بررسي تاثيرخشکسالي بر پوشش گياهي اصفهان با استفاده از داده هاي چند زمانه

Detection of drough effects change on isfahan city green vegetation cover by using landsat TM and Etm + Date

چکيده :

امروزه استفاده از سامانه هاي سنجش از دور جزء لاينفک مطالعات زيست محيطي و از اسناد معتبر در بررسي هاي اقتصاد محيط زيست ، توسعه سامانه هاي دقيق تر مسايل شهري و تغييرات کاربري اراضي در اين عرصه و پايش مداوم آن محسوب مي شود . تحقيق حاضر با استفاده از تکنيک هاي سنجش از دور به بررسي روند تغييرات پوشش گياهي در سال هاي 1990 و 1999 پرداخته و تاثير خشکسالي بر تغييرات پوشش گياهي محدوده اي انتخابي از شهر اصفهان را مورد مقايسه قرار داده است . در اين تحقيق داده هاي ماهواره (+ Landsat 7 (ETMپس از انجام تصحيحات هندسي و راديومتريک با روش هاي مختلف پردازش داده ها به منظور آشکار سازي پوشش گياهي ، آناليز گرديد . بهترين روش ، براي هريک از زمان هاي مورد بررسي ، بر اساس تحليل همبستگي بين تعدادي از شاخص هاي سنجش از دور ، بارزسازي پوشش گياهي و داده هاي برداشت شده از دنياي واقعي در نقاط نمونه برداري ، انتخاب شد . نتايج حاصله کارآيي شاخص TVI براي داده هاي سال 1990 و شاخص RVI براي داده هاي سال 1999 همبستگي بهتر و مناسب تري را با پوشش گياهي در نقاط نمونه برداري نشان داد . شاخص هاي انتخاب شده در اين تحقيق افزايش نسبي سطح مناطق با درصد تاج پوشش کمتر ( از 32 % به 53 % و کاهش سطح کلاس هاي با درصد تاج پوشش بالا ( 23 % به 11 % ) را به وضوح نشان داد . بررسي تغييرات پوشش سبز شهر اصفهان به خوبي تاثير خشکسالي و تغيير کاربردي هاي شهري را در دوره مورد بررسي نشان داد .

کلمات کليدي :

سنجش از دور ، لندست ، پوشش گياهي ، پايش ، خشکي ، اصفهان

مقدمه :

