بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
برآورد تبخیر و تعرق شهری از طریق شاخصهای پوشش گیاهی با استفاده از تصاویر سنجش از راه دور ماهواره WorldView2
چکیده
مدیریت آبیاری مستلزم درک بهتری از نیاز آبی گیاهان مختلف به منظور کاهش مخاطرات زیست محیطی و افزایش بهرهوری مصرف آب میباشد. دشواری اندازهگیری تبخیر و تعرق گیاهان مناظر شهری مانع از توسعه تدابیر مدیریت آبیاری پایدار شهری است. در اقالیم گرم، تبخیر و تعرق به عنوان جزء اصلی آبیاری، بایستی به دقت اندازهگیری شود و این در حالی است که روشهای سنتی برآورد تبخیر و تعرق عمدتا وقتگیر، پر هزینه و فاقد اعتبار لازم در مناطق بزرگ بوده است. به تازگی، برآورد تبخیر و تعرق از پیشرفتهایی در تکنیکهای سنجش از دور و سامانه اطلاعات جغرافیایی بهرهمند شده است. الگوریتم ها و مدلهای ریاضی مختلفی با به کارگیری برنامههای RS/GIS به منظور مطالعه پارامترهای بیوفیزیکی پوشش گیاهی معرفی شده است. به عنوان مثال، شاخص تفاوت پوشش گیاهی نرمال (NDVI) که اغلب به عنوان شاخصی مفید در مطالعه نرخ تبخیر و تعرق توصیه شده و پاسخ فتوسنتز پوشش گیاهی را به جذب نور قرمز و مادون قرمز نزدیک تعیین مینماید.
این پژوهش به بررسی رابطه بالقوه میان تبخیر و تعرق پوشش گیاهی شهری و شاخصهای پوشش گیاهی با استفاده از تکنیک سنجش از دور در پارک شهری ویل گاردن واقع در مجموعه پارکهای آدلاید استرالیا میپردازد. مجموعه تصاویر ماهواره ای WorldView2 در فصول متوالی سال 2012 جهت تعیین مقادیر NDVI و NDRE مورد استفاده قرار گرفت. به منظور پردازش تصاویر، ارجاع جغرافیایی، اصلاحات جوی و تهیه نقشههای NDVI و NDRE، نرمافزار ERDAS IMAGING به کار گرفته شد . نقشههای NDVI و NDRE به مرزهای ویل گاردن محدود شده و پس از آن برای تجزیه و تحلیل آمار ناحیهای به نرمافزار ArcGIS وارد شده است. نرخ تبخیر و تعرق برای پارک ویل گاردن به منظور طبقه بندی مصرف آب گونههای شهری، با استفاده از رویکرد مبتنی بر مشاهده (1WUCOLS) برآورد گردید. اطلاعات آب و هوایی و پوشش گیاهی پارک جمع آوری شده و دادههای مربوط به آبیاری از بخش مدیریت آب پارکها در شهرداری آدلاید دریافت گردید. هیاتی از کارشناسان باغبانی، رایجترین گونههای گیاهی موجود در پارک را از نظر مقاومت در برابر تنش خشکی ارزیابی و رتبهبندی نمودند.
در نهایت، رابطه میان NDVI برگرفته از تصاویر ماهوارهای و میزان تبخیر و تعرق تخمین زده شده به روش ووکلز مورد بررسی قرار گرفت. نتایج، حاکی از همبستگی قوی مثبت (R2= 0.095 , P < 0.01) میان تبخیر و تعرق پوشش گیاهی شهری و NDVI بوده است. علاوه بر این مشخص گردید که NDVI برگرفته از سنجش از دور میتواند شاخص کارآمدی برای تخمین نیاز آبی پوشش گیاهی مناظر شهری باشد. در مقابل نتایج بررسی آماری، NDRE را شاخص مناسبی برای تعیین نیاز آبی پوششهای شهری نیافته است.
واژههای کلیدی: تبخیر و تعرق، سنجش از دور، NDRE، NDVI، WUCOLS
-1 مقدمه
سنجش از دور (1RS) و سامانه اطلاعات جغرافیایی (2GIS) ابزار مفیدی جهت مکانیابی، پایش و ارزیابی ویژگی های گیاهی میباشند. اخیرا، میزان وضوح مکانی تصاویر سنجش از دور به طرز چشمگیری از صدها متر به سطح زیر متر بهبود یافته و همچنین دقت زمانی نیز تا حد زیادی پیشرفت کرده است .[1]
الگوریتمها و مدلهای مختلفی معرفی شده است که قادرند با استفاده از برنامههای کاربردی RS/GIS به مطالعه بسیاری از پارامترهای بیوفیزیکی گیاهان کمک نمایند. ترکیب های متفاوت ریاضی میان باندهای مختلف ماهوارهای با ویژگی های متفاوت طیف نوری به معرفی شاخصهای جدیدی از پوشش گیاهی منجر شده است. بسیاری از این شاخصها بر اساس تفکیک پوشش گیاهی از سایر پدیده های زیست محیطی مانند آب و خاک میباشند. به عبارت دیگر شاخصهای پوشش گیاهی برگرفته از اطلاعات ماهوارهای مبتنی بر اندازهگیری سبزینگی پوشش گیاهی از طریق سطح پوشش گیاهی، محتوای کلروفیل برگ، سطح برگ و غیره میباشند.
