חישה מרחוק

חישה מרחוק (באנגלית: Remote sensing) הוא מונח כולל למגוון שיטות לאיסוף מידע מאזור נתון על פני כדור הארץ ללא מגע ישיר עמו, שמתבצע באמצעים מכניים, אלקטרוניים ואופטיים. מטרת החישה היא גילוי וזיהוי של מטרות מסוגים שונים - החל מפעילות צבאית, דרך מדידת זיהום אוויר ועד גילוי נפט. תהליכים אלה משלבים ניתוח ממצאים ממוכן ואנושי.

חישה מרחוק מבוססת על קליטת פוטונים שהמטרה פולטת או מחזירה. פוטונים אלה נקלטים בגלאי (אנטנת רדיו, מצלמה, גלאי תרמי ועוד). הגלאי עשוי להיות מותקן על פני הקרקע, בכלי רכב, במטוס או על לוויין. גלאים מסוימים מורכבים ממספר גלאים, המאפשרים איסוף מידע בתחומים שונים של הספקטרום האלקטרומגנטי. המידע שנאסף בגלאים השונים מוצלב במטרה לאתר בו דפוסים מסוימים, כדי לגלות ולזהות מטרות מסוגים שונים.

מכיוון שבחישה מרחוק אין יודעים באיזה מקום נמצאת המטרה, ואם היא בכלל קיימת, אחד האתגרים הוא לכסות אזור גדול ככל שניתן בזמן קצר ככל האפשר, ולאסוף את מירב האינפורמציה מהאזור הנמדד. החישה יכולה להיות פסיבית (מסתמכת על פליטת פוטונים של אור או חום שהמטרה פולטת בעצמה או מחזירה מקרינה קיימת, למשל אור השמש) או אקטיבית (מסתמכת על הארה יזומה של האזור הנמדד על ידי ציוד החישה, למשל על ידי לייזר או רדאר).

הגלאי

בגלאי נמצאת עדשה שקולטת את האנרגיה שמגיעה מהאזור הנמדד. במקרים רבים אנרגיה זו מופרדת לאורכי הגל השונים על ידי מנסרה או סריג ואלה נופלים על מערך של חיישנים שכל אחד מהם פולט זרם חשמלי כאשר נופלת עליו קרינה. מידע זה נשמר (בדרך כלל באופן דיגיטלי), לרוב כמספר תמונות של אותו אזור נמדד. כל פיקסל בתמונות השונות מתעד את עוצמת הקרינה שהגיעה לחיישן מאזור נתון בפני השטח, באורכי הגל השונים.

רזולוציה

בחישה מרחוק מבדילים בין ארבעה סוגי רזולוציה (הפרדה):

• רזולוציה מרחבית - רזולוציה ויזואלית המתייחסת לגודל האזור בפני השטח שנמדד כפיקסל אחד
• רזולוציה ספקטרלית - מספר החיישנים במצלמה ומידת החפיפה בין החיישנים המתעדים את אותו אזור בפני השטח - ככל שמספר הערוצים רב יותר וטווח אורכי הגל שקולט כל ערוץ מצומצם יותר, יתקבל מידע ספקטרלי מדויק יותר על המטרה, המאפשר פענוח כימי ופיזיקלי של הרכבה ומצבה.
• רזולוציה רדיומטרית - מספר גוני האפור שהחיישן יכול לקלוט. נספרת בסיביות (ביטים). לדוגמה: 8 ביט שווים ל-256 גוונים.
• תחום דינמי - מידת הדיוק של כל חיישן, המושפעת גם מיכולת אחסון המידע של הגלאי
• רזולוציה זמנית (טמפורלית) - מתייחסת לקצב המדידה של האזור (למשל, תדירות המעבר של לוויין מעל אזור מסוים או קצב סריקה של רדאר.