پوشش گياهي به عنوان يک عامل ديناميک و موثر بر شرايط زيستي ، بايد دائما از لحاظ کمي و کيفي مورد بررسي قرار گيرد ، داده هاي ماهواره اي با يک برنامه ريزي منظم و حساب شده مي تواند کمک شاياني در اين مورد به برنامه ريزي زيست محيطي به ويژه تحت شرايط خاصي نظير وقوع بحران خشکسالي نمايد ( مختاري ، 1379 ) با استفاده از ويژگي هاي داده هاي ماهواره اي ، نظارت ، ارزيابي و کنترل اقداماتي که به نحوي بر محيط زيست تاثير دارند به سرعت و با دقت مناسب قابل دستيابي و حتي پيش بيني ( بر اساس مدل پيش بيني کننده که در نتيجه بررسي عوامل موثر در زمان هاي گذشته به دست آمده است ) مي باشد . بررسي داده هاي ماهواره اي موجود و ارزيابي توانايي ها و محدوديت هاي آنها به منظور استفاده در فاز تفضيلي مطالعات اجرايي ـ کاربردي ( با توجه به پيشرفت اخير در سنجش از دورو قابليت دستيابي به داده هاي ماهواره اي بسيار دقيق ـ با قدرت تفکيک زميني 1 تا 4 متر به عنوان مثال در داده هاي IKONOS و با يک برنامه ريزي صحيح مي توان در جنبه هاي مختلف مديريت منابع طبيعي از اين داده ها به خوبي و قابليت اعتماد بالا استفاده نمود ) از زمينه هاي ضروري و لازم در بررسيهاي علوم زمين مي باشد .
کسب اطلاعات درباره ي وضعيت پوشش گياهي از قبيل ميزان و پراکنش آنها از اهميت زيادي برخوردار است . استفاده از داده هاي ماهواره اي امکان مطالعه گسترده پوشش گياهي را فراهم سازد . به منظور کاهش اثر بازتابي ساير پديده هاي سطح زمين و افزايش اطلاعات مربوط به پوشش گياهي ، از شاخص هاي گياهي ( Vegetation Indices ) استفاده مي شود .در واقع شاخص هاي گياهي براي متمايز ساختن پوشش هاي گياهي از پديده هاي ديگر که توسط تک باندها ممکن نيست به کار مي رود ( علوي پناه ، 1382 )اين شاخص ها با تراکم برگ همبستگي خوبي را نشان مي دهند ليکن به سه فاکتور ارتفاع و زاويه تابش خورشيد ، خاک و تاثيرات جوي حساس هستند ( Sepehri and Mottaghi 2002) استفاده از شاخص هاي گياهي چنين امکاني را فراهم مي سازد که بتوان تجزيه و تحليل هاي رياضي را برداده ها اعمال کرد . سنجنده ماهواره ها از پوشش گياهي اطلاعات متفاوتي دريافت مي کنند که با تجزيه و تحليل اين اطلاعات مي توان پوشش هاي گياهي مختلف را تا حدودي مشخص نمود . ( Kajeddin 1995 )
در بررسي هاي اکولوژيک مناطق خشک ، نياز به بررسي عوامل مختلفي نظير درجه حرارت هوا و سطح زمين ، رطوبت هوا و خاک ، تبخير و تعرق و ساير ويژگي هاي اين اکوسيستم حساس مي باشد . با داشتن يک داده خام ماهواره اي بسياري اين جنبه ها قابل شناسايي ، بررسي، تجزيه و تحليل و در نهايت با پايش مداوم فاکتورهاي مختلف زيست محيطي مي توان مديريت مناسب تري را در اين محيط اعمال نمود .
هدف اين تحقيق مقايسه گياهي که به روش هاي تحليل رقومي بارزسازي ( Characterize ) شده اند در دو زمان غير خشکسالي (1990) و خشکسالي (1999 ) در محدوده اي از شهر اصفهان و اطراف آن مي باشد و مي تواند نشان دهنده ي شدت تاثير خشکسالي و مديريت منابع آب سد زاينده رود بر پوشش گياهي مناطق پايين دست باشد .

مواد و روش ها :

منطقه مورد مطالعه در واقع يک پنجره از شهر اصفهان و حومه آن را شامل مي شود و انتخاب آن به گونه اي بوده که دامنه ي وسيعي از تغييرات درصد تاج پوشش گياهي به عنوان پارامتر مورد بررسي در اين تحقيق را در برگيرد . ( شکل 1 ) محدوده ي مورد بررسي داراي 51درجه،29،38 تا 51درجه،64َ،20طول جغرافيايي و 32درجه،36،30 تا 32درجه ،41،54عرض جغرافيايي مي باشد .
ميانيگن بارش ساليانه در منطقه ، بين 100 تا 120 ميلي متر گزارش شده و دماي متوسط سالانه هوا 16/1 درجه سانتيگراد مي باشد . ميانگين تبخير و تعرق سالانه 1568 ميلي متر برآورده شده است . اقليم اين منطقه به روش آمبرژه خشک سرد ، به روش دومارتن خشک ، به روش گوسن نيم بياباني شديد و به روش کوپن BWhs مي باشد .

