استفاده از روش Maximum Likelihood و مدل LMM برای برآورد میزان تغییرات مناطق بیابانی شرق اهواز
| دسته | دورسنجی و GIS |
|---|---|
| گروه | سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور |
| مکان برگزاری | بیست و ششمین گردهمایی علوم زمین |
| تاريخ برگزاری | ۱۴ اسفند ۱۳۸۶ |
چکیده :
علیرضا سرسنگی1 ,کاظم رنگزن2 ،بهمن سلیمانی3 ,احسان آبشیرینی4
1- دانشجوی کارشناسی ارشد سنجش از دور و GIS دانشگاه شهید چمران اهواز
2- عضو هیئت علمی ومدیر گروه سنجش از دور و GIS دانشگاه شهید چمران اهواز
3-عضو هیئت علمی ومدیر گروه زمین شناسی دانشگاه شهید چمران اهواز
4- عضو هیئت علمی گروه سنجش از دور و GIS دانشگاه شهید چمران اهواز
مقدمه :
تپه های ماسهای در تمام کره زمین از سواحل و دریاچه های شور تا نواحی بیابانی خشک، پراکنده هستند ودر حدود 10 درصد عرض های N30 تا S30 را اشغال نمودهاند [10]. با توجه به ثبت انعکاسات طیفی عوارض زمینی و قابلیت به روز بودن، تصاویر ماهواره ای حاوی اطلاعات با ارزشی برای مطالعه ماسهها و تغییرات ایجاد شده در آنها در بازه زمانی مشخص میباشد. تپههای ماسهای عوارضی دینامیکی هستند که طول، ارتفاع و محل آنها دائما"تغییرمیکند[11]. انعکاس طیفی که از تپههای ماسهای به سنجندههای ماهوارهها می رسد به عواملی مانند ویژگی سطح ، نحوه قرار گرفتن آنها بین خورشید و سنجنده، چگالی اتمسفر،درصد پوشش گیاهی، نوع کانی و بافت مواد تشکیل دهنده آنها بستگی دارد[4].شناسایی و تفکیک عوارض ماسهای گام مهمی در برنامهریزیهای منطقهای محسوب می گردد. با توجه به اینکه تهیه نقشه تغییرات وجابهجایی تپه های ماسهای، مورد نیاز برنامهریزی اکوسیستم بسیار شکننده بیابان است، پس به کارگیری ابزاری که بتواند با دقت، صرف وقت و هزینه کمتری این پدیده را مورد ارزیابی قراردهد نیاز ضروری مدیریت در این مناطق می باشد [2]. در این راستا، تحقیق حاضر با هدف امکان بکارگیری دادههای سنجش از دور و GIS در شناسایی چگونگی گسترش و بر آورد میزان تغییرات تپه های ماسه ای و تغییرات تمام کاربریهای موجود در مناطق بیابانی شرق – شمال شرق اهوازصورت گرفته است.
بحث :
منطقه مورد مطالعه در طول جغرافیای 48 درجه و 42 دقیقه تا 49 درجه و 29 دقیقه شرقی ودرعرض جغرافیای 31 درجه و 6 دقیقه تا 31 درجه و 46 دقیقه شمالی به مساحت 4/1363 کیلومتر و در فاصله 30 کیلومتری شهر اهواز واقع گردیده است (شکل 1). شکل غالب ژئومورفولوژی منطقه را تپه ماهور، آبهای سطحی، دشت و تپههای ماسهای تشکیل میدهد. سازندهای موجود در منطقه شامل سه سازند آغاجاری ( بخش لهبری )، سازند کنگلومرای بختیاری و سازند کواترنری است. سازند آغاجاری تنها سازندی است که در منطقه رخنمون دارد و این سازندها متشکل از دانههای ماسه حاوی کوارتز بالا بوده که توسط سیمانی از جنس کربناتها بهم متصل شدهاند [6]. محدوده ارتفاعی منطقه بین 13 تا 153 متر میباشد و تپه های ماسه ای نیز مساحتی در حدود 12 درصد از کل منطقه را پوشانده است.[1
داده های مورد استفاده
