استفاده از روش Maximum Likelihood و مدل LMM برای برآورد میزان تغییرات مناطق بیابانی شرق اهواز

چکیده :
 
استفاده از تصاویر ماهواره­ای بدلیل به­روز بودن و همپوشانی داشتن با تصاویر قبلی، قابلیت بالایی جهت آشکارسازى تغییرات رخداده در طول زمان و استفاده در کارهای تحقیقاتی دارند. در این مطالعه سعی شد تا با استفاده از یک سری تصاویر ماهواره­ای، میزان تغییرات حادث شده در تپه­های ماسه­ای مناطق بیابانی شرق- شمال­شرق اهواز در بازه زمانی ۱۱ ساله استخراج شود. انواع کاربرهای موجود برای هر سال از روی تصاویر استخراج سپس با استفاده از مدل LMM و نرم افزارهای GIS حجم تغییرات حادث شده بر روی کاربرهای مختلف بخصوص تپه­های ماسه­ای بدست آمد. روشهای مختلف کلاسه­بندی در این تحقیق مورد آزمایش قرار گرفت و در نهایت روش کلاسه­بندی  Maximum Likelihood انتخاب گردید. برای هر سال، ۶ کلاس کاربری اراضی استخراج گردید. نتایج نشان داد که سطح اراضی کشاورزی موجود در منطقه از ۵۸۲۹۹ هکتار به ۶۵۹۸۸ هکتار افزایش داشته و سطح تپه­های ماسه­ای فعال موجود در منطقه از ۹۳۳۵ هکتار به ۷۳۳۰ کاهش داشته است. همزمان با کاهش مساحت تپه­های ماسه­ای فعال، تپه­های ماسه­ای تثبیت شده افزایش محسوسی در مساحت نشان می­دهند که از دلایل اصلی این رخدادها در منطقه مورد مطالعه, انجام روشهای مکانیکی-بیولوژیکی در مبارزه با فرآیند بیابان­زایی می­باشد.

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

کلید واژه ها: خوزستان