חשוב לבחור ברזולוציות מתאימות למטרת הבדיקה, ומקובל ליצור איזון ופשרה כדי להגיע לתוצאה אופטימלית. ככלל, ככל שהרזולוציה הספקטראלית גבוהה יותר כך הרזולוציה המרחבית עלולה להיות נמוכה יותר. דבר זה נובע מכך שהגלאי זקוק לכמות מספקת של פוטונים/אנרגיה שיגיעו אליו על מנת לייצר תמונה ברורה בכל ערוץ ספקטראלי. כאשר הערוצים צרים (בגלאים בעלי רזולוציה ספקטרלית גבוהה) כמות האנרגיה המתקבלת פר ערוץ מכל תא שטח נמוכה משמעותית ממצב בו הערוצים רחבים (רזולוציה ספקטרלית נמוכה). על כן, על מנת לאסוף כמות מספקת של אנרגיה ניתן לבצע אחד משני הדברים הבאים:

1. הגדלת זמן האינטגרציה - זהו הזמן בו שוהה מערכת החישה מעל המטרה.

2. הגדלת תא השטח המינימלי של התמונה (הפיקסל הבודד) על מנת לקבל יותר פוטונים פר תא שטח מינימלי.

מכיוון שבמערכות לווייניות ולרוב גם במערכות מוטסות לא ניתן להגדיל את זמן האינטגרציה הפתרון הוא הגדלת הפיקסל ועל כן ירידה ברזולוציה המרחבית. בנוסף, בתחום האור התת-אדום קצר הגל (1.4-2.5 מיקרון), התת-אדום הבינוני (3-5 מיקרון) והתת אדום ארוך הגל (8-14 מיקרון) מתקבלת כמות פחותה של אנרגיה ביחס לתחום הנראה והתת-אדום הקרוב (0.4-1.3 מיקרון). גם כאן הפתרון הוא לרוב הגדלת גודל הפיקסל.

מכאן נובע כי תמונות הלוויין בעלות הפוטנציאל לרזולוציה המרחבית הטובה ביותר הן תמונות בעלות ערוץ בודד רחב בתחום הנראה והתת-אדום הקרוב. אלה נקראות תמונות פאנכרומטיות והן בעלות סקלת צבעי אפור (תמונות "שחור-לבן") בהתאם לרזולוציה הרדיומטרית של החיישן. תמונות מרובות ערוצים, בייחוד באורכי גל ארוכים, יהיו לרוב בעלות רזולוציה מרחבית נמוכה. זו אחת הסיבות לכך שכיום לא ניתן לקבל תמונות לווייניות מרובות ערוצים בתחום התת-אדום ארוך הגל.

חישה לוויינית

לוויינים מאפשרים איסוף של מידע רב מבלי לחשוף את הגוף האוסף. ללוויינים יתרונות רבים ביחס למטוסים, אך עלות השיגור שלהם יקרה ואורך חייהם קצר יחסית. מבדילים בין שני סוגי לוויינים: לוויין גאוסטציונרי שנמצא בנקודה קבועה מעל פני כדור הארץ, בגובה 36,000 קילומטר. הוא יכול לספק מידע על אותו מקום בכל זמן נתון, ולאור גובהו שטח הכיסוי שלו גדול מאוד - אך בגלל שאינו נע ביחס לכדור הארץ, הוא אינו מסוגל לספק שום מידע לגבי אזורים אחרים (דרושים שלושה לוויינים גאוסטציונריים כדי לכסות את כל כדור הארץ - מלבד חלק מהקטבים), ולוויין פולארי - לוויין העובר בצורת לולאה בין הקטבים ומגיע אליהם מדי 90 דקות. הלוויין מגיע לקוטב, יורד וחוזר לקוטב, ונמצא בגובה של כ-700 ק"מ; ישנם גם לוויינים במגוון גבהים אחרים, במגוון מהירויות ומסלוליהם מעל כדור הארץ. חלק מהלוויינים המשמשים לחישה מצלמים באופן רציף, אחרים מכסים בצילומיהם שטחים נבחרים לאחר קבלת הוראה מהקרקע.

