maps-and-exploration
הרים ממפה: שימוש בתמונות לוויין כדי ללמוד את השיאים הגבוהים ביותר של כדור הארץ
Table of Contents
הגבול החדש של הקרוגרפיה ההר
הרי מכסים בערך רבע משטח הקרקע של כדור הארץ ומחצית מהנקודות החמים המגוון הביולוגי של העולם.נוף הממגדלים הללו חיוני לאחסון מים מתוקים בקרחונים ובחבילות שלג, ויסות אזוריות וגלובליות, וקיום הפרנסה, תרבויות וכלכלות של מיליארדי אנשים ברחבי העולם.
ההתקדמות בדמיון של לווין יש מהפכה בקרטוגרפיה ההר ומחקר, מתן אמצעים מקיפים, בטוחים, וחסכוניים של לימוד ענקים מרוחקים אלה.חיישנים אורביטל עכשיו ללכוד ברזולוציה גבוהה, רב-ספקטרום ונתונים מכ"ם ברציפות - יום ולילה, באמצעות כיסוי ענן, ומעבר לאזורים עצומים וקשה לגישה. טכנולוגיה זו לא רק משלימה את עבודת השדה המסורתית, אלא גם פותחת אפשרויות חדשות להבנה של הר, תשובות סביבתיות, שינויים חסרי תקדים, והתחממות גלובלית, והתחממות, שינויים חסרי תקדים.
מדוע לוויינים ניתנים לערעור למחקרי הרים
לפני כניסתה של טכנולוגיית לווין, מיפוי אזורים הרריים דרש קבוצות גדולות של סקרים מצוידים עם תיאודוליטים וכלי cumbersome, או צילום אווירי שנערך בתנאים קשים, מסוכנים.שיטות כאלה היו זמן-consuming, יקר ולעתים בלתי אפשרי בגבהים קיצוניים או באזורים רגישים מבחינה פוליטית.היום, הצעות תורמות מרחוק של לווייניים שיש להם מחקר בצורת:
- (FLT:0)Synאופטיקה מכסה: 1FLT 1 תמונה לווינית אחת יכולה ללכוד טווח הרים שלם או אזור במעבר אחד, לחשוף דפוסים בקנה מידה גדול ומערכות יחסים מרחביות בלתי אפשרי להבחין בין סקרים קרקעיים או תמונות אוויריות לבד.
- (FLT:0) Repeatability: 1 Satellites revisit באותם מיקומים במרווחים קבועים - באופן פתאומי, שבועי, או חודשי - ניתוחי זמן הכרחיים לגילוי שינויים עונתיים, מגמות ארוכות טווח בקרחונים, דינמיקה צמחייה, ושינויים בשטח.
- (FLT:0) גישה: לוויינים (SwisFLT:1) מבטלים את הצורך במשימות מסוכנות או לוגיסטיקה יקרה לגישה למחסניות הרים מסוכנות, המספקים נתונים ישירות מהתוואי ומאפשרים לחוקרים ברחבי העולם ללמוד אזורים בלתי נגישים או פוליטיים המוגבלים.
- (FLT:0)Multi-Sensor Capability:BuildFLT:1 חיישנים שונים הפועלים על פני אורכי גל אלקטרומגנטיים שונים (בלתי נראים, אינפרא אדום, מכ"ם, LiDAR) מספקים מידע משלים - מרקם נשגב, תכונות תת-קרקעיות, אנתות תרמיות, תוכן לחות ועוד - שיפור רב של עומק הניתוח.
- (FLT:0) הארכיון ההיסטורי: 1FLT תוכניות כמו לנדסאט של נאס"א היו מנוקמים מעל חמישה עשורים של תצפיות על פני כדור הארץ, המאפשרים למדענים לבנות קווי בסיס סביבתיים, לנתח שינויים ארוכי טווח, ולאמת מודלים של תהליכי הרים לאורך זמן.