کاربرد شاخصهای پوشش گیاهی از سطح برگ تا مقیاس جهانی متفاوت بوده [2] و برگرفته از انواع ماهوارههای
MODIS، LANDSAT، ASTER، SPOT5، QuickBird، IKONOS، GeoEye، WorldView1، WorldView2 و غیره با وضوحات مکانی، زمانی و رادیومتری متفاوت میباشند. به عنوان مثال، عمومیترین شاخص پوشش گیاهی (3NDVI) متکی بر مفهوم اصل رابطه میان جذب نور مرئی و بازتاب ارتجاعی مادون قرمز نزدیک در پاسخ به کلروفیل قسمتهای سبز گیاهی می باشد 4NDRE .[3] نیز از دیگر شاخصهای پوشش گیاهی بوده که با اندازه گیری تراکم کلروفیل برگ، توانایی ارزیابی سلامت پوشش گیاهی را دارا می باشد. NDVI حساسیت بیشتری نسبت به تاج پوشش گیاهی داشته در حالی که NDRE بیشتر به طول موج قرمز روشن در کلروفیل حساسیت نشان میدهد 3] و .[4
نوری و همکاران (2012) به بررسی رابطه میان شاخصهای پوشش گیاهی کشاورزی و غیر کشاورزی و تبخیر و تعرق پرداختهاند. این محققان شاخص های پوشش گیاهی به ویژه NDVI را به عنوان شاخصی مفید در مطالعه ویژگیهای پوشش گیاهی و در نتیجه برآورد نرخ تبخیر و تعرق معرفی می نمایند .[5] همچنین گلن و همکاران (2008) با انجام تجزیه و تحلیلهای آماری و اندازهگیریهای میدانی تایید کردهاند که میتوان رابطه خطی نزدیکی میان شاخصهای پوشش گیاهی و فتوسنتز تاج پوشش گیاهی پیدا کرد .[6] مطالعات بلند مدت مربوط به تجزیه و تحلیل دادههای سنجش از دور توسط روساتو و همکاران (2005) نشان داد که تبخیر و تعرق و NDVI دارای رابطه خطی نزدیکی می باشند .[7] دوچمین و همکاران (2006) رابطهای خطی میان NDVI و ضریب گیاهی (5Kc) برای زمینهای کشاورزی آبیاری شده گزارش کردهاند .[8]
در این تحقیق، ما به بررسی روند تغییرات زمانی NDVI و NDRE حاصل از تصاویر ماهوارهای و تبخیر و تعرق مناظر سبز شهری و ارتباط تبخیر و تعرق-NDVI و تبخیر و تعرق NDRE- میپردازیم. در روش ووکلز ضریب گیاهی از طریق جمعآوری دادههای میدانی و استفاده از آمار آب و هوای محلی برآورد میشود.
کاستلو و جونز (1994) به منظور تعیین رشد بهینه گیاهان، یک رویکرد عملی با عنوان ووکلز را معرفی نمودند .[9] روش ووکلز بر پایه روش های FAO-56 و FAO-24 بوده که به عنوان اصول بنیادی در زمینه تخمین میزان تبخیر و تعرق گیاهان کشاورزی شناخته میشوند. در روش ووکلز ضریب گیاهی تعریف شده در فائو با ضریب فضای سبز شهری جایگزین شده و سه عامل مهم نوع گونه گیاهی، تراکم پوشش گیاهی و خرد اقلیم را در بر می گیرد. این عوامل به صورت تجربی و بر اساس ارزیابی زمین تخمین زده میشوند 9] و .[10 یک کمیسیون متخصص، گونههای مختلف گیاهی منطقه مورد مطالعه را از نظر نیاز آبی طبقهبندی نموده و پارامترهای تراکم و خرد اقلیم نیز از طریق مشاهدات میدانی مشخص شدند.
-2 مواد و روشها
-2-1 منطقه مورد مطالعه
این پژوهش در پارک شهری ویل گاردن (1VG) واقع در مجموعه پارکهای آدلاید صورت گرفت. ویل گاردن با مساحت 9/6 هکتار بین عرضهای جغرافیایی 34/9357 و 34/9376 شرقی و طول 138/5945و 138/6002 جنوبی (شکل (1 واقع شده است. این منطقه با اقلیم نیمه خشک، متوسط بارندگی سالانه 549 میلیمتر و 1600 میلیمتر تبخیر و تعرق بر اساس تشت تبخیر در سال 2010 دارد .[11]
این پارک شامل بیش از 60 گونه درخت، درختچه و بوته با اندازههای مختلف و پوشش گسترده ای از چمن کیکویو2 بوده که به وسیله سیستم آبیاری بارانی تحت آبیاری قرار دارند. این تحقیق در بازه زمانی ماه مارس تا اوت 2012 انجام شده است.