پوشش گياهي يکي از شاخص هاي اصلي و اساسي در حيات اکولوژيک محيط زيست مي باشد که به طور مستقيم با شرايط رطوبتي در ارتباط مي باشد . مقايسه پوشش گياهي در دو دوره زماني با شرايط رطوبتي متفاوت در يک منطقه به خوبي مي تواند ميزان تاثير تنش خشکي ناشي از وقوع يک دوره خشکسالي را بر مجموعه پوشش سبز يک منطقه روشن سازد .
داده هاي سنجش از دوربا توانايي خوب در بررسي پوشش گياهي و امکان دسترسي چند زمان و با هزينه ي نسبتاً اندک امکان پايش ( Monitoring ) مداوم پوشش سبز سطح زمين را ميسر و امکان مقايسه واقعي آنها را فراهم مي آورد .در دسترس بودن داده هاي ماهواره اي سال هاي 1990 و 1999 که به ترتيب مقارن با يک دوره غير خشکسالي و يک دوره خشکسالي بودند ، امکان انجام تحقيق حاضر را فراهم نمود . در اين بررسي از عکس هاي هوايي سال 1371 ( در محدوده ي زماني تقريبي سال 1990 ميلادي ) سازمان نقشه برداري کشور ، که به صورت پوششي براي کل ايران تهيه شده است ، نيز استفاده شد . روند کلي انجام تحقيق ، که در واقع مقايسه پوشش گياهي منطقه اصفهان در دو زمان مختلف با استفاده از پردازش رقومي داده هاي ماهواره اي لندست و تفسير عکس هاي هوايي در نقاط نمونه برداري زميني مي باشد در شکل (2) نمايش داده شده است .

روش داده برداري زميني

شکل (3) روش برداشت داده هاي صحرايي را به نحوي که اطمينان کافي از موقعيت واقعي نقطه نمونه برداري حاصل شود ،نشان مي دهد . در اين روش با توجه به دقت GPS و دقت زمين مرجع نمودن داده هاي ماهواره اي ، محدوده اي بيش از يک پيکسل در اطراف پيکسل نمونه برداري جهت داده برداري پوشش گياهي در نظر گرفته شد . به اين صورت اطمينان کافي از برداشت در نقطه نمونه ، حاصل مي شد .

مراحل آناليز داده هاي ماهواره اي

قبل از انجام تحليل هاي سنجش از دور و به منظور دستيابي به داده هاي قابل اعتماد و مستند بايستي مجموعه اي از تحليل هاي رايانه اي مقدماتي بر اساس شواهد برداشت شده از دنياي واقعي و مدارک مستند مرتبط با آن از جمله نقشه هاي توپوگرافي و عکس هاي هوايي صورت پذيرد ، به اين مرحله ازکار با داده هاي رقومي ، پيش پردازش گفته مي شود . در مرحله ي پيش پردازش داده ها به آماده سازي داده هاي زميني و آماده سازي داده هاي ماهواره اي پرداخته شد ( کوران ، 1373) موضوعاتي مانند تعيين نقاط نمونه برداري زميني ، تعيين روش نمونه برداري زميني در مرحله آماده سازي داده هاي زميني و انتخاب نوع داده با توجه به هدف مطالعه و همچنين تصحيح داده هاي ماهواره اي در مرحله دوم يعني آماده سازي داده هاي ماهواره اي صورت پذيرفت .

پردازش داده هاي ماهواره اي :

هر تحليلي که بتواند به آشکارسازي و شناسايي پديده مورد بررسي منجر شود مي تواند در ارائه مدل ارتباطي داده هاي ماهواره اي و شواهد برداشت شده از دنياي واقعي مورد استفاده و ميزان کارايي آن مورد ارزيابي کمي قرار گيرد . روش هاي مورد استفاده در اين تحقيق شامل موارد زير بود :
ـ بهبود بخشيدن تصوير ( Image Enhancement)
ـ تغييرشکل ( Transformation )
ـ طبقه بندي ( Classification )
ـ آشکار سازي تغييرات ( Change Detection )
علاوه بر پردازش هاي فوق که عمدتا در تفسير بصري و نيمه بصري داده ها استفاده شد روش هاي مختلفي براي دستيابي به روابط کمي بين داده هاي ماهواره اي و درصد تاج پوشش مورد آزمون قرار گرفت که مناسب ترين آنها شاخص هاي پوشش گياهي بودند .
از جمله شاخص هاي مناسب در برآورد درصد تاج پوشش به شاخص هاي Ratio vegetation index RVI , TRANSFORMED VEGETATION iNDEX tvi مي توان اشاره نمود که به ترتيب به صورت روابط 1 و 2 تعريف مي شوند ( Hosseini , 2003 ) .
TVI=](NIR-RED(/(NIR+RED(+0.5]1/2(1
(2)RVI=NIR/Red
در روابط فوق NIR نشانه دخالت باند مادون قرمز ( باند 4 در سنجنده TM و + ETM ماهواره لندست ) Red علامتي براي نمايش مشارکت باند قرمز( باند 3 در سنجنده هاي فوق ) در شاخص پيشنهادي مي باشد .