סוגי חיישן לווין מרכזיים למחקרי הרים
לא כל הלוויינים נוצרים שווים; בחירת החיישן תלויה במטרות המחקר הספציפיות.אם מיפוי פני השטח, מדידה של אובדן קרח, או זיהוי סיכונים גאולוגיים, טכנולוגיות חיישן שונות מציעות יכולות ומגבלות שונות.
חיישנים אופטיים
חיישנים אופטיים, כגון אלה על סדרת לנדסאט של נאס"א, ESA של Sentinel-2, ופלטפורמות מסחריות כמו לווייני WorldView של מקסר, לזהות אור שמש גלוי וסגור להקות.חיישנים אלה מייצרים תמונות אינטואיטיביות, דמויות צילום הידועות עבור פתרון מרחבי וספקטרום שלהם. באזורים הרריים, דימוי אופטי משמש באופן נרחב לפירוק גבולות קרחונים, שלג וסופות, וסוגרים כמו אזורי סלע כגון אזורי סלע.
עם זאת, רכישת נתונים אופטית תלויה במידה רבה זמינות לאור יום ושמים ברורים.הפסגות ההר לעתים קרובות מטשטשות על ידי עננים, במיוחד במהלך עונות מונסון או בדפוסי מזג אוויר מתמשכים, הגבלת יכולת של תמונות אופטיות וניתוק חיישנים משלימים.
« « SAR)
חיישני ה-Synthetic Aperture Radar (SAR) פולטים באופן פעיל דופקי מיקרוגל ומדידים את האותות המתבטאים, המאפשרים הדמיה עצמאית של אור השמש ועם היכולת לחדור עננים, עשן וצמחייה. Satellites כמו Sentinel-1 של ESA ו- JAXA's ALOS-2 פועלים חיישנים SAR כי הם בלתי חוקיים עבור אזורים הרריים מעונפים כגון ההימלאיה, הריסים, הריסים, ומערב האוקיינוס השקט, צפון האוקיינוס השקט, צפון האוקיינוס השקט והפסיפי.
היכולת הייחודית של SAR לזהות תנועות משטח עדינות באמצעות טכניקות SAR בין-פרומטרי (InSAR) מאפשרת לחוקרים למדוד עיוות קרקע בדיוק בקנה מידה מילימטר.זה חיוני לניטור מפולות, מהירויות של קרחונים, אינפלציה געשית או דהפלציה, ו tectonic uplift or subsidence בשטחים הרריים.
Spaceborne LiDAR
טכנולוגיית גילוי אור וניתוק (LiDAR) אשר נפרסה באופן מסורתי באמצעות מטוסים, נכנסה למרחב הלווין עם מכשירים כגון ICESat-2 Spaceborne LiDAR יורה דופק לייזר לעבר פני השטח של כדור הארץ ומקליטת את זמן החזרה ליצירת פרופילים מדויקים מאוד.
ICESat-2 מספק דיוק ברמת סנטימטר במדידת גובה פני השטח של הקרחונים, אפילו בשטח סלעי ועולה, המאפשר הערכות מפורטות של איזון מסה קרח, קרחונים דקים ותרומות לעליה ברמת הים העולמית.הנתונים האלה משלימים מודלים רחבים יותר של גובה על ידי הצעת סערות מדויקות על פני קרחונים הרריים קריטיים.
חיישנים חסרי שנאה
חיישני אינפרא אדום, כגון אלה על ECOSTRESS ו Landsat 8 של חיישן infrared של Thermal Infrared (TIRS), לזהות וריאציות טמפרטורה פני השטח. בסביבות הרריות, עוזרי תמונות תרמיים בהפחתת גבולות permafrost, ניטור פעילות געשית פעילה, הערכת תזמון שלג ודינמיקה, וחקר microclimates המשפיעים על הפצה ומין.
