آموزش ژئورفرنس کردن نقشه‌های زمین‌شناسی در نرم‌افزار ENVI

ژئورفرنس کردن نقشه‌های زمین‌شناسی در نرم‌افزار ENVI + مثال کاربردی

مقدمه

یکی از مهم­‌ترین کاربردهای مختصات­­‌دار شدن نقشه­‌های زمین‌­شناسی در محیط ENVI، مقایسه نتایج پردازش تصاویر با نقشه‌های زمین­‌شناسی می­‌باشد که امکان بررسی رفتارهای طیفی را در واحدهای زمین­‌شناسی مختلف فراهم می­‌سازد. در پایان این مقاله، مثالی کاربردی برای مختصات­‌دار شدن نقشه­ زمین­‌شناسی در محیط ENVI ارائه شده است. نقشه­‌ای که برای مختصات دار شدن انتخاب شده است، نقشه زمین شناسی 1:100000 کرمان می­‌باشد.

فرخوانی نقشه زمین‌شناسی به نرم‌افزار ENVI

ابتدا از طریق منوی File و گزینه Open Image File نقشه زمین‌شناسی مورد مطالعه را به نرم‌افزار فراخوانی کنید (شکل 1).

شکل 1

تنطیمات اولیه

 ابتدا تصویر نقشه زمین­‌شناسی را در یک Display لود کنید. سپس از طریق مسیر زیر، به پنجره Image to Map Registration دسترسی پیدا خواهید کرد:

Map → Registration → Select GCPs: Image to Map

در پنجره Image to Map Registration در قسمت Select Registration Projection ابتدا سیستم مختصات را انتخاب کنید. در قسمت Datum سطح مبنا را تعیین و همچنین در قسمت Units واحد مورد استفاده را انتخاب کنید. حال برای مشخص کردن زون محدوده مورد مطالعه خود؛ اگر از زون نقشه زمین‌شناسی محدوده مورد مطالعه خود مطلع هستید، عدد مربوط به زون را در قسمت Zone وارد کنید. در غیر این صورت از گزینه Set Zone کمک بگیرید، بر روی گزینه Set Zone کلیک کنید؛ پنجره Select UTM Zone باز می­‌شود در قسمت­‌ Latitude و  Longitude مختصات یکی از گوشه­‌های نقشه زمین­‌شناسی را وارد کنید و OK را بزنید. سپس زون محدوده مورد مطالعه نمایش داده خواهد شد. در قسمت X Pixel Size و Y Pixel Size که مربوط به اندازه پیکسل­‌ها می­‌باشد؛ با توجه به مقیاس نقشه تعیین می­‌شود. برای مثال اندازه پیکسل­‌ها برای نقشه­‌های 1:100000 بین 30 تا 50 متر و در نقشه­‌های 1:250000، 100 متر تعیین می­‌گردد. سپس بر روی OK کلیک کنید (شکل 2).

شکل 2

تعیین نقاط کنترلی

بعد از OK کردن پنجره­‌ Image to Map Registration، پنجره­ Ground Control Points Selection باز می‌­شود (شکل 3-الف) که مربوط به انتخاب نقاط کنترلی برای مختصات دادن به نقشه می‌باشد.

نکته: با چهار نقطه کنترلی هم امکان مختصات دادن به نقشه وجود دارد اما برای بدست آوردن خطای RMS باید حتما بیشتر از چهار نقطه کنترلی مشخص شده باشد.

اگر مختصات چهار گوش را به صورت UTM در اختیار داشتید آن را در کادر مربوطه (که با رنگ قرمز مشخص شده است) وارد کنید در غیر این صورت بر روی آیکونی که با رنگ آبی مشخص شده است کلیک کنید تا سیستم مختصات به درجه و دقیقه تبدیل شود، مانند شکل 3-ب.

شکل 3: تصویر سمت چپ (شکل 3-الف) و تصویر سمت راست (شکل 3-ب)

حال به منظور انتخاب نقاط کنترلی از نقاط چهار گوشه نقشه که دارای مختصات هستند استفاده می‌­شود؛ به این ترتیب که ابتدا یه گوشه دلخواه از نقشه زمین­‌شناسی در نظر گرفته می‌­­شود؛ برای مثال گوشه چپ و بالای نقشه را در نظر بگیرید و علامت ماوس را در تصویر Zoom دقیق بر روی گوشه نقشه قرار دهید، مانند شکل 4، سپس در پنجره Ground Control Points Selection و در قسمت Lat و Lon مشخصات گوشه نقشه را وارد کنید و گزینه Add Point را بزنید به همین تریب مختصات سه گوشه دیگر نقشه را تعریف کنید. اما برای مشخص شدن خطای RMS باید نقطه پنجمی را در نظر گرفت. اگر نقشه‌­های زمی‌ن­شناسی یک مربع در نظر گرفته شوند معمولاً مختصات وسط هر ضلع این مربع نیز مشخص شده است و می‌توان برای نقطه پنجم از این نقاط کمک گرفت.

