مأموریت توپوگرافی راداری شاتل (Shuttle Radar Topography Mission – SRTM) یک پروژه بین‌المللی پیشگام بود که کامل‌ترین مدل رقومی ارتفاع (DEM) با بالاترین وضوح از کره زمین را تولید کرد. این مأموریت، نقطه عطفی در سنجش از دور محسوب می‌شود و به دستاوردی نائل شد که نقشه‌برداری سنتی طی سه قرن از آن عاجز بود: تهیه یک مدل ارتفاعی با وضوح و دقت یکنواخت از بخش عمده سطح زمین.
مروری بر مأموریت و پیدایش آن
SRTM حاصل تلاشی مشترک میان ناسا (NASA)، آژانس ملی اطلاعات مکانی (NGA) (که پیش‌تر آژانس ملی تصویربرداری و نقشه‌برداری یا NIMA نام داشت) و آژانس‌های فضایی آلمان (DLR) و ایتالیا (ASI) بود. این مأموریت بر روی شاتل فضایی اِندِور (STS-99) از ۱۱ تا ۲۲ فوریه سال ۲۰۰۰ به انجام رسید. هدف اصلی SRTM، تهیه یک مدل رقومی ارتفاع از تمام خشکی‌های بین عرض‌های جغرافیایی تقریبی ۶۰ درجه شمالی و ۵۶ درجه جنوبی بود که حدود ۸۰٪ از سطح خشکی‌های زمین را پوشش می‌داد. این مأموریت، حاصل تکامل فناوری و تحلیل داده‌های سیستم هوابرد نقشه‌برداری توپوگرافیک تداخل‌سنجی ناسا/JPL به نام TOPSAR بود؛ سیستمی که صحت درک نظری را تأیید کرد و مستقیماً بر الگوریتم‌ها و مشخصات فنی SRTM تأثیر گذاشت.
فناوری و گردآوری داده‌ها
SRTM برای دستیابی به داده‌های راداری تداخل‌سنجی، از آنتن‌های راداری دوگانه بهره می‌برد. آنتن اصلی در محفظه بار شاتل قرار داشت و آنتن دوم که غیرفعال بود، بر انتهای یک دکل بازشونده به طول ۶۰ متر (۲۰۰ فوت) نصب شده بود. این ساختار، امکان تداخل‌سنجی تک‌گذر (single-pass interferometry) را فراهم می‌کرد. در این روش، با استفاده از اختلاف فاز بین دو تصویر راداری ثبت‌شده و نیز ارتفاع پروازی آنتن‌ها، مدل‌های رقومی ارتفاع (DEM) ایجاد می‌شوند.
این مأموریت از دو رادار دهانه ترکیبی (SAR) استفاده می‌کرد: یک سیستم باند-C (طول موج ۵.۶ سانتی‌متر) تحت مدیریت آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL) و یک سیستم باند-X (طول موج ۳.۱ سانتی‌متر) تحت مدیریت آژانس فضایی آلمان (DLR). هدف عملیاتی رادار باند-C، ایجاد پوشش نقشه‌برداری پیوسته برای تحقق اهداف مأموریت بود، در حالی که رادار باند-X داده‌ها را در نوارهای گسسته به عرض ۵۰ کیلومتر تولید می‌کرد و قادر به پوشش کامل زمین نبود.
داده‌ها با نرخ بسیار بالایی گردآوری می‌شدند: ۱۸۰ مگابیت بر ثانیه (Mbps) برای رادار C و ۹۰ مگابیت بر ثانیه برای رادار X. این نرخ از ظرفیت ارسال داده شاتل (۴۵ Mbps) فراتر بود و استفاده از ضبط‌کننده‌های نواری با ظرفیت بالا را الزامی می‌ساخت. حجم کل داده‌های خام به ۱۲.۳ ترابایت (Tb) رسید. طی ۲۲۲.۴ ساعت فاز نقشه‌برداری، رادار C به مدت ۹۹.۲ ساعت و رادار X به مدت ۹۰.۶ ساعت فعال بودند و در مجموع ۷۶۵ عملیات برداشت داده به اجرا درآوردند. حدود ۹۹.۹۶٪ از منطقه هدف حداقل یک بار توسط رادار C و حدود ۴۰٪ توسط رادار X نقشه‌برداری شد.
