سنجش از دور و GIS ایران

تهیه نقشه اراضی کشاورزی یکی از لایه های اطلاعاتی مورد نیاز در مدیریت این زمین ها محسوب می شود. چنین نقشه هایی امکان پایش مستمر زمین های کشاورزی را در طول دوره کشت، فراهم می کنند. در این مطالعه، راهکاری به منظور تولید نقشه اراضی کشاورزی شهرستان شهرکرد، در دو کلاس زراعی و غیرزراعی، با استفاده از سری زمانی شاخص های مستخرج از تصاویر سنتینل 2 داده شده است. ازآن جا که استفاده از منابع داده حجیم یکی از موانع بهبود روش های مبتنی بر سری زمانی تصاویر ماهواره ای به شمار می رود، در این پژوهش از بستر پردازشی گوگل ارث انجین استفاده شده است. روش مطرح شده برمبنای تلفیق نتایج طبقه بندی نظارت شده پیکسل مبنا با نتایج قطعه بندی عمل می کند؛ به نحوی که ابتدا داده های آموزشی طبقه بندی نظارت شده، طی یک فرایند پالایشی سخت گیرانه، بدون نیاز به عملیات میدانی فراهم می شوند. سپس با محاسبه تفکیک پذیری دو کلاس هدف در سری زمانی هر شاخص، شاخص های بهینه انتخاب می شود. در نهایت، با تلفیق نتایج روش های قطعه بندی و طبقه بندی براساس آرای به دست آمده از نتایج طبقه بندی، به هر قطعه تصویری کلاس زراعی یا غیرزراعی نسبت داده می شود. این اقدام، علاوه بر دخالت دادن اطلاعات مکانی اعم از لبه ها و مجاورت های مکانی، توانسته است نویز و نتایج متخلخل طبقه بندی پیکسل مبنا را بهبود بخشد و دقت کلی نقشه نهایی را از 7/90 به 05/96 افزایش دهد. همچنین دقت کاربر دو کلاس زراعی و غیرزراعی به ترتیب 27/3 و 97/7% بهبود را نشان می دهند.

دمای سطح زمین یکی از پارامترهای مؤثر و مهم در فرایندهای فیزیک سطح زمین در تمامی مقیاس ها، از محلی تا جهانی، محسوب می شود. در این مطالعه، رابطه بین دمای سطح زمین با پوشش گیاهی و رطوبت سطحی خاک، در کاربری های اراضی منطقه زهک دشت سیستان، بررسی شد. بدین منظور تصاویر ماهواره ای لندست TM (1987)، TM (2001) و  OLI(2018) به کار رفت. پس از مراحل پیش پردازش و پردازش تصاویر، نقشه های کاربری اراضی براساس روش طبقه بندی نظارت شده و از طریق الگوریتم حداکثر احتمال در دوره سی ساله استخراج شد. همچنین دمای سطح زمین با روش پنجره مجزا به دست آمد و ارتباط بین آن با پوشش گیاهی و رطوبت خاک، با روش آماری، ارزیابی شد. طبق نتایج، دقت طبقه بندی به روش حداکثر احتمال با بررسی از طریق داده های حقایق زمینی، تصاویر TM و OLI، برحسب ضریب آماری کاپا، به ترتیب 89/0، 95/0 و 84/0 و براساس صحت کلی 8/91، 45/96 و 89/87% به دست آمد. طی سال های 1987، 2001 و 2018 میانگین شاخص های دمای سطح زمین 13/38، 73/45 و 14/41 درجه سانتی گراد، شاخص تفاضلی نرمال شده پوشش گیاهی 11/0-، 13/0- و 16/0- و شاخص تفاضلی نرمال شده رطوبت 64/0، 63/0 و 58/0 برآورد شد. ارتباط دمای سطح زمین و شاخص تفاضلی نرمال شده پوشش گیاهی فاقد همبستگی بود. همبستگی بین دمای سطح زمین و شاخص تفاضلی نرمال شده رطوبت نیز معکوس و منفی شد. بر اثر عوامل پدیدآورنده خشکسالی هیدرولوژیکی و شرایط اقلیمی ناشی از کاهش بارندگی، افزایش دمای هوا و وزش طوفان های گردوغبار، زادآوری و رشد گیاهان کاهش یافته است؛ بنابراین، به دنبال فقدان پوشش گیاهی مناسب، پوشش گیاهی در کاهش دمای سطح زمین منطقه مورد مطالعه تأثیری ندارد.