شکل 4

همان‌طور که در شکل 5 مشاهده می­‌کنید خطای RMS برابر است با 0.916 می­‌باشد، که خطای قابل قبولی محسوب می‌شود. برای نقشه­‌های 1:100000 خطای قابل قبول حدود 25 متر است. برای دیدن جزئیات نقاط کنترلی و تصحیح آن­‌ها می‌­توانید از گزینه Show List استفاده کنید (شکل 5)؛ در این قسمت می­‌توانید خطای هر یک از نقاط را مشاهده کنید و در صورت زیاد بودن مقدار خطا آن نقطه را حذف کرده و نقطه جدیدی با خطای کمتر برای عملیات ژئورفرنس کردن تعریف کنید.

شکل 5

اعمال مختصات بر روی نقشه

بعد از انتخاب نقاط کنترلی و دستیابی به خطای RMS قابل قبول، در مرحله بعد، از پنجره Ground Control Points Selection بر روی گزینه Option کلیک کنید (شکل 6). در این مرحله باید مختصات نقاط کنترلی تعریف شده بر روی نقشه زمین­‌شناسی اعمال شود. به این منظور، از گزینه Warp Displayed Band یا Warp File استفاده می­‌شود.

اما تفاوت این دو گزینه چیست؟ گزینه اول یعنی Warp Displayed Band برای زمانی است که فقط بخواهید یک باند را تصحیح کنید (به عنوان مثال از بین 6 باند محدوده SWIR سنجنده استر تنها نیاز باشد که تصحیح هندسی یا ژئوفرنس کردن بر روی یک باند اعمال شود) اما گزینه دوم یعنی Warp File را برای زمانی است که قصد دارید تصحیح هندسی یا ژئورفرنس کردن بر روی تمامی باندهای تصویر ماهواره­‌ای اعمال کنید. همان‌طور که از توضیحات ارائه شده مشخص است، تفاوت این گزینه­‌ها در تصحیحات هندسی که بر روی تصاویر ماهواره‌­ای اعمال می‌­شود قابل بحث است. برای مختصات­‌دار کردن نقشه زمین شناسی در نرم­‌افزار ENVI فرقی نمی­‌کند که کدام گزینه را انتخاب کنید. در این آموزش گزینه دوم را انتخاب شده است.

شکل 6

بعد از انتخاب گزینه Warp File پنجره Input Warp Image باز می­‌شود (شکل7). با توجه به نقاط اعمال شده اگر گزینه OK در پنجره Input Warp Image را انتخاب کنید تمام محیط نقشه زمین‌­شناسی شما دارای مختصات می‌­شود. در صورتی که مختصات‌دار شدن قسمت Legend نقشه زمین­‌شناسی برای ما کاربردی ندارد، بنابراین با استفاده از گزینه Spatial Subset فقط محدوده نقشه را انتخاب کنید (البته در صورتی که نیاز به دیدن واحدهای زمین­‌شناسی در محیط نرم­‌افزار ENVI دارید از انجام این مرحله صرف نظر کنید و گزینه OK در پنجره Input Warp Image را انتخاب کنید).

شکل 7

بعد از انتخاب گزینه Spatial Subset پنجره Select Spatial Subset باز می­‌شود (شکل 8)، که در قسمت Subset Using می­‌توان از سه گزینه برای برش زدن تصویر استفاده کرد، در این قسمت، گزینه Map را انتخاب کنید. بعد از انتخاب گزینه Map پنجره­ Subset by Image باز می‌­شود (شکل 8) و با استفاده از مربع قرمز رنگ فقط محدوده نقشه را مشخص کنید. سپس گزینه OK را بزنید. بعد از OK کردن سه پنجره Subset by Image ،Select Spatial Subset و Input Warp Image پنجره Registration Parameters باز می­‌شود (شکل 9).

شکل 8

در پنجره Registration Parameters (شکل 9) در قسمت سمت چپ مختصات جدید را مشاهده می­‌کنید و در قسمت سمت راست Warp Parameters را می­‌بینید، قسمت Method روش Warp کردن را مشخص کرده (در صورتی که علاقه­‌مند به یادگیری جزئیات این قسمت هستید می‌­توانید به Help نرم­‌افزار مراجعه کنید.) و در قسمت Degree توان معادله قابل مشاهده است. در قسمت Resampling سه روش وجود دارد. هنگامی که پیکسل­‌ها می­‌خواهند جابجا شوند و مقدار جدیدی اختیار ­کنند، با توجه به هر کدام از سه روش Resampling، مقادیر مختلفی را به خود اختصاص می­‌دهند.

1- Nearest Neighbor: به معنی نزدیکترین همسایگی می­‌باشد؛ پس هر پیکسل مقدار نزدیکترین پیکسل به خود را اختیار می­‌کند.