מתוך Raw פיקסלים למודלי אלביעה דיגיטלית (DEMs)
אחד המוצרים המכריעים ביותר שמקורם בנתונים לווייניים למחקר הרים הוא מודל אלבation הדיגיטלי (DEM), שהוא ייצוג מעוגל של גובה פני השטח של כדור הארץ. DEMs יש בעיקר מפות מסורתיות לאנליזה בשטח, המאפשר מגוון רחב של יישומים מדעיים ומעשיים.
ישנן שתי שיטות עיקריות לייצור DEMs מהנתונים של לווין:
- (FLT:0Stereo Photogrammetry: FIRLT:1 טכניקה זו משתמשת חופפת תמונות אופטיות שנלקחו מזווית מעט שונה, akin לראייה בינארית אנושית, כדי להפר מידע על גובה גבוה.החלל המתקדם של Thermal Emission ו- Reflection Radiometer (ASTER) מודל אלביעה דיגיטלית (GDEM) מציע פתרון נתונים בשימוש נרחב במחקר ההר.
- (FLT:0)Radar Interferometry:FLT:1 The Ferry Radar Topography Mission (SRTM), שנערך בשנת 2000, סיפק אחד הראשונים ליד גלובל, גבוה ברזולוציה גבוהה של מכ"ם עם החלטה 30 מטר אופקית יותר, כגון קבוצת הלוויין טט-X הגרמנית, לייצר DEMs גלובליים ברזולוציה של 12 מטר, באמצעות דו-אופטימית כדי ליצור מודלים מדויקים מאוד.
אלה DEMs underpin hydroלוגי מודלים, הערכות יציבות מדרונות, מיפוי סיכונים רב-משמעי, ומחקרי השפעה אקלים באזורים הרריים.הם מאפשרים לחוקרים לייצב גבולות, לנתח נתיבים מפולת פוטנציאלי, ולדמיין את ההשפעות של אירועי מזג אוויר קיצוניים על יציבות הקרקע.
יישומים במחקר הרים
הגמישות של נתוני הלוויין הרחיבה באופן דרמטי את היקף מדע ההרים בעשורים האחרונים.כאן כמה מאזורי היישום הבולטים ביותר שאפשרו או השתפרו על ידי חישה מרחוק לווייני:
מחקרי קרחונים ו-Mas Balance Studies
קרחונים משמשים כקילומטרים רגישים של שינויי האקלים.דמיית לווין מספקת מדידות מקיפים, חוזרות ונשנות של אזור הקרחון, מיקום מונחינוס, מהירות פני השטח, ושינויים עוביים בטווחי הרים עצומים.ארכיון הקרקע של נאס"א היה בסיס בהקמת מדדי הקרח העולמיים מהחלל (FLT:0GLIMSFIRLT:1) מסד נתונים, אשר קטלוג של עשרות אלפי קרחונים ברחבי העולם.
על ידי השוואת DEMs נגזר מתקופות זמן שונות, מדענים יכולים לחשב שינויים בנפח הקרחונים ואובדן המוני עם דיוק גדל.לדוגמה, מחקרים אחרונים ההימלאיה מצביעים על שיעור עלייה של אובדן קרח, מאיים על אבטחת המים של מיליארדים שמבוססים על נהרות קרחונים.למידע לוויין מאפשר גם ניטור של דינמיקת הקרחון וזיהוי של אירועים מגזים, שהם קריטיים לחיזוי סיכוני הצפות במורד הזרם.
תגלית מפולגת ואזהרה מוקדמת
אזורים הרריים נוטים להפלות, אשר מציבים איומים משמעותיים על בטיחות האדם ועל תשתיות.נתוני לוויין, במיוחד אינטאר, יכולים לזהות עיוותים קרקעיים עדינים לפני תקלות מפולות, ולספק הזדמנויות התראה מוקדמות.
הסקר הגיאולוגי של ארצות הברית (USGS) מעסיק באופן פעיל נתונים של Sentinel-1 SAR כדי לפקח על אזורים בעלי הקרקע כגון הרי סן חואן של קולורדו ואזור אנאפורנה של נפאל. Advances in Machine Learning, החלים על תמונות לוויין, מאפשרים זיהוי אוטומטי של צלקות קרקעיות וחיזוי של מנגנוני כשל, המאפשר אסטרטגיות מיתות סיכון ממוקדות.