شکل :1 پارک ویل گاردن در مجموعه پارکهای آدلاید
-2-2 پردازش تصویر
تصاویر WorldView2 در برگیرنده پارک ویل گاردن در سه تاریخ 18 مارس، 29 ژوئن و 17 آگوست سال 2012 از Digital Globe Worldview2 دریافت شده و بر روی آنها تصحیح هندسی صورت گرفته است. این ماهواره با قدرت تفکیک مکانی و طیفی بالا، 8 سنسور طیفی در محدوده مرئی و نزدیک به مادون قرمز فراهم می نماید. داشتن مرزهای دقیق در تعیین صحت هر پیکسل از پوشش زمین بسیار حائز اهمیت می باشد .[12]
دلایل اصلی انتخاب WorldView2 دارا بودن ویژگیهایی همچون ظرفیت بالا در مقیاس وسیع 975000) کیلومترمربع در هر روز)، متوسط تکرار زمانی 1/1 روز، دقت 46 سانتی متری در تصاویر دو باندی سیاه و سفید و دقت 184 سانتیمتری در تصاویر چند طیفی هشت باندی با عرض نوار 164 کیلومتر است .
طیف وسیع هشت باندی این ماهواره شامل طول موجهای 400-450 نانومتر (باند -1 آبی دریایی)، 450-510 نانومتر (باند -2 آبی)، 510-580 نانومتر (باند -3 سبز)، 585-625 نانومتر (باند -4 زرد)، 630-690 نانومتر (باند -5 قرمز)، -745
705 نانومتر (باند -6 قرمز روشن)، 770-895 نانومتر (باند -7 مادون قرمز نزدیک (1 و 860-1040 نانومتر (باند -8 مادون قرمز نزدیک (2 میباشد.
برای بسیاری از ماهوارهها، ضریب NDVI با استفاده از داده های بازتاب باندهای قرمز و مادون قرمز نزدیک تصاویر ماهوارهای محاسبه میشود:
که در آن ρNIR بیانگر بازتاب طول موج مادون قرمز نزدیک و ρRed بازتاب طول موج قرمز است.
دامنه NDVI از -1 تا +1 متغیر بوده به طوری که عدد صفر و مقادیر منفی برای مناطق فاقد پوشش گیاهی و آب و مقادیر بزرگتر از 0/5 برای مناطقی با پوشش گیاهی متراکم و سالم میباشد .[12]
دسترسی مکرر و تفکیکپذیری بالای باند قرمز روشن در تصاویر WorldView2 به افزایش دقت و صحت مطالعات پوشش گیاهی کمک بسزایی کرده است 13] و .[14
در ابتدا این تصاویر جهت تصحیحات هندسی مورد بررسی قرار گرفتند؛ ولیکن نتایج این فرایند، تغییرات قابل ملاحظهای به وجود نیاورده که به احتمال زیاد دلیل آن صافی زمین در منطقه مورد مطالعه بوده است. پس از آن منطقه مورد نظر از کل تصویر ماهوارهای استخراج شد. با توجه به خاصیت درخشندگی سطحی، ویژگی های اتمسفری نیز مورد اصلاح قرار گرفتند. جهت انجام تصحیح اتمسفری، برنامه ACTOR که از زیر مجموعههای نرمافزار MODTRAN است، به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت 15]، 16 و .[17
به منظور محاسبه شاخص NDRE برگرفته از ماهواره WorldView2، دادههای باندهای قرمز روشن و نزدیک به مادون قرمز تصاویر ماهوارهای به کار گرفته شد:
که در آن ρNIR بیانگر بازتاب طول موج مادون قرمز نزدیک و ρRed-edge بازتاب طول موج قرمز روشن است.
-2-3 دادههای میدانی
ضریب گیاهی فضای سبز شهری به عنوان عامل تصحیح تبخیر و تعرق مرجع (1ET0) در نظر گرفته شده است. رویکردی مبتنی بر مشاهده که با عنوان ووکلز شناخته میشود، به منظور مّکی کردن مشخصات پوشش گیاهی شهری به کار گرفته شده است 5]، 9، 10 و .[18
فهرستی از رایجترین گونههای گیاهی موجود در پارک گردآوری شده و اطلاعات مربوط به انتقال آب آبیاری از بخش مدیریت آب در شهرداری آدلاید دریافت گردید. اطلاعات مربوط به تبخیر و تعرق مرجع از داده های کنترل کیفیت ایستگاههای هواشناسی (2BOM) تعیین گردید. نزدیکترین ایستگاه هواشناسی موجود در فضاهای سبز شهری آدلاید، کنت تاون (3KT) بوده که در قسمت شرقی شهر و درفاصله 2/92 کیلومتری ویل گاردن واقع شده است. داده های کنت تاون (ایستگاه (023090 از وب سایت (http://www.bom.gov.au/climate/data/) BOM دریافت شد.
بر اساس اصول روش ووکلز دادههای مربوط به آب، گیاه و اقلیم پارک ویل گاردن مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته و میزان تبخیر و تعرق ویل گاردن تخمین زده شد.