تصاویر ماهواره ای لندست 5 و 7 مربوط به سالهای 1991 و 2002 در این تحقیق استفاده گردید. تصحیحات هندسی و رادیومتریک بر روی هر دو تصویر انجام شد. یکی دیگر از تصحیحاتی که در این مرحله انجام شد تبدیل ارزشهای DN به ارزشهای انعکاسی تصاویر بود. در هنگام بررسی عارضههای خاص با استفاده از تصاویر، استفاده از ارزش انعکاسی اجسام به جای استفاده از DN ارجحیت دارد زیرا با انجام فرایند تبدیل DN به ارزش انعکاسی خطاهایی از قبیل خطای اتمسفری، ارتفاع خورشید، مسافت خورشید-زمین و Bias حذف میشود [9]. تبدیل DN به ارزش انعکاسی شامل دو مرحله 1- تبدیل DN به ارزش تشعشعی و 2- تبدیل ارزش تشعشعی به انعکاسی است. برای انجام این مراحل از فایل راهنمای تصویر، فرمولها و ضرایب پیشنهادی استفاده شد .[5]
طبقهبندی تصاویر
برای طبقهبندی تصاویر ابتدا مراحل فوق را انجام داده و مبنای طبقهبندی را بر اساس ارزشهای انعکاسی منتج شده از مرحله قبل قرار دادیم. در ابتدا با استفاده از طبقهبندی نظارت نشده به بررسی و ارزیابی تعداد کلاس‌‌های موجود در منطقه مورد مطالعه پرداختیم. لذا با استفاده از الگوریتم Isodata تصویر سال 2002 به صورت نظارت نشده طبقهبندی گردید. با توجه به ناهمگونی فراوان و تغییرات ناگهانی در منطقه، استفاده از الگوریتمهای طبقهبندی نظارت نشده چندان مثمر ثمر واقع نشد و با استفاده از روشهای طبقهبندی نظارت شده تصاویر طبقهبندی گردیدند.
طبقه بندی نظارت شدهای که در این تحقیق استفاده شده به این طریق است که پیکسل ناشناخته را به یکی از کلاسها از طریق روش Maximum Likelihood نسبت میدهد [8].برای طبقهبندی نظارت شده ابتدا نقاط آموزشی با دقت انتخاب و به سیستم معرفی شد و سپس از روش بیشترین شباهت برای طبقهبندی تصاویر استفاده گردید. زیرا این روش با استفاده از میانگین و ماتریس کواریانس دادههای تمرینی نتایج دقیقتری را از روشهای دیگر نظیر طبقهبندی کمترین فاصله و طبقهبندی متوازی السطوح از دادههای تصویر بدست میدهد [7]. در منطقه مورد مطالعه برای هر دو تصویر 7 کلاس کاربری اراضی با توجه به طبقهبندی نظارت نشده، عملیات میدانی و نقشههای پوشش گیاهی در نظر گرفته شد که شامل 1- اراضی کشاورزی 2- تپه های ماسهای فعال، 3- زمینهای لم یزرع، 4- اجسام آبی، 5- تپه های ماسهای تثبیت شده، 6- زمینهای آیش و 7- مراتع می باشد.
بعد از طبقهبندی تصاویر بر اساس الگوریتم بیشترین شباهت، میزان دقت طبقهبندی با استفاده از انتخاب نقاط کنترل و معرفی آن برای هر دوسال بهدست آْمد. با توجه به ماتریس خطای هر دو سال ، میزان دقت کلی طبقهبندی برای سال 1991 برابر 84 درصد و ضریب کاپا برای همین سال 81/0 میباشد. و این مقدار برای تصویر سال 2002 بهترتیب برابر 81 درصد و 77/0 میباشد. با توجه به هدف این مطالعه که بررسی تغییرات تپه های ماسه ای می باشد در نتیجه دو کلاس اراضی کشاورزی و آیش با هم ادغام شده و بعنوان یک کلاس کاربری اراضی کشاورزی در نظر گرفته شد و به هرکدام از کاربریها از 1 تا 6 کدکذاری گردید. (اشکال 2 و 3). در جدول شماره 1 مساحت هر کدام از کاربرهای موجود در منطقه استخراج شده است.