פעילות סיסמית ווולקנית ניטור
רכסי הרים לעתים קרובות נוצרים באמצעות תהליכים טקטוניים המייצרים רעידות אדמה ופעילות געשית. טכניקות גיאודות לוויין כולל GPS ו- InSAR מספקים מדידות מדויקות של עיוות קרום סביב תקלות פעיל הרי געש.
לדוגמה, לאחר רעידת האדמה גורקה בנפאל, תמונות לוויין היה אינסטרומנטלי במיפוי של התרומם ו subsidence co-seismic, חושף את המאפיינים הקרועים של ה-Main ההימלאיה Thrust פגם.הנתונים הירומאליים יכולים לזהות כתמים חמים געשיים כגון אלה על הר Erebus באנטארקטיקה, בעוד ניטור מכ"ם מגלה צמיחה דום או חוסר יציבות, המספק נתונים לא יציבים להתפרצות וחיזוי.
שינויי אקלים ו-Soopack Dynamics
היקף כיסוי שלג עונתי ועומק הם משתנים קריטיים לניהול משאבי מים בשמיכות הרריות. Satellites כמו MODIS של נאס"א (החלטה מאמתנית Spectroרדיוmeter) על סיפון הטרה ו- Aqua לייצר מפות כיסוי שלג יומי ברזולוציה של 500 מטר, המאפשר מעקב כמעט-מציאותי של דינמיקה של שלג.
נתונים אלה מודיעים מודלים הידרולוגיים עבור מדינות תלויות במי היתוך, כגון פקיסטן וצ'ילה. מדידות פני השטח של לוויינים albedo גם לעזור מדענים להבין כיצד החשיכה של שלג ומשטחי קרח - עקב פיזור אבק, או צמיחה ביולוגית - מחלישים מתמיסים, ומורכבים משינויי אקלים בסביבות הרות.
מיפוי גיאולוגי וחקר מינרלים
חיישנים לווייניים רב-ספקטרוםיים ויפר-ספקטרום ללכוד חתימות ספקטרליות מפורטות המאפשרות זיהוי של סוגי רוק, פיקדונות מינרלים ואזורי שינוי. בשטחים הרריים מורכבים כמו האנדים והרמה הטיבטית, תמונות לוויין שימש למיפוי פיקדונות נחושת, מעקב אחר שינויים הידרותרמיים, ורשתות אשמה מסננים.
יכולת זו מקדמת הן חקר משאבים והן את ההבנה הגיאולוגית שלנו של תהליכי בניית הרים, ומספקת תובנות קריטיות לניהול משאבי בר קיימא והערכה של סיכונים.
גידול וביו-מגוון של מעקב
למרות תנאים קשים, מערכות אקולוגיות הרים לתמוך בקהילות צמחיות מגוונות רגישות לשינויים האקלים.דיכאים צמחיים מדרבנים, כמו מדדי ההבדל הנורמלי (NDVI), לעקוב אחר שינויים בקווי עץ, מאדמים דולפינים, וגרועים את הסגמנטור אל עבר השטח החריף בעבר כהתקדמות התחממות.
הלוויין של סוכנות החלל האירופית Sentinel-2, עם החלטת המרחב של 10 מטר, מאפשר ניטור מפורט של פיצול בתי גידול, התפלגות מינים ובריאות אקולוגית בתוך הפארקים הלאומיים ההרים והאזורים המוגנים שלה. נתונים אלה תומכים במאמצי שימור המגוון הביולוגי ומסייעים לחזות את ההשפעות האקולוגיות של שינויי האקלים.