بیشتر بخوانید: دانلود مدل رقومی ارتفاع (DEM) تمام استان‌های ایران
اهداف و الزامات عملکردی SRTM
محصولات نقشه‌برداری SRTM برای نمونه‌برداری بر روی شبکه‌ای با ابعاد ۱ در ۱ ثانیه قوسی (تقریباً ۳۰ در ۳۰ متر) طراحی شدند. الزامات کمی این مأموریت عبارت بودند از:
- خطای مطلق ارتفاعی عمودی کمتر از ۱۶ متر (که در عمل به دقتی بهتر از ۹ متر دست یافت).
- خطای نسبی ارتفاعی عمودی کمتر از ۱۰ متر.
- خطای مطلق موقعیت‌یابی دایره‌ای کمتر از ۲۰ متر.
- خطای نسبی موقعیت‌یابی دایره‌ای کمتر از ۱۵ متر.
- خطای نسبی ارتفاعی برای داده‌های باند-X کمتر از ۶ متر (که در عمل به حدود ۵ متر رسید و کمی بهتر از باند-C بود).
تمامی خطاهای ذکر شده با سطح اطمینان ۹۰٪ و مطابق با استانداردهای دقت نقشه ملی (NMAS) تعریف شده‌اند. بسته اویونیک تعیین موقعیت و وضعیت (AODA) نیز به طور پیوسته، موقعیت و وضعیت آنتن‌ها را با دقت مورد نیاز اندازه‌گیری می‌کرد.
SRTM به عنوان یک مدل رقومی سطح (DSM)
درک این نکته ضروری است که داده‌های ارتفاعی SRTM، یک مدل رقومی سطح (DSM) را ارائه می‌دهند و نه یک مدل رقومی زمین (DTM) عریان. این بدان معناست که ارتفاعات اندازه‌گیری‌شده، بازتابی از سطح بالای عوارض زمینی مانند تاج پوشش جنگل‌های متراکم، پوشش گیاهی و مناطق شهری هستند. در مناطق جنگلی، سیگنال بازگشتی تحت تأثیر ارتفاع و تراکم پوشش گیاهی قرار می‌گیرد و ممکن است سیگنال چندانی از سطح واقعی زمین دریافت نشود. در مناطق شهری نیز ارتفاعات، نمایانگر میانگین ارتفاع ساختمان‌ها هستند. این ویژگی برای کاربردهایی نظیر مدل‌سازی هیدرولوژیکی که نیازمند مدل زمین عریان هستند، می‌تواند چالش‌برانگیز باشد.
بیشتر بخوانید: تعریف DEM و تفاوت آن با DSM و DTM
پردازش داده‌ها و محصولات نهایی
داده‌های SRTM چندین مرحله پردازش را طی کردند:
- نسخه ۱.۰ (اولیه): در این نسخه، پژواک‌های راداری به نوارهای رقومی ارتفاع تبدیل و سپس به صورت کاشی‌های °1×°1 موزاییک شدند.
- نسخه ۲.۰ (نهایی): آژانس NGA با اعمال فرآیندهایی مانند ویرایش، حذف ناهنجاری‌ها (spikes and pits)، ترازسازی پهنه‌های آبی و تعریف خطوط ساحلی، این نسخه را تولید کرد.
- نسخه ۲.۱: در این نسخه، برخی خطاهای جزئی در محصول ۳ ثانیه قوسی نسخه ۲.۰ اصلاح شد.
- نسخه ۳.۰ (SRTM Plus): این نسخه با هدف پر کردن شکاف‌ها (نواحی فاقد داده یا voids) ایجاد شد. این شکاف‌ها عمدتاً با استفاده از داده‌های مدل ASTER GDEM2 و سپس مدل‌های GMTED2010 و NED پر شدند.
داده‌های SRTM در کاشی‌های مجزا با سیستم تصویر جغرافیایی (Geographic) سازماندهی شده‌اند. واحد ارتفاع متر است و به ژئوئید WGS84/EGM96 ارجاع داده شده است.