نتايج و بحث

دراولين مرحله ، تصاوير مورد تصحيح راديومتريک قرار گرفتند . تصحيح راديومتريک تصاوير ، در اين تحقيق بر اساس رابطه همبستگي باندهاي مرئي و باند 4 سنجنده Tm براي داده هاي سال 1990 و باند 4 سنجنده + ETM سال 1999 که واجد کمترين اختلالات جوي است ، انجام گرفت . هنگامي که از صحت تصحيح راديومتريک تصاوير اطمينان کافي حاصل شد ، تصحيح هندسي در اولويت ترين و ضروري ترين اقدام براي طي مراحل بعدي تحقيق مي باشد . مرحله پيش پردازش ، در تحليل داده ها ، شامل آماده سازي داده هاي زميني و انجام تصحيحات لازم بود . در اين هنگام علاوه بر داده برداري موضوعي ( در ارتباط باپديده مورد بررسي) اطلاعات مکاني نيزبه منظور افزايش دقت مکاني تصاوير ماهواره اي توسط GPS برداشت شد .
اطلاعات مورد استفاده ابتدا با استفاده از نقشه هاي توپوگرافي زمين مرجع گرديده و سپس افزايش دقت مکاني با استفاده از داده هاي GPS صورت گرفت . شکل (4) انتخاب نقاط کنترل زميني براي انجام تصحيح هندسي بر اساس نقشه توپوگرافي 1/25000 و داده هاي برداشت شده توسط GPS را نشان مي دهد . دقت مکاني نهايي براي محدوده مورد بررسي کمتر از 0/4 پيکسل بود ( 0/38 = Sigma )

پس از انجام مراحل پيش پردازش ، به منظور آشکارسازي بهتر تاج پوشش گياهي روش هاي مختلف بهبود بخشيدن وضوح تصوير، آزمون همبستگي شاخص هاي مختلف پوشش گياهي مورد استفاده و ساير روش هاي تفسير رقومي داده ها مورد بررسي قرار گرفت . روش هاي مختلفي براي ارزيابي و بررسي پوشش گياهي و بارزسازي آن به ويژه در مناطق خشک و نيمه خشک مورد استفاده قرار مي گيرد ( Ezra et al., 1984 Gitelso et al، 2002 and) Huete et al.,1992 روش هاي استاندارد و عمومي مانند روش هاي طبقه بندي نظارت شده و شاخص هاي سنجش از دور پوشش گياهي به صورت آماده در نرم افزارهاي سنجش از دور فراهم شده ولي اين بدين منزله نيست که اين روش ها بهترين امکانات تحليلي براي پردازش و بررسي پوشش گياهي همه مناطق هستند ، بلکه با بررسي وضعيت بازتابي پوشش گياهي مي توان به روش ها و آناليزهاي رياضي و آماري دست يافت که بهتر بتوانند پوشش گياهي را بارز سازند .
در مقاله حاضر از مجموعه روش هاي مختلف ، شاخص هاي پوشش گياهي مورد ارزيابي قرار گرفته اند . جدول 3 ارزيابي شاخص هاي مختلف و انتخاب بهترين روش در منطقه مورد بررسي را نشان مي دهد .

براساس جدول فوق براي داده هاي سال 1990 شاخص TVI و براي داده هاي سال 1999 شاخص RVI همبستگي بهتر و مناسب تري را با پوشش گياهي نشان داده و به عنوان روش برتر در طبقه بندي مجدد استفاده گرديدند . چنانچه تفاوت پوشش گياهي در اين دو سال به طور نسبي مورد مقايسه قرار گيرد ( شکل 5 ) مشخص مي شود که به طور کلي کلاس هاي با درصد تاج پوشش کمتر ، سطح بيشتري را در سال 1999 نسبت به سال 1990 به خود اختصاص داده اند ( از 32 % در سال 1990 به 53 % در سال 1999 ) در مقابل ، از مساحت کلاس هاي با درصد تاج پوشش زياد ( 65 % تا 100 % ) در خلال اين مدت کاسته شده و از مجموع 23 % نسبت به کل سطح کل محدوده مورد بررسي به 11 % در همين محدوده ، نزول کرده است . تغييرات ايجاد شده را چنانچه با وقوع خشکسالي در منطقه مقارن باشد ، تا حد زيادي مي توان شدت تاثير خشکسالي که در خلال سال هاي 1998 و 1999 در منطقه به وقوع پيوسته و اقدامات مديريتي اعمال شده ناشي از کمبود بارش در منطقه را به خوبي توجيه نمود .