מחקרים: לוויינים בעבודה על פסגות אייקניות
הר האוורסט
כמו הפסגה הגבוהה ביותר של כדור הארץ, הר האוורסט משך מאמצים נרחבים של מיפוי לווייניים.ב-2020 נפאל וסין הודיעו במשותף על גובה רשמי מתוקן של 8,848.86 מטרים, שנקבע באמצעות שילוב של מדידות מבוססות קרקעיות של מערכת ניווט גלובלית (GNSS), סקרי כבידה ונתוני חישה מרחוק לוויינינים.
נתונים של מכ"ם ו- LiDAR חשפו גם תובנות מפורטות למבנה הקרחון של ח'מבו ושיעורי דממה, קריטי להבנת זמינות המים העתידית במורד הזרם.בנוסף, צילומי לוויין תיעדו את מספר הולך וגדל של מסלולי טיפוס, מחנות, ואת ההשפעות הסביבתיות של פסולת ההריגה, תמיכה במאמצים לשיפור קיימות ובטיחות בהר.
ההימלאיה
קשת ההרים ההימלאיה העצומה, המשתרעת על פני 2,400 קילומטרים, נמצאת במעקב מתמיד על ידי קבוצת לווינים.מחקרים ב-InSAR הוכיחו כי חלק מהטווח הוא התרומם בכ-5 מ"מ בשנה, בעוד שבילי הרגל הסמוכים מסובסדים בשל קומפקטיות של ריצוף ותהליכים טקטוניים.
תצפיות לוויין נוספות מראות כי ההימלאיה מפסידה כ-8 מיליארד טון של קרח מדי שנה – כמות של אובדן המוני שיהיה קשה למדידה רק באמצעות סקרי קרקע.הנתונים האלה חיוניים לתכנון משאב מים ולהפחתה באזורים מיושבים בצפיפות.
האנדים
האנדים, טווח ההר הארוך בעולם, כוללים סביבות מגוונות - מן המדבר האטקאמה יבש אל שדות הקרח הפטרוניים הפטרוניים של פטגוניאן. Satellites הם קריטיים לתעד נסיגה מהירה של הקרחון בפטגוניה, שם שיעורי דקירה עולים על שלושה מטרים בשנה במקומות מסוימים.
במרכז האנדים, מידע לווייני מסייע במעקב אחר רטובות בעלות יכולת גבוהה הידועות בשם בופדיילס, שהן מקורות מים חיוניים לקהילות הקידוד המקומיות. ניטור המערכות האקולוגיות השבורות הללו מסייע לנהל משאבי מים ולהעריך את ההשפעות של שינויי האקלים על פרנסות מסורתיות.
אתגרים ומגבלות של מחקר הרים לווין
למרות הכוח הטרנספורמציי של חישה מרחוק לווייני, כמה אתגרים נשארים במחקר הרים. השטח התלול והחוספס גורם עיוותים גיאומטריים הן בדאר וגם במאגרי מידע אופטיים, מה שהופך פרשנות תמונה.עמקים עמוקים ומדרונות צפופים לעתים קרובות נופלים לתוך צל, obscuring תכונות קריטיות. Persistent Cloud Cover, במיוחד באזורי הרים לחים, מגבילים את הזמינות של תמונה אופטית ברורה; באזורים מסוימים, פחות מ 10% של נתונים לוויינים.
מגבלות החלטה מציבות גם קשיים.למרות שלוויינים מסחריים מספקים תמונות עם פתרון מרחבי תת-מטר, רכישת נתונים אלה עבור רכסי הרים נרחבים כמו ההימלאיה היא יקרה באופן בלתי חוקי ודורשת יכולות אחסון ועיבוד מסיבי.
יתר על כן, כיבוד מבוסס קרקע ואימות נותרו הכרחיים.תחנות GPS, תחנות מזג אוויר, ותצפיות שדה קריטיות לאמת מודלים של עומק שלג, מהירות הקרחון וטמפרטורת פני הקרקע. Interpreting אותות לוויין מורכבים בסביבות הררי דורש מומחיות משמעותית להבדיל בין ריקנות טבעית לבין פריטי חיישן.