برآورد پتانسیل تولید هر گیاه تابعی از شرایط اقلیمی، پتانسیل های ژنتیکی گیاه و دیگر عوامل گوناگون محیطی و مدیریتی است. ارزیابی توانمندی مناطق، در به فعلیت رساندن پتانسیل های ژنتیکی گیاهان، از نکات مهم برنامه ریزی های کلان در کشاورزی به حساب می آید. با توجه به جایگاه استان قزوین در تولید محصول ذرت و اهمیت کشت این محصول در استان، برآورد هرچه دقیق تر میزان عملکرد این محصول استراتژیک بسیار ضرورت دارد. در همین زمینه، با مطالعه یک دوره داده برداری یازده ساله، عملکرد محصول ذرت با مدل گیاهی جدید AquaCrop-GIS برآورد شد. پهنه بندی شاخص های کلیدی محصول از طریق مدل در سطح استان شبیه سازی شد. با بررسی نتایج این پارامترهای کلیدی، مشخص شد ایستگاه های مطالعاتی قزوین و معلم کلایه با میزان تبخیر و تعرق مرجع کمتر دارای بهره وری آب بیشتری است. در ادامه با استفاده از عملکرد محاسباتی، اجزای ردپای آب و ردپای آب کل محصول در محدوده ایستگاه های مطالعاتی تخمین زده شد. با بررسی معادلات رگرسیونی میان اجزای ردپای آب و ردپای آب کل محصول با عملکرد محصول در هر ایستگاه، مشخص شد روابط ردپای آب آبی با عملکرد به نسبت دیگر اجزای ردپای آب درمورد تمامی ایستگاه ها، از میزان ضریب تعیین (43/0= R 2 ، 51/0= R 2 ، 43/0= R 2 ، 77/0= R 2 و 79/0 = R 2 به ترتیب درمورد ایستگاه های قزوین، آوج، معلم کلایه، تاکستان و بویین زهرا) و سطح معنی داری برخوردار است. به طورکلی ضریب تعیین این روابط در ایستگاه بویین زهرا با 88/0= R 2 ، 79/0= R 2 ، 56/0= R 2 و 53/0= R 2 به ترتیب برای ردپای آب سبز، آبی، خاکستری و ردپای آب نسبت به سایر ایستگاه ها، بیشتر برآورد شد؛ به این معنی که کاهش عملکرد در این ایستگاه تأثیر بسزایی بر افزایش ردپای آب کل محصول داشت.

مطالعه پوشش برف، در جایگاه یکی از منابع مهم تأمین آب شیرین، اهمیت بسیاری دارد. با توجه به کوهستانی بودن ایران، امکان اندازه گیری زمینی مساحت زیر پوشش برف وجود ندارد. بر این اساس، استفاده از تصاویر ماهواره ای برای شناسایی ذخیره گاه های برف بسیار مهم است. در این پژوهش، تغییرات زمانی مکانی پوشش برف ایران طی دوره سرد سال، با استفاده از داده های پوشش برف سنجنده مادیس ماهواره ترا، طی دوره آماری 2018-2003 بررسی شد. روند تغییرات پوشش برف و شیب این روند، با استفاده از آزمون های ناپارامتریک من کندال و سنس و نقطه تغییر پوشش برف با استفاده از آزمون بوشند مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد بیشترین مقدار پوشش برف متعلق به ماه ژانویه، با 15/16% و کمترین مقدار پوشش برف مختص به ماه اکتبر، با کمتر از 1% است. کانون اصلی پوشش برف ایران، در دوره سرد سال، در مناطق مرتفع بیش از 4000 متر به دست آمده است. روند تغییرات پوشش برف، در تمامی ماه های مورد مطالعه، منفی و بیشینه شدت کاهشی پوشش برف نیز متعلق به ژانویه بوده است. نقطه تغییر نیز در همین ماه و سال 2008 محاسبه شد که از نظر آماری در سطح 0.05 معنی دار است. روند کاهشی درخور توجه پوشش برف ایران، در دوره سرد، تهدید بزرگی برای منابع آبی ایران به شمار می رود.

