سیف الله سلیمانی

سابقه و اهداف: کیفیت هوای پاک، به منزله یکی از ضروری ترین نیازهای موجودات زنده، براَثر فعالیت های طبیعی و انسانی به مخاطره افتاده است. در سال های اخیر، طوفان های گردوغبار ازلحاظ مکانی و زمانی همواره درحال افزیش بوده و سبب آسیب های بی شمار درحوزه سلامت اجتماعی، اقتصادی و زیست محیطی، برای ساکنان مناطق جنوب و جنوب غرب ایران، شده است. در پژوهش حاضر، به منظور بررسی طوفان های گردوغبار و تشخیص عمق دید افقی، داده های سنجنده مادیس به کار رفته است. مواد و روش ها: از مزایای داده های سنجنده مادیس می توان به توان تفکیک طیفی و زمانی بالا اشاره کرد. همچنین داده های ایستگاه های هواشناسی با توجه به بازه زمانی مورد مطالعه جمع آوری شده است. پس از پیش پردازش داده ها و آماده سازی مشاهدات میدانی، به منظور استخراج ویژگی های مورد نیاز برای انجام دادن مدل سازی ها، ازطریق روش تفاضلی بین باندهای منتخب هر تصویر داده های سنجنده مادیس، به همراه ویژگی های استخراج شده از سنسورهای ایستگاه های هواشناسی زمینی استفاده شده است. با بررسی های بیشتر و ارزیابی های صورت گرفته و استفاده از دیدگاه های خبرگان هواشناسی، 36 ویژگی تفاضلی از باندهای گوناگون تصاویر مادیس و شش ویژگی از داده های ایستگاه های هواشناسی زمینی، یعنی درمجموع 42 ویژگی، استخراج شده است. در ادامه، ازطریق تکنیک های انتخاب ویژگی، بهترین ویژگی ها شناسایی و با به کارگیری روشی جدید با نام ML-Based GMDH، که حاصل بهبود شبکه عصبی GMDH ازطریق تغییر توابع جزئی با مدل های یادگیری ماشین است، برای تشخیص غلظت گردوغبار و دید افقی استفاده شد. برای دستیابی به دقت مناسب نیز ابرپارامترهای این مدل به صورت ابتکاری، با استفاده از الگوریتم بهینه سازی TLBO، تنظیم شدند. در ادامه، روش های یادگیری ماشین Basic GMDH SVM، MLP، MLR، RF و مدل گروهی آنها نیز، برای مقایسه با رویکرد اصلی، اجرایی شد؛ طبق نتایج، روش ML-Based GMDH تنظیم شده با  TLBOبا ایجاد بهبود درقیاس با روش های یادگیری ماشین ذکرشده، دقت بهتری را در تشخیص غلظت گردوغبار فراهم کرده است. نتایج و بحث: روش SVM-PSO به منزله روش برتر در مرحله انتخاب ویژگی، روش RF به منزله روش برتر در میان روش های پایه دسته بندی و روش های Ensemble SVM و Ensemble RF به منزله روش های برتر در مرحله گروهی و دسته بندی انتخاب شدند. همچنین مشاهده شد، با استفاده از رویکرد گروهی، بهبود مطلوبی در تشخیص دسته دید افقی پدید آمد. در رویکرد دوم، روشی با عنوان ML-Based GMDH که حاصل بهبود شبکه عصبی GMDH ازطریق تغییر توابع جزئی با مدل های یادگیری ماشین است، استفاده شد که کاربرد آن در تقریب غلظت گردوغبار است. همچنین، برای دستیابی به دقت مناسب، ابرپارامترهای این مدل با الگوریتم بهینه سازی TLBO با دقت بسیار بالا تنظیم شدند. نتایج حاصل نشان دادند این روش، با ایجاد بهبود درمقایسه با بهترین روش های انتخابی از رویکرد اول، دقت مناسبی را در تقریب غلظت گردوغبار و عمق دید افقی فراهم کرده است.

طی دهه های گذشته، طوفان های گردوغبار از لحاظ مکانی و زمانی همواره در حال افزیش بوده اند. طوفان های گردوغبار خاورمیانه سبب رسیدن آسیب های بی شماری در حوزه سلامت اجتماعی، اقتصادی، زیست محیطی و دیگر موارد به ساکنان مناطق جنوب و جنوب غرب ایران شده است. در این مقاله، به منظور بررسی طوفان های گردوغبار، از داده های سنجنده MODIS استفاده شد. از محاسن داده های سنجنده MODIS، توان تفکیک طیفی و زمانی بالای آن است. در این پژوهش، از دو مجموعه داده MODIS استفاده شد؛ بخش اول، داده های توسعه مدل (رخداد 21-18 ژانویه 2018) و بخش دوم، داده های تست و ارزیابی مدل. داده های هواشناسی نیز، با توجه به بازه زمانی مورد مطالعه، جمع آوری شد. پس از پیش پردازش داده ها و آماده کردن مشاهدات میدانی، ویژگی (ورودی شبکه عصبی مصنوعی) از داده های سنجنده MODIS، به روش پیشنهادی، تولید می شود. ازطریق شبکه عصبی مصنوعی، مدلی مناسب توسعه یافت که، بدین ترتیب، می توان گردوغبار استخراج و پارامتر دید افقی را، هم زمان، برآورد کرد. خروجی مدل با خروجی شاخص NDDI مقایسه بصری شد. سپس، برای بررسی کارآیی روش پیشنهادی، مدل توسعه یافته با داده های مربوط به زمان دیگر تست و خروجی مدل با خروجی شاخص NDDI مقایسه بصری شد. در نهایت، به منظور نشان دادن نقاط قوت و ضعف روش پیشنهادی، ارزیابی دقت ازطریق مقایسه نتایج روش پیشنهادی و پارامتر دید افقی در ایستگاه های سینوپتیک انجام شد. میزان خطای کلی، به ترتیب، 10%، 10%، 15% و 10% درمورد پردازش تصاویر هجدهم ژانویه، نوزدهم ژانویه، بیستم ژانویه و 21اُم ژانویه 2018 و 20% و 25% درمورد پردازش تصاویر 26اُم ژانویه 2019 و 28اُم اکتبر 2018 به دست آمد. با اتصال به پایگاه داده سازمان هواشناسی کشوری، روش پیشنهادی دارای قابلیت به کارگیری در سیستم خودکار استخراج گردوغبار است.