بخشی از مقاله
برآورد دمای سطح زمین با استفاده از الگوریتم سبال و تصاویر ماهوارهای لندست 8 (مطالعه موردی: شهر ارومیه)
چکیده
دمای سطح زمین یکی از پارامترهای مهم در مطالعات مربوط به تغییر اقلیم و برآورد بیلان تابش در مطالعات توازن انرژی میباشد. آگاهی از درجه حرارت سطح زمین جهت انجام فعالیتها و مطالعات علوم زمین، از قبیل تغییرات محیط زیست جهانی و مخصوصأ آب و هوای شهری، ضروری است. در این تحقیق، سعی شده است درجه حرارت سطح زمین در شهر ارومیه با استفاده از تصاویر ماهوارهای لندست 8 تخمین زده شود. روش تحقیق جهت برآورد دمای سطح زمین، استفاده از الگوریتم سبال و تصاویر ماهواره ای لندست 8 سنجنده TIRS با قدرت تفکیک 100 متر از باند 11 در تاریخ 17 می سال 2014 بوده است. جهت انجام مراحل کار از نرمافزارهای Envi 5.1 و Arc GIS 10.3 استفاده شده است. نتایج در این پژوهش نشان داد که اراضی بایر و مراکز کارگاهی و صنعتی بیشترین میزان دما را دارند. در مقابل مناطقی که دارای پوشش گیاهی هستند به دلیل عمل تبخیر و تعرق، خنک ترین مناطق را شامل می شوند.
واژههای کلیدی: دمای سطح زمین، الگوریتم سبال، سنجش از دور، لندست 8 ، ارومیه
-1 مقدمه
درجه حرارت سطح زمین1، میتواند اطلاعات مفیدی را در رابطه با خصوصیات فیزیکی سطح زمین و اقلیم که نقش بسزایی را در فرآیندهای محیط زیستی بازی میکنند، فراهم نماید ( Dousset & Gourmelon, 2003; Weng, Lu & .(Schubring, 2004, 467 محاسبه دمای سطح زمین به عنوان یک متغیر اقلیمی برای انواع وسیعی از مطالعات علمی از اقلیمشناسی و هواشناسی تا هیدرولوژی مورد نیاز است. دمای سطح زمین یکی از پارامترهای کلیدی در مطالعه شهرها میباشد چرا که تقریبأ با دمای هوای لایههای پایینی اتمسفر شهری که مرکز موازنه انرژی سطح میباشد و تعین کننده اقلیم میان ساختمانها و مؤثر بر زندگی و آسایش ساکنین شهری است، برابری میکند.
در سالهای اخیر با توسعه تکنولوژی سنجش از دور حرارتی، LST برای یک منطقه وسیع، با دقت بالایی محاسبه شده است .(Running, 1994, 3) دانش کار آراسته و همکاران 1384)، (20، بهعنوان یکی از عوامل مؤثر در محاسبه تبخیر- تعرق، به محاسبه دمای سطح زمین به روش پنجره مجزا2 در محدوده دشت سیستان و هامون پرداختند. آنها از تصاویر AVHRR ماهواره NOAA در بازه زمانی 1992-2000 میلادی استفاده نمودند. نامبردگان همچنین به سطح معنیداری 95 درصد با اعتبار سنجی با 10 تصویر دیگر و دادههای زمینی دست یافتند. رحیمیخوب و همکاران 1384)، (86، با استفاده از تصاویر AVHRR ماهواره NOAA، در حوضه آبریز دریاچه ارومیه به برآورد دمای سطح زمین با استفاده از روش پنجره مجزا پرداختند. ملک پور و همکاران (1389)، به بررسی تغییرات درجه حرارت سطح زمین و ارتباط آن با کلاسهای پوشش کاربری زمین شهری با استفاده از دادههای سنجنده ETM+ در شهر تهران پرداختند. در این تحقیق مقادیر گسیلمندی و درجه حرارت سطح با بهکارگیری روش سبال بر رویدادههای ماهوارهای تخمین زده شد. نتایج نشان داد که وابستگی شدیدی بین درجه حرارت سطح و مقادیر NDVI برای انواع پوشش- کاربری زمین وجود دارد. پرویز و همکاران (1390)، در تحقیقی به تخمین دمای هوا با استفاده از روش شاخص پوشش گیاهی – دما (TVX3) در حوضه آبریز سفیدرود پرداختند. در این تحقیق بهمنظور بررسی عملکرد روش TVX در برآورد دمای هوا از تصاویر ماهوارهای سنجنده مودیس استفاده شد. نتایج نشان داد که این روش در مناطقی با پوششهای متراکم از نتایج قابل قبولی برخوردار است، بنابراین تراکم پوشش گیاهی میتواند تأثیر بسزایی در روش تعیین دمای هوا داشته باشد. احمدی و همکاران ( (1391، در پژوهشی تغییرات زمانی – مکانی الگوهای حرارتی و کاربری شهر شیراز را با استفاده از دادههای سنجنده TM و ETM+ مورد بررسی قرار دادند. نتایج این تحقیق نشان داد که سطوح بایرخاکی فاقد پوشش گیاهی حاشیه شهر بیشترین میزان دما را دارند و در کاربریهای شهری نیز دمای بافت-های فشرده و فرسوده شهری بیش از دیگر مناطق مسکونی است. هاشمی و همکاران (1392)، با استفاده از تصاویر ماهوارهای سنجنده ETM+ به بررسی توزیع مکانی دمای سطح زمین در محیط زیست شهری در شهر تهران پرداختند. نتایج نشاندهنده کاهش گرادیانت توزیع دمایی از شمال شرق به جنوبغرب تهران بود. علویپناه و همکاران ( (2009، در مقالهای تحت عنوان تهیه مدل دمای سطحی بیابان با استفاده از دادههای حرارتی ماهواره AVHRR-NOAA و دادههای زمینی، با استفاده از دوازده تصویر سنجنده AVHRR سال 2001 و دادههای هواشناسی 8 ایستگاه زمینی بهعنوان نقاط کنترلی، مدل دمای سطحی منطقهی حاشیهی یاردانگهای بیابان لوت را طراحی کردند.