این پژوهش با هدف برآورد ویژگی های خاک، با استفاده از باندهای ماهواره لندست 8، در بخشی از زمین های زراعی دشت قروه دهگلان در غرب ایران انجام شد. در مجموع، از 107 نقطه محدوده مطالعاتی، از عمق 15-0 سانتی متری نمونه خاک تهیه و ویژگی های فیزیکوشیمیایی این نمونه ها در آزمایشگاه اندازه گیری شد. برای استخراج اطلاعات از تصویر ماهواره لندست 8 و پس از اعمال ماسک پوشش گیاهی، مقادیر DOS باندهای 7-1 برای نقاط نمونه برداری استخراج شد. به منظور تعیین رابطه بین ویژگی های خاک و ارزش رقومی باندهای لندست 8، تحلیل همبستگی، رگرسیون خطی گام به گام و رگرسیون مؤلفه اصلی به کار رفت. اعتبارسنجی تحلیل رگرسیون ها با استفاده از دو پارامتر ضریب تعیین و ریشه میانگین مربعات خطا ارزیابی شد. نتایج نشان داد که همبستگی مثبت و معنی داری بین مقادیر شن و اکسیدهای آزاد آهن خاک و همبستگی منفی و معنی داری بین رس و سیلت خاک، با ارزش رقومی بیشتر باندهای لندست 8، وجود دارد. بین غلظت فلزات سنگین و ارزش رقومی در باندهای مرئی و مادون قرمز نزدیک، همبستگی معنی داری مشاهده نشد و تحلیل های رگرسیون نیز، در برآورد ویژگی های خاک محدوده مطالعاتی، کارآیی مورد قبولی نداشت. با توجه به نتایج، به نظر می رسد که می توان از تصاویر ماهواره لندست 8 به منظور برآورد بافت خاک و مقادیر اکسیدهای آزاد آهن خاک، در محدوده مورد مطالعه، استفاده کرد.

تغییرات رشد محصولات کشاورزی در فواصل زمانی نسبتاً کوتاه، ناهم زمانی کشت محصولات مشابه، شباهت طیفی میان محصولات گوناگون در برخی از زمان های دوره کشت و کمبود داده های زمینی، طبقه بندی محصولات زراعی در تصاویر ماهواره ای را به کاری چالش برانگیز مبدل می کند. تغییر مقدار درصد پوشش و سبزینگی، در طول فصل رشد، از برجسته ترین ویژگی پوشش های گیاهی ازجمله محصولات کشاورزی است که می توان بر آن نظارت کرد. این کار با استفاده از سری زمانی شاخص های گیاهی انجام می شود که اطلاعات بسیار مفیدی از توالی ویژگی های فنولوژیک محصولات کشاورزی در اختیار ما قرار می دهد. استفاده از روش های یادگیری عمیق با توانایی یادگیری اطلاعات متوالی حاصل از این سری ها می تواند، در طبقه بندی محصولات کشاورزی و کاهش وابستگی به داده های زمینی، مفید باشد. شبکهLong-Short Term Memory (LSTM) یکی از انواع شبکه های عصبی بازگشتی در تجزیه و تحلیل داده های متوالی است که توانایی یادگیری توالی های بلندمدت در سری زمانی را دارد؛ بنابراین در این مطالعه، پس از محاسبه شاخص NDVI از باندهای ماهواره سنتینل 2 در نُه تاریخ متفاوت و تشکیل سری زمانی آن شاخص برای ورود به شبکه، دو ناحیه متفاوت در دشت مغان در نظر گرفته شد که محصولات کشت شده در آنها، طی عملیات زمینی، برداشت شده بود. در ناحیه اول، شبکه کانولوشنی LSTM برای طبقه بندی محصولات آموزش دید و در ناحیه دیگر، کارآیی این شبکه آموزش دیده در طبقه بندی محصولات ارزیابی شد و دقت کلی 82% و ضریب کاپای 8/0 به دست آمد. افزایش تعداد نمونه های زمینی و انتخاب مرز دقیق محصولات، می تواند کارایی روش مورد استفاده را افزایش دهد.

