مي باشد.

ژئودزي خود به گرايش هاي مختلفي تقسيم مي شود مانند:

الف- ژئودزي فيزيك (فيزيكال ژئودزي): هدف تعيين پارامترهاي ميدان ثقل زمين

ب- ژئودزي ديناميك: هدف بررسي تغييرات لحظه اي در شكل و اندازه زمين

ج- ژئودزي ماهواره اي: هدف تعيين مختصات با روش هاي ماهواره اي نظير LLR – SLR , GPS

2- هيدروگرافي: هيدروگرافي عبارت است از علم اندازه گيري و ترسيم پارامترهايي براي توصيف دقيق طبيعت و شكل بستر دريا نسبت به موقعيت جغرافيايي عوارض زمين و ديگر ويژگي حركت هاي دريا.

برخي از افراد تصور مي كنند كه هيدروگرافي بخشي از اقيانوس شناسي است و برخي ديگر آن را بخش ويژه اي از نقشه برداري دريايي مي دانند و به طريق ديگري هيدروگرافي داراي يك رابطه ضمني با ژئودزي است. اين مهم را با اين مطلب مي توان فهميد كه هيدروگرافي، عمليات تعيين موقعيت در دريا به همراه عمق يابي است و روشهاي متعددي از ژئودزي را بكار مي گيرد.

چارت زير رابطه بين ژئودزي و هيدروگرافي را به وضوح مشخص مي كند.

ولي با توجه به رابطه مستحكمي كه بين هيدروگرافي و ژئودزي وجود دارد يك سري تفاوتهايي را هم بايد در نظر بگيريم:

1- در ژئودزي ايستگاه ها روي عوارض ثابت انتخاب مي شوند ولي در هيدروگرافي عارضه ثابت و سختي وجود ندارد، در نتيجه ايستگاه ها نيز ثابت نبوده و در دريا دائماً در حال تغيير هستند.

2- فواصل در ژئودزي بين 20 تا 30 كيلومتر و حداكثر 50 كيلومتر است ولي در هيدروگرافي فواصل بالاي صدها كيلومتر است.

3- سيستم مختصات مورد استفاده در هيدروگرافي لزوماً منطبق بر سيستم مختصات مورد استفاده در ژئودزي نيست، در هيدروگرافي برعكس ژئودزي كه از سيستم مختصات محلي استفاده مي شود بايد از سيستم مختصات جهاني استفاده نمود.

4- استفاده ژئودزي از امواج جهت تعيين فاصله به صورت ديد به ديد است يعني فرستنده بايد گيرنده خود را ببيند، البته لزوماً نبايد بيننده چشم انسان باشد ولي در هيدروگرافي اندازه گيري وراي ديد است چرا كه فواصل صدها كيلومترند لذا از امواجي استفاده مي شود كه لزوم ديد مستقيم را نداشته باشند.

5- تفاوت ديگر در سطح مبناي ارتفاعي است، در ژئودزي سطح مبناي ارتفاعي ژئوئيد است كه تقريباً منطبق بر سطح متوسط آب هاي آزاد است در حالي كه سطح مبناي ارتفاعي در هيدروگرافي سطحي است به نام چارت ديتوم. 

من براي شما دوستان عزيزم كه شايد امسال در كنكور كارشناسي ارشد هيدروگرافي شركت كرده باشيد يا قصد داريد كه در سالهاي بعد شركت كنيد سرفصل دروس اين رشته را قرار مي دهم.