مدلسازی مورفولوژی اپتیکال در ارتقای نمایش توپوگرافی یخچالی – مجاور یخچالی و عوارض ژئومورفولوژیک
استمپاژ نوری توپوگرافی[۱]روشی برای نمایش سطح زمین به کمک اختلاف درجه روشنایی است. در این فرآیند سطح زمین به صورت فرضی تحت تابش اشعه‌های نور قرار گرفته و مقدار درخشندگی هر پیکسل با توجّه به جهت قرارگیری و شیب آن به نسبت بردارهای نور تعیین می‌گردد. در این بخش نگاهی داریم به مدلسازی مورفولوژی اپتیکال:
موقعیّت قرارگیری منبع نور، معمولاً در آزیموت (زاویه افقی[۲]) ۳۱۵ درجه و ارتفاع سمت الراسی(زاویه عمودی[۳]) ۴۵ درجه تنظیم می گردد. این مقدار پیش فرض، در بسیاری موارد، توانایی نمایش بهینه سطح زمین را نداشته و نیاز به تصحیح و تغییر دارد. سایه زنی ناهمواریها[۴]، تکنیکی برای نمایش توپوگرافی است، به طوری که مستقیماً توسط کاربر قابل درک و فهم باشد (جنی و رابر، ۲۰۰۲). دلیل اهمیّت نمایش توپوگرافی، آن است که سایه زنی ناهمواریها چهارچوبی برای نمایش سایر عناصر نقشه فراهم می‌آورد (آیموف، ۱۹۸۲). در طول سالیان متمادی کارتوگراف‌ها از تکنیک‌ها و مدلهای مختلفی بدین منظور استفاده کرده اند (سربریاکوا و هورنی، ۲۰۱۴). فریودولین بکر (۱۸۵۴ – ۱۹۲۹) نمونه بارزی از مکتب کارتوگرافی سوئیس بود که تکنیکهای مختلف کارتوگرافی سوئیس را جمع‌آوری و به نام روشهای سایه زنی سوئیسی معرفی کرد.
مدلسازی مورفولوژی اپتیکال چیست؟
این تکنیک‌ها شامل بهبود کنتراست ارتفاعات، کاهش کنتراست دره‌ها، نمایش مناطق کم ارتفاع با استفاده از طیف رنگ خاکستری و اعمال اثر پرسپکتیو هوایی بود (جنی و رابر، ۲۰۰۲). این مجموعه روشها، بعدها توسط کارتوگراف دیگر سوئیسی به نام ادوارد آیمهوف (۱۸۹۵-۱۹۸۶) گردآوری، اصلاح و بازبینی شدند. در گذشته، سایهزنی ناهمواریها به صورت دستی بر اساس تفسیر کارتوگراف از خطوط منحنی میزان تهیّه می‌شد، امّا امروزه، مدلهای رقومی ارتفاعی[۵]، باعث توسعه و گسترش استفاده از سایه زنی ناهمواریها شده است (جنی، ۲۰۰۱). روش محاسباتی و ریاضی سایهزنی به وضوح به صرفه‌تر خواهد بود، زیرا زمان و هزینه‌های کمتری نیاز داشته و از سایه زنی دستی ناهمواریها علمی‌تر است (سربریاکوا و هورنی، ۲۰۱۴). در عین حال از نظر خوانایی، جنبه‌های زیبایی‌شناختی و میزان جزئیات ناخواسته ممکن است مشکلاتی داشته باشد (جنی و رابر، ۲۰۰۲). در نتیجه روشهای حاضر نمی‌توانند کاملاً جایگزین سایهزنی دستی ناهمواریها شوند. در ابتدا لازم بود تکنیکهای موجود بهبود یابد که البته در زمان نسبتاً طولانی، راهکار واقعی برای جایگزینی سایهزنی دستی وجود نداشت. بنابراین کامپیوترها نه تنها برای افزایش سرعت پردازش‌ها مورد استفاده قرار گرفت، بلکه به منظور شبیه‌سازی سایه زنیهای دستی نیز به دقّت هر چه تمام‌تر مورد استفاده قرار گرفتند (سربریاکوا و هورنی، ۲۰۱۴). روشهای ریاضی توصیف سطوح از اواخر قرن ۱۹ با به کار گرفتن قانون کسینوس لامبرت[۶] برای محاسبه درجه روشنایی نقاط واقع بر یک سطح، مورد استفاده قرار گرفتند (مولرینگ،۲۰۱۲ ؛ ویچل، ۱۸۷۹).