|
کد
|
کلاس های تفکیک شده
|
1991(Hec)
|
درصد مساحت
|
2002(Hec)
|
درصد مساحت
|
|
1
|
اراضی کشاورزی
|
58299
|
7/42
|
65988
|
4/48
|
|
2
|
تپه های ماسه ای فعال
|
9335
|
85/6
|
7330
|
37/5
|
|
3
|
اراضی بایر
|
20161
|
8/14
|
25502
|
7/18
|
|
4
|
اجسام آبی
|
7870
|
75/5
|
1125
|
83/0
|
|
5
|
تپه های تثبیت شده
|
8034
|
9/5
|
8782
|
45/6
|
|
6
|
مرتع
|
32644
|
24
|
27616
|
25/20
|
|
جمع مساحت
|
136340
|
100
|
136340
|
100
|
|
مشخص کردن تغییرات کاربریها با استفاده از مدل (LMM)
پس از مرحله‌ی طبقهبندی، از کد‌هایی که در مرحله‌ی قبل به طبقات مختلف داده شده بود، استفاده و با استفاده از فرمول 3-1 میزان تغییرات اتفاق افتاده برآورد گردید[3].
فرمول 1
LMM: ماتریس ضرب کاربریها : تصویر طبقهبندی شده‌ی تاریخ اول
: تصویر طبقهبندی شده‌ی تاریخ دوم
و با در نظر گرفتن این نکته که تصاویر طبقهبندی شده هرکدام دارای 6 کلاس می‌باشند، تصویری بشکل ماتریس (6*6) تشکیل شده که هر یک از درایههای آن معرف تغییر و تبدیل یک کاربری به کاربری دیگر است. برای نمونه درایه 25( تپههای تثبیت شده+10×تپههای فعال) معرف تبدیل ماسههای فعال به تپههای تثبیت شده است. همچنین اعداد و درایههای بدون تغییر این ماتریس یعنی کاربری‌هایی که در هر دو سال هیچ تغییری نداشته‌اند، روی یکی از قطر‌های ماتریس قرار گرفتند. برای تهیه نقشه تغییرات کاربری اراضی، نقشههای طبقهبندی شده هر دو سال را به فرمت رستر تبدیل کردیم. با اعمال فرمول LMM بر روی هر دو تصویر، نقشه تغییرات کاربری برای تمام کاربریها بهدست آمد که شامل 34 حالت تغییرات بوده که 6 کلاس مربوط به مناطق تغییر نیافته می باشد(جدول 2 و شکل 4).
جدول 2. مساحت(hec) کاربریها برای دو سال (ستون سال 1991 و سطرسال 2002).
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
|
|
1
|
33/38174
|
64/460
|
76/11603
|
88/654
|
39/22222
|
7/5191
|
|
2
|
39/1887
|
18/5653
|
76/90
|
0
|
25/1344
|
1/358
|
|
3
|
25/11678
|
76/275
|
6248
|
76/77
|
35/142
|
59/1723
|
|
4
|
37/2501
|
0
|
72/4959
|
5/383
|
16/16
|
84/7
|
|
5
|
8/1902
|
66/746
|
43/82
|
39/4
|
15/4710
|
16/585
|
|
6
|
9856
|
42/190
|
97/2507
|
46/3
|
97/341
|
56/19751
|
از آنجاییکه هدف اصلی این تحقیق بررسی تغییرات سطح تپههای ماسهای بوده‌است، فقط تغییرات کاربری تپههای ماسهای به سایر کاربریها و تبدیل سایر کاربریها به آن مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفت و از بررسی سایر کاربریها به یکدیگر خودداری شد.
برای استخراج میزان نهایی تغییرات کدهای مشابه(مثل 21 و 12) از هم کسر شدند و در نهایت میزان کلی به نفع مساحت بیشتر استخراج شد که در جدول 3 میزان نهایی تغییرات و کدهای غالب و در شکل 5 تغییرات حادث شده داده شده است.
جدول 3- مساحت نهایی تغییرات کاربری اراضی مرتبط با تپههای ماسهای
|
مساحت(هکتار)
|
کد
|
علامت اختصاری
|