شهر ارومیه با توجه به قدمت دهها سال شهرنشینی از تراکم جمعیتی بالا و وسعت زیاد برخوردار است و همچنین تمرکز کارگاهها و کارخانهها در محدوده شهر و حاشیه شهر شرایط را برای تولید گرما و آلوده سازی هوای شهر به وجود آورده است. در نتیجه با توجه به اهمیت مطالعه جزایر حرارتی در شهر ارومیه، در این تحقیق با هدف جمعآوری اطلاعات درباره مناطق گرم شهر ارومیه، وسعت آنها و عوامل مؤثر بر تشکیل جزایر حرارتی آن با استفاده از تصاویر ماهوارهای لندست 8 به مطالعه دمای شهر ارومیه پرداخته شد.
-2 مواد و روشها
-1-2 معرفی منطقه مورد مطالعه
ارومیه یکی از کلانشهرهای ایران، مرکز استان آذربایجان غربی است. این شهر در موقعیت 37 درجه و 28 دقیقه تا 37 درجه و 35 دقیقه عرض شمالی و 44 درجه و 58 دقیقه تا 45 درجه و 08 دقیقه طول شرقی واقعشده است. شهر ارومیه در جلگهای به طول 70 کیلومتر و به عرض 30 کیلومتر در کنار دریاچه ارومیه گسترده شده است. این جلگه از رسوبات غنی رودهای باراندوز چای ، شهرچای ، روضه چای و نازلو چای که همه ساله بهطور منظم آن را سیراب میسازند پوشیده شده است. مساحت این شهر بالغ بر 84 کیلومترمربع میباشد. ارتفاع شهر ارومیه از سطح دریا 1332 متر است. این شهر طبق سرشماری سال 1390 با 499٬667 نفر جمعیت، دهمین شهر پرجمعیت ایران و دومین شهر پرجمعیت منطقهی شمال غرب ایران به شمار میآید. شکل (1)، موقعیت جغرافیایی منطقه مورد مطالعه را در ایران و استان آذربایجان غربی به تصویر کشیده است.
شکل -1 موقعیت مکانی منطقه مورد مطالعه در آذربایجان غربی و ایران
-2-2 روش تحقیق
در این پژوهش به منظور برآورد دمای سطح زمین در شهر ارومیه از الگوریتم سبال استفاده شده است. برای محاسبه دمای سطح زمین از تصویر لندست 8، مورخ 17 می سال 2014 و از دادههای هواشناسی ایستگاه ارومیه اخذ شده از اداره کل و مرکز تحقیقات هواشناسی استان آذربایجان غربی استفاده شده است. جهت انجام مراحل پیشپردازش و اجرای الگوریتم سبال از نرمافزارهای Envi 5.1 و Arc GIS 10.3 به تناسب نیاز استفاده شده است. مراحل اجرای کار به ترتیب در شکل (2) به صورت فلوچارت آورده شده است.
شکل -2 مراحل اجرای مدل
پیشپردازش شامل تصحیح رادیومتریک و اتمسفری و هندسی میباشد. تصحیح رادیومتریک محاسبه مقدار رادیانس طیفی است. تصحیح اتمسفری برای حذف اثرات اتمسفری بر روی تصاویر ماهوارهای اعمال میشود، که در این پژوهش برای باندهای انعکاسی از تصحیح اتمسفری به روش منهای تیرگی1 استفاده شده است. در این روش فرض بر این است که بدون اثر اتمسفر میزان انعکاس در باند مادون قرمز نزدیک یا به عبارتی طول موج های بلند در مناطق آبی، صفر یا بسیار پایین می باشد. تصحیح در این روش با تعیین مقدار شیفت هیستوگرام و کم کردن آن از مقدار پیکسل ها در هر باند انجام می پذیرد .(Richards, 1995) برای تصحیح اتمسفری باند حرارتی از گزینه Thermal Atm Correction در محیط نرمافزار Envi 5.1 استفادهشده است. با توجه به زمین مرجع بودن تصاویر ماهواره ای لندست 8 نیازی به انجام تصحیح هندسی نبود.
در این تحقیق جهت تخمین میزان گسیلمندی و درجه حرارت سطح زمین از روش سبال استفاده شده است. در این روش دمای سطح با استفاده از رادیانس حرارتی تصحیح شده به دست میآید .(Allen et al , 2002) برای محاسبه رادیانس حرارتی تصحیح شده، نیاز به تعیین گسیلمندی در باند حرارتی میباشد. برای محاسبه گسیلمندی در باند حرارتی به ترتیب نیاز به محاسبه رادیانس طیفی (Lλ)، بازتابندگی در هر باند (ρλ) و آلبیدوی سطحی (α) می باشد.