بر اساس قانون کسینوس لامبرت، درجه روشنایی نور، در ارتباط با کسینوس زاویه برخورد نور بوده که خود تابعی از شیب و جهت قرارگیری سطح به نسبت منبع نوری است. قانون کسینوس لامبرت برای اولین بار توسط یولی (۱۹۵۹،۱۹۶۵،۱۹۶۶)، در تهیه مدلهای سایه و روشن به کار گرفته شد. این در حالی بود که ویچل (۱۸۷۸) پیشنهاد کرد، محاسبه شدّت نور به جای یک نقطه بر مبنای میانیابی بین چند نقطه مجاور انجام گیرد. بر اساس تجربیات یولی که به دنبال تصحیح جهات نور بود (یولی، ۱-۱۹۶۷)، براسل (۱۹۷۳،۱۹۷۴) رویکرد پیچیده‌تری را پیشنهاد داد که در آن روشهای بنیادین سایه-زنی سوئیسی (آیمهوف، ۱۹۸۲) را با هم ترکیب نمود. در سال‌های اخیر، جنی (۲۰۰۰، ۲۰۰۱-۱، ۲۰۰۱-۲)، ساختاری برای تشخیص مقادیر خاکستری[۷] تصویر با استفاده از سایهزنی جهتی[۸] مناطق پرشیب، انعکاس پراکنده[۹] مناطق کم ارتفاع و طیف خاکستری[۱۰] مناطق مسطح، ارائه نمود. این رویکرد، جلوه نمایش مدلهای سایه و روشن را بهبود بخشید، امّا به دلیل اتوماتیک نبودن این روشها، زمان و هزینه بیشتری نیاز بود. برای مدّت زمان طولانی، در تحقیّقات قدیمی (تانکا، ۱۹۵۰)، تا جدیدتر (هوبس، ۱۹۹۵)، ناهمواری زمین توسط منحنی‌های میزان ، نشان داده می‌شد. به هر حال استفاده از منحنی‌های تراز برای بینندگان در حفظ حالت سه بعدی سطح زمین چندان کارآمد نیست (مارسیک، ۱۹۷۱). در حال حاضر منحنی‌های تراز به سادگی با استفاده از بسته‌های نرم افزاری GIS[11]قابل تهّیه و ترسیم میباشند. نقشه‌کشی جهت شیب(کیمرلینگ و مادلرینگ ، ۱۹۹۰، کیمرلینگ و مادلرینگ ، ۱۹۸۹) رویکرد دیگری در شبیه‌سازی سایهزنی ناهمواری‌های زمین است. با پیشرفت‌های اواخر دهه ۸۰ میلادی، کلاسهای جهت شیب و شیب زمین با رنگهای مختلف نمایش داده می‌شد. نقشه‌های جهت شیب (منابع آرک جی ای اس، ۲۰۰۸-۱) تلاشی برای نمایش ناهمواریها به حالتی متفاوت، و نیز به منظور اصلاح نمایش لندفرمهای زمین بود. رویکردهای دیگر، شامل مواردی که در ادامه به آن اشاره خواهد شد، میشود. ایجاد تصاویر سایه و روشن از سطوح خمیده (گوراد، ۱۹۷۱)، آنالیز شبکه‌ای سطح زمین که امکان محاسبه شیب، جهت شیب، انحنا و سایر مشخصّات را برای هر سلول در ساختار رستری فراهم می‌کرد (گالنت و ویلسون، ۱۹۹۶)، محاسبات الگوریتم شیب در مدل رقومی ارتفاعی(جونز، ۱۹۹۸)، رویکرد پیکسلی و لگاریتمی (کتزیل و دویتشر، ۲۰۰۳)، نمایش سایه و روشن با استفاده از انحنای زمین (کنلی، ۲۰۰۸، ۲۰۰۹)، نوسان روشنایی رنگها و تغییرات رنگ بر اساس جهت شیب (کنلی، ۲۰۰۹، کنلی و کیمرلینگ، ۲۰۰۱)، نورافکنی سطح زمین با استفاده از چند منبع نور (شرکت اسری، ۲۰۰۹، کنلی، ۲۰۰۹، کوکاس و ویبل، ۱۹۹۵)، ایجاد سایه و روشن توسط ترکیب جهات مختلف نورافکنی (لوئیزیوس و همکاران، ۲۰۰۷)، اعمال مدلهای سماوی بر روی مدل سایه و روشن (کنلی و کیمرلینگ، ۲۰۰۴)، سایهزنی با استفاده از سایه‌های پراکنده (وار، ۱۹۸۹)، استفاده از بردار نور به جای بردار ثابت، به‌کارگیری تکنیکهای تصحیح کننده در مدلهای مرسوم که توسط افرادی همچون توتی و همکاران(۲۰۰۷) انجام گرفته است،
به کارگیری فاکتور دید آسمان[۱۲] که با بخش قابل روئیت آسمان و سطح توپوگرافی و درجه پراکنش نور مرتبط است (زاک سک و همکاران، ۲۰۱۱)، به کارگیری الگوریتم‌هایی که موقعیت تابش خورشید را تغییر می‌دهند (ژو، ۱۹۹۲). عدّه‌ای به ایجاد سایه و روشن به موازات حیطه کارتوگرافیکی توجه داشته و هدفشان از سایهزنی ناهمواریها، نمایش شکل زمین بوده است (باتسون و همکاران، ۱۹۷۵؛ هورن ، ۱۹۸۱). در اواخر دهه ۷۰ و اوایل دهه ۸۰ میلادی، همبستگی و وابستگی روشنایی سطوح و جهت شیب با استفاده از نقشه انعکاس مطرح شده و روشنایی سطوح به عنوان تابعی از گرادیان شیب معرفی و روابط بین شدّت روشنایی و شکل زمین ارائه شد (هورن، ۱۹۸۱؛ هورن و جوبرگ، ۱۹۷۹). نمایش روشنایی با استفاده از رنگهای سه گانه[۱۳]، پراکنده‌سازی منبع نور توسط نوسان عرضی اشعه‌های نور، تناوب رنگها و تمایل منبع نور، روشهایی هستند که از مشکلات نمایش موضعی سطح زمین جلوگیری میکنند (هوبس، ۱۹۹۹). یکی از جدیدترین الگوریتم‌های گرافیکی کامپیوتری در سایهزنی ناهمواریها، منحنی‌های پراکنش[۱۴] است (اورزان و همکاران، ۲۰۱۳، انجمن جغرافیدانان آمریکا، ۲۰۱۴). این الگوریتم بر روی خط الراس‌ها اعمال شده و تصاویر سایه و روشن نرمتری ایجاد مینماید که منحنی‌های پراکنش نامیده میشوند، این منحنیها فضا را قطعه‌بندی نموده و رنگهای متفاوتی در هر دو جناح خطالراس ایجاد میکنند. روشهای دیگری برای برجستهسازی عوارض سطح زمین ارائه شدهاند. به عنوان مثال روش شاخص دید چند جهتی[۱۵]، عوارض سطح زمین را با درگیر ساختن چندین منبع نوری بارزسازی مینماید (پود.بنیکار، ۲۰۱۲).