دقت برآورد پوشش گياهي با استفاده ازداده هاي ماهواره اي لندست در اين تحقيق بر اساس آناليز رگرسيون چندگانه کلاس هاي پوشش گياهي به روش متغيرهاي مجازي Dummy variable مورد بررسي قرار گرفت . نتايج به دست آمده نشان داد اين داده ها تنها براي درصد تاج پوشش گياهي بالاي 35 % دقت بسيار خوبي را داشته ( جدول 2 ) و توصيه مي گردد ، در برآورد کلاس هاي زير 35 % داده ها و اطلاعات ديگري مورد نياز مي باشد .

بر اساس آناليزانجام شده مجموعه پوشش گياهي از سال 1990 تا 1999 کاهش قابل توجهي داشته و اين امر مي تواند تابع شرايط خشکسالي موجود در اين سالها باشد . اين مسئله هنگامي محسوس تر خواهد بود که داده هاي سال 90 مربوط به اواخر تابستان ( 1990/9/17 ) و داده هاي سال 1999 مربوط به حدود يک ماه قبل ( 1999/8/25 ) و هنگام شادابي بيشتر پوشش گياهي مي باشد .
داده هاي ماهواره اي ابزار مناسبي جهت بررسي اکوسيستم هاي خشک و مطالعه روند خشکسالي( و پر آبي ) در آنها مي باشد .با استفاده از داده هاي موجود تغيير در کاربري اراضي ، راه ها و جاده ها و همچنين پيکره هاي آبي ( رودخانه زاينده رود ) قاب مشاهده و بررسي مي باشد . جهت بررسي دقيق تر و پوشش گياهي مناطق شهري نياز به داده هاي مختلف با دقت بيشتر و انجام تحقيقات گسترده تر مي باشد .

پی نوشت ها :

1ـ عضو هيات علمي مرکز تحقيقات کشاورزي و منابع طبيعي اصفهان
2 ـ کارشناس مرکز تحقيقات کشاورزي و منابع طبيعي اصفهان
3 ـ کارشناس ارشد مرکز تحقيقات کشاورزي و منابع طبيعي اصفهان

ـ آرنوف ، ا . 1375 . سيستم اطلاعات جغرافيايي GIS ، ترجمه سازمان نقشه برداري ، انتشارات سازمان نقشه برداري کشور 845 صفحه .
ـ علوي پناه ، س . ک . 1382 . کاربرد سنجش از دور در علوم زمين ، انتشارات دانشگاه تهران .
ـ کوران ، پ . 1373 . ترجمه رضا حائز ، اصول سنجش از دور ، انتشارات مرکز سنجش از دور ايران ، 645 صفحه .
ـ مختاري ، ا . 1379 . مقايسه شاخص هاي سنجش از دور در بررسي و مطالعه فضاي سبز شهر اصفهان ، دومين همايش فضاي سبز منطقه اي ، اهواز .
ـ مختاري ، ا . احمدي ، ح . سادات ، ف . خواجه الدين ، س . ج . و رهنما ، ف . ا . 1379 . کاربرد سنجش از دور در تهيه لايه هاي اطلاعاتي کاربري اراضي و پوشش سطح زمين در مدل فرسايش خاک MPSIAC ، فصلنامه ي پژوهش و سازندگي ، شماره 46 ، سال 1379 ، جلد 1 .
EZRA،C.E.TINNEY،L.R.and JACKSON ،R.D.1984.Conserations for implementing Vegetation indices in agricultural application.proceedings،Americon Society of photogrammetry ،526-536.
منبع:نشريه پژوهش در علوم کشاورزي ،شماره1