2- Bilinear: اساس این روش فرمول زیر می‌باشد:

در این فرمول هر چه توان n بیشتر باشد نقاط نزدیک­تر وزن بیشتری پیدا می­‌کنند، در این روش هر پیکسل مقدار میانگین 4 پیکسل اطراف خود را اختیار می­‌کند.

3- Cubic Convolution: اساس این روش مانند روش قبل همان فرمول است، با این تفاوت که هر پیکسل مقدار میانگین 16 پیکسل اطراف خود را اختیار می‌کند.

نکته: هنگامی که از روش‌­های 2 و 3 استفاده می‌­کنید در نظر داشته باشید که یک پیکسل مقادیر 4 یا 16 پیکسل اطراف خود را اختیار می­‌کند بنابراین این روش­‌ها باعث مخلوط شدن مقادیر پیکسل­‌ها خواهند شد.

قسمت Background، بیشتر در ژئورفرنس کردن تصاویر ماهواره‌­ای کاربرد دارد و معمولاً برای در نظر گرفته نشدن حاشیه­‌های سیاه رنگ تصاویر ماهواره­‌ای در محاسبات، مقدار صفر برای این پارامتر در نظر گرفته می­‌شود و برای نقشه زمین­‌شناسی تفاوتی ندارد بنابراین مقدار Background را همان صفر در نظر بگیرید.

شکل 9

و در آخر هم محل ذخیره شدن تصویر را مشخص کنید و سپس OK را بزنید، در پنجره ENVI Output to memory Warning نیز بعد از تایید آدرس محل ذخیره شدن بر روی گزینه OK کلیک کنید. اکنون تصویر مختصات­‌دار خود را می­‌توانید در پنجره Available Bands … مشاهده کنید (شکل 10). نکته آخر اینکه پس از انجام این مراحل مشاهده خواهید کرد که همچنان پنجره Ground Control Points Selection باز است، اکنون می‌­توانید از این پنجره خارج شوید، قبل از خروج پیغامی مبنی بر Save نقاط کنترلی دریافت می­‌کنید که در صورت نیاز می­‌توانید نقاط وارد شده را Save کنید و در غیر این صورت با زدن گزینه No از آن پنجره خارج شوید.

شکل 10

شکل 11: شکل سمت راست مربوط به اطلاعات نقشه قبل از مختصات­‌دار شدن و شکل سمت چپ مربوط به اطلاعات نقشه بعد از مختصات­‌دار شدن می­­‌باشد.

مثال کاربردی

یکی از ویژگی‌­های منحصربه فرد ژئورفرنس کردن نقشه‌­های زمین‌­شناسی در ENVI، همان‌طور که در ابتدای مقاله اشاره شد؛ امکان مقایسه نتایج پردازش تصاویر ماهواره­‌ای با نقشه زمین‌­شناسی و بررسی رفتارهای طیفی مختلف می­‌باشد. شما در نرم‌­افزار Arc MAP امکان دسترسی به چنین قابلیتی را نخواهید داشت (بررسی رفتار طیفی) و در آنجا می­‌توانید از روی هم قرار دادن لایه­‌های مختلف (داده­‌های رستری و وکتوری) نتایج خود را تفسیر کنید. اما در نرم‌­افزار ENVI به راحتی با لینک کردن تصویر ماهواره‌­ای (یا نتایج پردازش تصویر) و نقشه زمین­‌شناسی ژئورفرنس شده، می‌­توانید بررسی‌­های طیفی مورد نظر خود را انجام دهید!

ابتدا تصویر ماهواره­‌ای و نقشه زمین­‌شناسی خود را در دو Display نمایش دهید. حال با استفاده از منوی Tools موجود در یکی از Displayها و انتخاب گزینه Link و در ادامه انتخاب گزینه Geographic Link (شکل 12) به پنجره Geographic Link دسترسی پیدا خواهید کرد (شکل 13).

شکل 12

شکل 13

در پنجره Geographic Link (شکل 13) هر دو Display (یا هر تعداد Display که به وجود آورده‌­اید) را بر روی گزینه On قرار دهید تا تصاویر با یکدیگر لینک شوند. با کلیک بر روی هر Display نقطه متناظر و هم مختصات با آن در Display دیگر نمایش داده می‌­شود. حال به منظور دستیابی به رفتار طیفی پدیده­‌های موجود در تصویر می‌­توانید از تصویر ماهواره‌­ای خود که بر روی آن تصحیحات اتمسفری اعمال کرده‌اید کمک بگیرید. به منظور نمایش رفتار طیفی پدیده­‌ها از Display که در آن تصویر ماهواره‌­ای با تصحیح اتمسفری Load شده است، منوی Tools و گزینه Profile و پس از آن گزینه (Z Profile Spectrum…) را انتخاب کنید (شکل 14).

شکل 14

بنابراین شما می­‌توانید رفتار طیفی موجود در تصویر ماهواره‌­ای را با واحدهای زمین­‌شناسی مقایسه کنید (شکل 15).

شکل 15