بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ارزیابی دقت روش های مختلف تهیه نقشه دمای سطح زمین با استفاده از
تصاویر ماهواره ای(منطقه مورد مطالعه : شهرستان تهران)
چکیده
دمای سطح زمین یکی از متغیرهای کلیدی در دانش زمین می باشد. کاربرد مستقیم و غیر مستقیم دمای سطح زمین در اندازهگیری مشخصه های محیطی دیگر، تعیین این مولفه را در این دانش اهمیت می بخشد. تعیین دمای سطح زمین به کمک تصاویر مادون قرمز حرارتی در سنجش از دور، یکی از مسائل اصلی در این شاخه و در علوم زمین محسوب می شود به طور کلی سه روش برای اندازهگیری دمای سطح زمین با استفاده از تصاویر باندهای حرارتی سنجش از دور ارائه شده است. روش های دسته اول، برمبنای استفاده از تفاوت دو پنجره مجزای طیفی در محدوده ی طیف مادون قرمز حرارتی عمل می کند. روش های دسته دوم، با استفاده از رادیانس مشاهده شده در باندهای طیفی مادون قرمز حرارتی، دمای سطح را محاسبه می کنند. روش های دسته سوم با استفاده از تلفیق دو روش فوق می باشد. در این تحقیق با استفاده از روش های دسته ی دوم که شامل الگوریتم رگرسیون معمولی، کریجنگ و سبال به تهیه نقشه ی دمای سطح زمین در منطقه ی تهران با بهره گیری از روش های طبقه بندی SVM و V-I-S و با در نظر گرفتن دادههای شش ایستگاه هواشناسی تهران به مدت شش سال که شامل پارامترهای دمای سطح خاک و رطوبت و نیز تهیه نقشه رقومی توپوگرافی تهران و تصاویر ماهواره ی Landsat 8، انجام گرفت. که در مجموع، این تحقیق به نتایج قابل قبولی از نظر دقت های حاصل از محاسبات دمای سطح و سهولت این محاسبات دست یافته است. روش سبال در مقایسه با روش های که دقت مشابهی برای محاسبه دمای سطح دارد، روش مذکور در این تحقیق از محاسبات بسیار سادهتر و داده های ورودی تقریبا کمتری استفاده مینماید. مهمترین نتایج روش سبال که دارای خطای کمتر و صحت آن برای تهیه دمای سطح بهره گرفته شده است. و نیز در این رساله بررسی جزایر حرارتی به عنوان یک اصل مهم در تعیین مکان فضای سبز شهری بیان گردید. در این تحقیق، سعی شده است درجه حرارت سطح زمین در شهر تهران با استفاده از داده های Landsat 8 تخمین زده شود .تغییرات درجه حرارت سطح بدست آمده نسبت به انواع پوشش کاربری زمین بدست آمده از باندهای مرئی و مادون قرمز نزدیک، مورد بررسی قرار گرفت .همچنین دقت طبقه بندی انواع پوشش-کاربری زمین، مورد ارزیابی قرار گرفت و معلوم گردید که دقت طبقه بندی با استفاده از SVM افزایش می یابد. مقادیر گسیل مندی و درجه حرارت سطح با بکارگیری روش SEBAL بر روی داده های ماهواره ای تخمین زده شد. نتایج حاصل از بررسی ها، نشاندهنده ی وابستگی شدید بین درجه حرارت برای انواع پوشش -کاربری زمین است .