פיענוח

את פיענוח התמונה המתקבלת ניתן לבצע באופן ויזואלי, בדומה לפענוח תצלומי אוויר, אך ניתן גם לפענח את הספקטרום באופן ממוחשב. בפיענוח זה מושווה עוצמת הקרינה באורכי הגל השונים בכל הפיקסל, כפי שנקלט באמצעות החיישנים. היחסים בין העוצמות באורכי גל שונים ובתחומי ספקטרום שונים הם מעין טביעת אצבע המאפשרת הבחנה בין חומרים שונים ובין מצבים שונים של אותו חומר: לכל חומר דפוס שונה של בליעה והחזרה של פוטונים, שניתן לזיהוי בספקטרום הנמדד ממנו. בהתאם למידע הספקטרלי ניתן להפיק גם מפה נושאית של אזורים שונים.

פיענוח הדימות נעשה כיום באמצעים דיגיטליים על-גבי מחשבים, באמצעות תוכנות ייעודיות שפיתחו חברות כמו PCI, RSI ו-ERDAS. תוכנות אלה מאפשרות צפייה ויזואלית במטריצות הפיקסלים (הדימות), ניתוח של הספקטרום, הצלבה בין הערוצים, חישובים מתמטיים בין הערוצים, יצירת מפות נושאיות והגדרה של אזורי עניין על-גבי הדימות כחלק מהשוואה בין ספקטרום החומרים שנאספו בשטח לבין ספרייה ספקטרלית מקיפה המאפשרת זיהוי של החומר.

עד לשנות ה-70 של המאה ה-20 פותחה החישה מרחוק בעיקר ליישומים צבאיים ורק מאוחר יותר החל פיתוח יישומים אזרחיים. כיום החישה מרחוק היא מסחרית בעיקרה, באמצעות לווייני SPOT ו-Landsat הפולאריים. במקביל יורדים מחירי הדימות והשימוש הופך לפשוט ולידידותי. כיום מקובל במקרים רבים להחליף את השימוש בתצלומי אוויר בתצלומי לוויין, שהרזולוציה המרחבית שלהם הולכת ומשתפרת.

איל בן דור היה מן הראשונים שהראה כי תכונות קרקע יכולות להקבע על ידי מדידה מהירה של החזרת האור ופיתח תחום ייחודי זו.

יישומים

להלן מספר דוגמאות לשימושים עכשוויים בחישה מרחוק:

• עדכון מפות וניטור שינויים (למשל, גודל יישובים)
• ניטור אסונות, באמצעות השוואה בין הדמאות מלפני האסון ולאחריו
• שימושים מטאורולוגיים (עננים, סופות, אבק)
• יישומי איכות הסביבה (ניטור ריכוזי אוזון באטמוספירה, מעקב אחר זיהום הים, זיהוי רכיבים מרחפים)
• שימושים גאולוגיים (הרכב קרקעות)
• מדידת טמפרטורה על-פני השטח באמצעות חיישנים תרמיים.
• שימושים חקלאיים: איתור ריכוזי צמחייה, זיהוי סוגי צמחים ובדיקת מצבם, בין היתר באמצעות אינדקס NDVI (Normalize Deviation Vegetation Index) לזיהוי מצבה הבריאותי של הצמחייה באמצעות חישוב בין ערוצים, הבוחן את השינוי בעוצמת הבליעות וההחזרות האופייניות לצמחייה בריאה - בהתאם לריכוזי מים וכלורופיל ומבנה העלה - לעומת צמחייה בתהליך התייבשות.

ראו גם

• ISPRS
• צילום אוויר
• פוטוגרמטריה
• תוכנית חישה מרחוק ההודית

לקריאה נוספת

• בנימין זאב קידר, אבינועם דנין (עורכים), חישה מרחוק, צילומי אוויר ודימותי לוויינים ככלים במחקר הארץ, הוצאת יד בן צבי, 2000

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא חישה מרחוק בוויקישיתוף

• שי שמש, הידעת? ניתן לנטר את ביומסת הפיטופלנקטון מהחלל, באתר מדע גדול, בקטנה, 19 באוקטובר 2016