توسعه با مفهوم عام آن، پیشرفت صنعتی، تکنولوژیکی و فضایی، به ویژه در کشورهای درحال توسعه، به تأثیرات نامطلوب در محیط زیست هم در مقیاس ناحیه ای و هم در سطوح گوناگون منطقه ای، ملی و گاه جهانی منجر شده و به همان میزان، امنیت اکولوژی مناطق را تحت تأثیر قرار داده است. طی دهه های اخیر، توجه بیشتری به امنیت زیست محیطی در جهان شده و روش های گوناگونی برای ارزیابی آن توسعه یافته است اما تا به امروز، بیشتر تحقیقات درمورد امنیت اکولوژیکی براساس مدل فشار وضعیت پاسخ انجام شده است و کمتر مطالعاتی، برمبنای رویکرد مدل اکولوژی سیمای سرزمین، به این مقوله پرداخته اند. همچنین تحقیقات اندکی با تمرکز بر تغییرات پویای امنیت اکولوژیکی، به ویژه شبیه سازی و پیش بینی روند توسعه آینده امنیت محیط زیست انجام شده است. هدف از این تحقیق پایش و پیش بینی وضعیت امنیت محیط زیست در دوره زمانی سال های 1991 تا 2035، با تلفیق الگوریتم ماشین بردار پشتیبانی، مدل اکولوژی سیمای سرزمین، مدل ترکیبی زنجیره مارکوف و سلول های خودکار (CA-Markov) برای حوزه شهرستان نظرآباد از توابع استان البرز است. بدین منظور با طبقه بندی تصاویر ماهواره ای لندست در دو بازه زمانی پانزده ساله طی سال های 1991 تا 2021، روند تغییرات کاربری اراضی منطقه در پنج کلاس کاربری، اراضی ساخته شده، اراضی کشت شده، زمین های مرطوب، پوشش گیاهی و اراضی بایر بررسی شد و برای تهیه نقشه های کاربری سال 2035، از مدل CA-Markov استفاده شد. به منظور کمّی کردن الگوهای سیمای سرزمین در سطح کلاس، متریک های MPS، CA، NP، PLAND، AWMSI، PD و در سطح سیمای سرزمین، متریک های LPI،CONTAG  و SHDI محاسبه شدند. پس از آن، شاخص امنیت اکولوژیک برای متریک های سیمای سرزمین منطقه مورد مطالعه، مدل سازی شد. نتایج حاکی از کاهش یکپارچگی و افزایش تعداد لکه ها در کلاس اراضی کشت شده و توسعه و گسترش اراضی انسان ساخت در این اراضی بود و از دیگرسو، شاهد بروز پدیده یکپارچگی در اراضی بایر منطقه بودیم؛ ازاین رو امنیت اکولوژیکی منطقه در دوره مورد بررسی، متأثر از وقایع یادشده، طی سال های 1991 تا 2006 با شدت بیشتر و در سال های 2006 تا پیش بینی 2035، با شیب ملایم تری رو به کاهش ارزیابی شد. در پایان، رعایت بیش از پیش ملاحظات محیط زیستی و اصول حفاظت و حمایت در برنامه های توسعه ای منطقه پیشنهاد شد. برای این منظور با استفاده از طبقه بندی تصاویر ماهواره ای لندست در دو بازه زمانی پانزده ساله بین سال های 1991 و 2006 و 2021، روند تغییرات کاربری اراضی منطقه مورد مطالعه در پنج کلاس کاربری؛ اراضی ساخته شده ، اراضی کشت شده ، زمین های مرطوب ، پوشش گیاهی و اراضی بایر مورد بررسی قرار گرفت و جهت کمی کردن الگوهای سیمای سرزمین در سطح کلاس متریک های MPS،CA،NP،PLAND،AWMSIT،PD و در سطح سیمای سرزمین متریک های LPI،CONTAG و SHDI محاسبه شدند. برای تهیه نقشه های کاربری سال 2035 از مدل CA-Markov استفاده گردید و سپس شاخص امنیت اکولوژیک برای متریک های سیمای سرزمین منطقه مورد مطالعه مدل سازی شد. نتایج حاکی از کاهش یکپارچگی و افزایش تعداد لکه ها در کلاس اراضی کشت شده و توسعه و گسترش اراضی انسان ساخت در این اراضی بوده و از طرف دیگر شاهد بروز پدیده یکپارچگی در اراضی بایر منطقه بوده ایم. از این رو امنیت اکولوژیکی منطقه، طی دوره مورد بررسی، متاثر از وقایع فوق، طی سال های 1991 تا 2006 با شدت بیشتر و در سال های 2006 تا پیش بینی 2035 با شیب ملایم تری رو به کاهش ارزیابی شد. از این رو رعایت بیش از پیش ملاحظات محیط زیستی و اصول حفاظت و حمایت در برنامه های توسعه ای منطقه، ضروری به نظر می رسد.