وضوح مکانی و توزیع داده‌ها
در ابتدا، داده‌های خارج از ایالات متحده با فاصله نمونه‌برداری ۳ ثانیه قوسی (حدود ۹۰ متر) و داده‌های داخل آمریکا با فاصله ۱ ثانیه قوسی (حدود ۳۰ متر) توزیع می‌شدند. اما با تغییر سیاست‌ها، اکنون داده‌های ۱ ثانیه قوسی برای سراسر جهان به صورت نامحدود و منطقه‌ای در دسترس قرار می‌گیرند. وضوح فضایی واقعی داده‌های ۱ ثانیه قوسی SRTM بین ۵۰ تا ۸۰ متر تخمین زده می‌شود که نشان می‌دهد نمونه‌برداری با فاصله ۱ ثانیه قوسی، نوعی بیش‌نمونه‌برداری (oversampling) مفید است.
محصولات SRTM در فرمت‌های متنوعی مانند DTED، BIL و GeoTIFF موجود هستند. در حالی که نسخه‌های قدیمی‌تر دارای نواحی فاقد داده بودند (با مقدار ۳۲,۷۶۸-)، نسخه ۳.۰ کاملاً عاری از این شکاف‌ها است.
محصولات جانبی
علاوه بر مدل‌های ارتفاعی، SRTM محصولات دیگری مانند داده‌های نواری تصویر (image swath data) و زاویه تابش محلی (local incidence angle) را نیز تولید کرد که برای مطالعات پراکندگی برگشتی منطقه‌ای کاربرد دارند. همچنین، مجموعه داده پهنه‌های آبی SRTM (SWBD) به عنوان محصولی جانبی، خطوط ساحلی و رودخانه‌ها را به تصویر می‌کشد.
کیفیت و محدودیت‌ها
با وجود دقت بالا، داده‌های SRTM دارای محدودیت‌هایی نیز هستند:
- نواحی فاقد داده (Voids): در مناطقی با شیب بسیار تند، سطوح بسیار صاف (مانند آب آرام) یا مناطقی که سیگنال رادار بازگشتی نداشته، شکاف‌های داده‌ای ایجاد شده است.
- پوشش گیاهی و مناطق شهری: همانطور که ذکر شد، SRTM ارتفاع سطح عوارض را اندازه‌گیری می‌کند، نه زمین عریان را.
- آرتیفکت‌ها و نویز: نویز اسپکل (ذاتی تصاویر راداری)، آرتیفکت‌های نواری و خطاهای بازگشایی فاز از جمله مشکلاتی هستند که در این داده‌ها مشاهده می‌شوند.
- مشکلات مرتبط با شیب: در مناطق با شیب تند، پدیده‌هایی مانند جابه‌جایی (layover)، سایه (shadow) و کوتاه‌شدگی (foreshortening) باعث بروز خطا یا شکاف داده‌ای می‌شوند.
کاربردها
یکنواختی و پوشش گسترده داده‌های SRTM، تحولی عظیم در علوم مختلف ایجاد کرده است، به ویژه در مناطقی که پیش از آن فاقد داده‌های توپوگرافی باکیفیت بودند.
کاربردهای کلیدی عبارتند از:
- ژئومورفولوژی: مطالعه تکامل چشم‌اندازها، فرآیندهای فرسایشی و شناسایی ساختارهای زمینی.
- هیدرولوژی: مدل‌سازی حوضه‌های آبریز، محاسبه شیب رودخانه‌ها و ارزیابی چرخه آب.
- اقیانوس‌شناسی: اندازه‌گیری جریان‌های اقیانوسی با استفاده از داده‌های باند-X.
- علوم خاک: نقشه‌برداری رقومی خاک و تحلیل ارتباط آن با توپوگرافی.
- برنامه‌ریزی شهری، آموزش و تحلیل‌های اقلیمی: استفاده در برنامه‌ریزی‌ها، برجسته‌سازی تأثیرات کوهستانی بر اقلیم و بازسازی خطوط برف باستانی.
امروزه، دکل و سیستم‌های خارجی (OASYS) مأموریت SRTM به عنوان نمادی از موفقیت بی‌بدیل آن، در مرکز اودوار-هیزی موزه هوا و فضای اسمیتسونین به نمایش گذاشته شده است.