سایه زنی ناهمواریها، می‌تواند با نرم‌افزارهای گرافیکی ، نرم‌افزارهای دربردارنده فیلترها، بافت‌نگاری و رقومیسازهای دستی صورت پذیرد که یکی از شاخصترین ابزارهای موجود در این زمینه، نرم‌افزار فتوشاپ است (جنی، ۲۰۱۰، جنی، ۲۰۰۹، رابینسون و تروئر، ۱۹۵۷، جنی و رابر، ۲۰۰۲، پاترسون، ۲۰۱۴). سایه زنی رنگی ناهمواریها با روش دیجیتالی و با استمپاژ رنگ بر روی مدل سایه و روشن قابل اجرا هستند، بدین صورت که رنگها بر اساس ارتفاع و نوسانات سطح توزیع میشوند(جنی و هورنی، ۲۰۰۶). در این پژوهش، مجموعه روشها، مدلها و تکنیکهایی که با استفاده از منبع نور و ایجاد کنتراست بین سطوح توپوگرافی، لندفرمها و عوارض مورفولوژیک زمین را آشکارسازی میکنند، معادل با واژه مورفولوژی نوری در نظر گرفته شد. با در نظر گرفتن سوابق مطالعاتی موجود، از مدلها و ایدههای مطرح شده در تصحیح و ارتقای کیفیت نمایش لندفرمهای زمین استفاده شد. استفاده از نور در بارزسازی و نمایش لندفرمها و عوارض مورفولوژیکی زمین با عنوان مورفولوژی نوری انجام گرفت. روشها و تکنیکهای موجود در این حیطه مطالعاتی مورد تحلیل و بررسی، ترکیب و تغییر قرار گرفت و نهایتاً در محیط برنامه نویسی پایتون، اجرا و کدنویسی شد و به صورت نرم افزار گرافیکی ارائه گردید. در این راستا از عوارض و لندفرمهای متنوع موجود در عرصه ایران، شامل لندفرمهای تکتونیکی، هیدروژئومورفولوژی، بادی، مخروط افکنه ، گسل و … استفاده شد.
سایهزنی ناهمواریها[۱۶] با استفاده از مدل رقومی ارتفاعی در محیط GIS انجام میگیرد. داده‌های رقومی سطحی[۱۷]، منتشر شده توسط آژانس فضایی ژاپن در ماه می و اکتبر ۲۰۱۵ با رزولوشن افقی در حدود ۲۳ متر برای بررسی توپوگرافی منطقه مورد استفاده قرار گرفت. این داده‌ها از تصاویر ماهواره ALOS به دست آمده (تاکاکو و همکاران، ۲۰۱۴) که از شبکه داده‌های رقومی سطحی با قدرت تفکیک مکانی ۵ متر و با پوشش جهانی استخراج شده که در حال حاضر دقیق‌ترین داده‌های ارتفاعی در مقیاس بزرگ هستند (تادونو و همکاران، ۲۰۱۴). سایهزنی ناهمواریها در محیط GIS با استفاده از رابطه (۴-۵) انجام میگیرد (جنی و رابر، ۲۰۰۲).
که در این فرمول Ze زاویه سمت الراسی یا عمودی، S زاویه شیب سطح زمین، Az زاویه آزیموتی یا افقی و As جهت شیب سطح زمین است. لازم به ذکر است همه متغیرهای فوق به واحد رادیان میباشند.
[۱] – Hill shading
[۲] – Horizontal Angle
[۳] – Vertical Angle
[۴] – Digital Elevation Model (DEMs)
[۵] -Orthogonal
[۶] – Lamberts Cosine Law
[۷] – Gray Value
[۸] – Directional Shading
[۹] – Diffuse Reflection
[۱۰] – Gray Tone
[۱۱] – Geographic Information System
[۱۲] – Sky View
[۱۳] – Red-Green-Blue (RGB)
[۱۴] – Diffusion Curve Algorithm
[۱۵] – Multidirectional Visibility Index
[۱۶] – Analytical Hill-Shading
[۱۷] – Digital Surface Model (DSM)
نوشتار متن: دکتر سینا صلحی