کلیدواژه: جزایر حرارتی، تهران، سبال، رگرسیون
1
-1 مقدمه
جزیره حرارتی اصطلاحی است که برای توصیف گرمتر بودن اتمسفر و سطح شهرها در مقایسه با پهنه های غیر شهری پیرامون به کار می رود. جزیره حرارتی شهری (UHI) نمونه ای از تغییرات اقلیمی ناخواسته متأثر از تغییرات سطح و اتمسفر زمین ناشی از فرایند شهر نشینی می باشد. در حال حاظر به دلایل مختلفی، برخی از مناطق در سطح شهر گرمتر از مناطق دیگر اطراف خود هستند که این امر می تواند دلایل مختلفی داشته باشد. از جمله این عوامل می توان به کاربری اراضی منطقه اشاره کرد. به عنوان مثال مناطقی که در آنجا به ساخت و ساز پرداخته می شود، به دلیل استفاده از ابزارها و لوازمی که هرکدام دارای یکسری خصوصیات خاص خود مانند ضرفیت حرارتی، هدایت حرارتی و غیره می باشد، باعث افزایش دمای آن منطقه می شود. در مقابل کاربری های دیگری مانند مناطق آبی، جنگلی نیز می تواند به کاهش دمای منطقه کمک کنند. با ورود فناوری سنجش از دور حرارتی بررسی جزایر حرارتی شهری به صورت غیر مستقیم با استفاده از سکو های ماهواره ای و هواپیمایی در مقیاس هاس قاره ای و جهانی امکان پذیر شد و دروازه های جدیدی برای مشاهده جزایر حرارتی و تحلیل علل و عوامل آن فراهم شد(. (Voogt inf Oke 2003, Weng ,et al.,2004 تحقیقات در زمینه LST نشان می دهد که تقسیم بندی شار گرمایی محسوس و نهان و بنابراین واکنش دمای تابشی سطح تابعی از محتوی آب، خاک و پوشش گیاهی می باشد . تبادل گرمایی نهان بیشتر در پهنه های با پوشش گیاهی بیشتر وجود دارد، در حالی که تبادل گرمای محسوس در پهنه های با پوشش گیاهی کم و تنک- مانند پهنه های شهری- صورت می گیرد. این یافته ها تحقیقات بیشتری را با تأکید بر ارتباط بین دمای سطح زمین (LST) و فراوانی پوشش گیاهی و استفاده از این ارتباط برای استخراج پارامترهای بیوفیزیکی و کمک به نقشه سازی پوشش اراضی و تجزیه و تحلیل تغییرات را ترغیب می
نماید(.(Weng and others 2004
-2 منطقه مطالعاتی:
این منطقه از نظر سیستم طبقه بندی UTM در قاچ 39 شمالی واقع شده است. شهر تهران در 51 درجه و 6 دقیقه تا 51 درجه و 38 دقیقه طول شرقی و 35 درجه و 34 دقیقه تا 35 درجه و 51 دقیقه عرض شمالی قرار گرفتهاست و ارتفاع آن از سطح آبهای آزاد بین 1800 متر در شمال تا 1200 متر در مرکز و 1050 متر در جنوب متغیر است. تهران در بین دو وادی کوه و کویر و در دامنههای جنوبی رشته کوه البرز گسترده شدهاست. از جنوب به کوههای ری و بیبیشهربانو و دشتهای هموار شهریار و ورامین و از شمال توسط کوهستان محصور شدهاست که می توان آنرا در شکل((1 مشاهده کرد.
شکل((1منطقه مورد مطالعه
2
-3 روش تحقیق
روش تحقیق چهار چوب یا نظام فکری که تحقیق باید در حیطه آن انجام پذیرد را مشخص می کند که دراین تحقیق شامل مراحل زیر می باشد :
- ایجاد پایگاه داده اولیه
- گردآوری اطلاعات و آمار هواشناسی ایستگاه های سینوبتیک و کلیماتولوژی منطقه به صورت روزانه به منظور ارزیابی خصوصیات اقلیمی منطقه و نیز تحلیل روش های محاسباتی اندازه گیری دمای سطح زمین که در این تحقیق از اطلاعات 6 ایستگاه هواشناسی استفاده شده است که می توان آنها را در شکل((2 مشاهده کرد:
شکل((2 ایستگاه های هواشناسی موجود در منطقه
- تهیه تصاویر ماهواره ای از منطقه
- پیش پردازش اطلاعات و استخراج شاخص ها، در این مرحله آماری و داده های اولیه تصحیح در صورت نیاز بازسازی می شود همچنین تصحیحات رادیومتری ،هندسی و اتمسفری بر روی تصاویر ماهواره ای انجام می شود و در نهایت شاخص مورد نظر از تصاویر ماهواره ای با روش مناسب استخراج نمود.
- ترسیم نقشه توزیع حرارت منطقه با استفاده از روش های مذکور
- بررسی و تحلیل روش های محاسبه دمای سطح زمین (LST)
- تحلیل آماری دمای سطح آتشفشان دماوند در مدت 6 سال
-1-3 عملیات پیش پردازش
برای انجام تصحیح هندسی از روش نقشه به تصویر استفاده شد. بدین گونه که تصویر ماهواره ای OLI از طریق ارجاع و تطبیق با نقشه توپوگرافی 1:25000 سازمان نقشه برداری با استفاده از 16 نقطه کنترل زمینی (GCP) که اکثر آنها شامل تقاطع خیابان ها و جادهها با پراکنش مناسب در سطح تصویر، انجام شد.
3
-2-3 شاخص گیاهی تفاضلی نرمال شده
این شاخص را با نام NDVI می شناسیم که ای شاخص را می توان با استفاده از دو باند مادون قرمز و مادون قزمز نزدیک به دست آورد. دلیل استفاده از باندهای مذکور در محاسبه شاخص NDVI، کاهش میزان انرژی انعکاسی در طیف قرمز با رشد و توسعه گیاه به علت جذب انرژی طیف الکترومغناطیسی توسط کلروفیل برگ گیاه در طی عمل فتوسنتز و افزایش میزان انرژی انعکاسی در طیف مادون قرمز نزدیک به علت ساختار سلولی مزوفیل برگ است(علوی پناه، .(1385
که باند 3 بیانگر باند قرمز و باند 4 بیانگر مادون قرمز نزدیک می باشد. محدوده این شاخص بین1 و -1 است که مقادیر بالای این شاخص نشان دهنده ی افزایش پوشش گیاهی می باشد.. مقادیر مربوط به آب و ابر معمولاً کمتر از صفر
است(.(Allen et al.,2002
-3-3 مختصری درباره روش سبال
در این روش دمای سطح زمین با استفاده از رادیانس حرارتی تصحیح شده به دست می آید(.(Allen et al.,2002 برای محاسبه رادیانس حرارتی تصحیح شده نیاز به گسیلمندی در باند حرارتی میباشد. برای محاسبه گسیلمندی سطحی در باند حرارتی به ترتیب نیاز به محاسبه رادیانس طیفی( )بازتابندگی در هر باند( ) و آلبیدوی سطحی می باشد.
-1-3-3 رادیانس طیفی
رادیانس طیفی عبارت است از تابشی در بالای اتمسفر که توسط سنجنده مشاهده شده است. رادیانس طیفی برای هر باند با رابطه زیر بدست می آید(.(Allen et al.,2002
در صورت وجود مقادیر gain و offset در فیل مرجع(Header File )می توان رادیانس را از رابطه زیر محاسبه نمود.
-2-3-3 بازتابندگی
بازتابندگی سطح به صورت نسبت شار طیفی بازتاب شده به شار طیفی فرودی تعریف می شود. که با استفاده از رابطه ی زیر در هر باند تعریف می شود(.(Allen al.,2002
-3-3-3 آلبیدوی سطحی
آلبیدو به صورت نسبت تابش الکترومغناطیسی انعکاس یافته از سطح خاک و گیاه به تابش فرودی نور خورشید به آن سطح تعریف می شود.که می توان از رابطه زیر محاسبه نمود. میزان آلبیدوی سطحی را میتوان از رابطه زیر محاسبه نمود.
4
-4-3-3 رادیانس حرارتی تصحیح شده
رادیانس حرارتی تصحیح شده، رادیانس واقعی گسیل شده از سطح که برای اثرات اتمسفری تصحیح شده است. رابطه زیر جهت تصحیح رادیانس حرارتی گسیل شده از سطح ارایه شده است.
-5-3-3 دمای سطحی
با استفاده از رابطه زیر محاسبه می شود.
که در رابطه فوق و به صورت زیر می باشد. تمام مراحل محاسباتی دمای سطح زمین با استفاده از گزینه Band Math در نرم افزارEnvi5.1 انجام شد. که ضریب برای باند 10 برابر 774/89 و برای باند 11 برابر 480/89 و همچنین ضریب برای باند 10 برابر 1321/08 و برای باند 11 برابر 1201/14 می باشد.
-4-3 مختصری درباره روش رگرسیون
بسیاری از محققین با استفاده از دمای اندازه گیری شده زمینی همزمان با تصویر برداری در چند نقطه اقدام به واسنجی و تعیین دمای سطح می نمایند(دانش کار آراسته،2005 )در این روش معادله مطابق زیر ارائه می شود.
/67 . 1+
مقادیر LST دمای سطح، و ضرایب معادله در آن می باشند.DN مقادیر باند ده یا یازده ماهواره Landsat 8 به منظور بررسی دمای سطح با استفاده از روابط خطی و با دانش بر اینکه باند 10 یا 11 تصاویر ماهواره لندست دارای مقادیر دمایی است رابطه رگرسیونی بین مقادیر دمایی ثبت شده از طریق ماهواره و مقادیر مشاهداتی بر قرار گردید.
مراحل تهیه نقشه دمای سطح زمین
-1-4-3 تبدیل عدد رقومی 1(DN) به تابش طیفی2
تبدیل عدد رقومی (DN) به تابش طیفی براساس مقادیر مرجع تابش طیفی ارائه شده در کتابچه راهنمای سنجنده
(Landsat Project Science Office 2002) صورت گرفت:
L= (RLMAX- LMIN) (QCALAMAX-QCALMIN) *(QCAL-QCALMIN)+Lmin
که بدین ترتیب می توان با استفاده از رابطه زیر برای هر DN در وضعیت ثبت با گین بالا و پائین تانش طیفی را محاسبه کرد .
