بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی قابلیت مدل توازن انرژی سطح (سبال) و متغیرهای بیوفیزیک حاصل از داده های ماهواره ای در تخمین رطوبت خاک در مناطق خشک
چکیده
یکی از مولفه های کلیدی در مطالعه انرژی و فرآیندهای هیدرولوژیکی رطوبت خاک است که به دلیل سختی اندازه گیری مستقیم آن، به روش غیر مستقیم اندازه گیری می شود. بسیاری از روش های موجود مانند اینرسی حرارتی، شاخص های پوشش گیاهی، دما و شاخص طیفی ترمال شده آب (ND WI) دارای محدودیتهای ویژه ای از قبیل عدم تصویربرداری در شب و روز و تفاوت در روش محاسبه برای ساعات مختلف شبانه روزی هستند. بنابراین، پیدا کردن روشی جدید برای محاسبه رطوبت خاک که مبتنی بر حمای خاک یا تغییرات طیفی آب و خاک باشد، بسیار ضروری است. اگرچه رطوبت خاک به طور مستقیم در خوارزمیک (الگوریتم توازن انرژی محاسبه نمی شود، ولی به دلیل این که از تمامی متغیرهای اثر گذار بر تغییرات رطوبت خاک برای محاسبه تبخیر تعرق در مدل توازن انرژی استفاده می شود، می توان از این مدل برای محاسبه رطوبت خاک استفاده کرده منطقه خشک جرقویه سفلی به عنوان منطقه مورد مطالعه در مجاورت بلایای گاوخونی در استان اصفهان قرار دارد. این منطقه با نوسانات اقلیمی و همچنین خشک شدن تالاب در سال های اخیر با کاهش رطوبت خاک روبرو بوده است. هدف از این پژوهش بررسی قابلیت مدل های توازن انرژی مبتنی بر تصاویر ماهواره ای و ارزیابی متغیرهای بیوفیزیک حاصل از تصاویر ماهواره ای در تخمین رطوبت خاک است. دادههای مورد استفاده در این پژوهش شامل تصاویر سنجنده مودیس در روزهای تقویم میلادی ۳۲۰ و ۳۲۱ سال ۲۰۱۴ و نتایج اندازه گیری زمینی ۳۳ نمونه خاک برداشت شده از عمق ۳۰-۰ سانتیمتر است. با اندازه گیری رطوبت خاک به صورت نقطه ای و محاسبه آن به روش رطوبت حجمی، تبخیر و تعرق با استفاده از خوارزمیک توازن انرژی (سبال برآورد شده بر اساس نتایج این پژوهش، همبستگی بین متغیرهای بهره گیری شده در خوارزمیک سبال و اندازه گیری زمینی رطوبت خاک بالا است. از میان متغیرهای سبال بیشترین همبستگی بین رطوبت خاک و تبخیر تعرق روازنه خوارزمیک سبال به مقدار 0.51 و 0.68 برای روزهای ۱۶ و 2014/11/17 مشاهده شد . با وجود همبستگی معنی دار به دست آمده بین متغیرهای مختلف الگوریتم سبال شامل البيدوی سطح، شار گرمایی خاک، شار گرمایی محسوس تابش خالص و دمای سطحی با رطوبت خاک، تبخیر و تعرق حاصل از خوارزمیک سیال متغير مناسب تری در برآورد رطوبت سطح خاک تشخیص داده شد.
مقدمه
رطوبت خاک یک متغیر ضروری حاکم بر ارتباط متقابل سطح زمین و جو است (2015 ,.Dong et al). این متغیر نسبت رواناب به نفوذ را کنترل نمود و بر توسعه پوشش گیاهی، چرخه کربن و بارش تاثیر زیادی دارد (1996 ,.Noku et al). اطلاعات مربوط به رطوبت خاک را می توان با برداشت زمینی به دست آورد، ولی این اطلاعات به چند علت برای یک پژوهش کافی نیست. نخست این که برداشت زمینی در مقیاس نقطه ای و برای مناطق کوچک صورت می گیرد و این اطلاعات جوابگوی مناطق وسیع نیست، همچنین برداشت زمینی در مناطق وسیع و ناهموار، نیازمند صرف هزینه و وقت بسیار است. در مقابل، فن آوری سنجش از راه دور فرصتی را برای اندازه گیری رطوبت خاک در مقیاس بزرگ فراهم می کند. در سالهای اخیر فنون مختلف سنجش از راه دور برای برآورد رطوبت خاک در مقیاس های فرانقطهای توسعه یافته است ( Van 2012 ,.et al. این فن آوریها، به طور عمده بر امواج مایکروویو و سنجش از راه دور نوری تمرکز داشته است احمد و همکاران، ۲۰۱۰: 2011 ,.et al & Wegehenkel. 2006). سنجنده های مبتنی بر امواج مایکروویو قابلیت گسترده ای در سنجش آب وهوا در تمامی ساعات شبانه روز را داشته و در نتیجه در مطالعه رطوبت خاک نقش به سزایی دارد. با این وجود، سنجنده مایکروویو محدودیت هایی را نسبت به سنجنده نوری اسپکترورادیومتر) دارد (2012 ,.Li et al). مایکروویو فعال درادار)، دارای قدرت تفکیک مکانی بالا، قدرت تفکیک زمانی پایین و جمع آوری داده با صرف هزینه زیاد همراه است. در مقابل سنجنده های سنجش از راه دور غیر فعال با قدرت تفکیک زمانی بالا، قدرت تفکیک مکانی پایین در دسترس هستند. استفاده از محدوده پهنای باند باریکتره محدوده اسکن گسترده تر، داده های رایگان و در دسترس روزانه از قابلیتهای سنجنده های غیر فعال موديس است.
بسیاری از روش های موجود مانند اینرسی حرارتی شاخص های پوشش گیاهی، شاخصهای دمایی دارای محدودیت های ویژه ای از قبیل مشکل در دریافت تصاویر در شب و روز و تفاوت در روش محاسبه اینرسی حرارتی برای ساعات مختلف شبانه روز هستند. همچنین شاخص های دما و پوشش گیاهی نیازمند وجود مناطق وسیع هستند. به همین دلیل نیاز به کشف روشی جدید برای محاسبه رطوبت خاک که مبتنی بر دمای خاک یا تغییرات طیفی آب و خاک باشد را بیش از پیش نمایان کرد. نتایج پژوهشی که برای بررسی روند تغییرات جهانی تبخیر و تعرق با استفاده از امواج موج کوتاه بر روی رطوبت خاک انجام گرفت، نشان دهنده روند کاهشی تبخیر - تعرق جهانی و تاثیر مثبت رطوبت خاک بر تغییرات تبخير - تعرق است (2012 ,.Goknau et al).
هرچند رطوبت خاک به طور مستقیم در الگوریتم توازن انرژی محاسبه نمی ش ود، ولی به دلیل اینکه از تمامی مولفههای اثر گذار بر تغییرات رطوبت خاک برای محاسبه تبخير - تعرق در این خوارزمیک استفاده میشود، می توان از این مدل برای محاسبه رطوبت خاک استفاده کرد (1998 ,.Bastiaanussen et al). خوارزمیک س بال مدل پردازشی تصویر است که تبخیر و تعرق و دیگر تبدیل های انرژی در سطح زمین را با بهره گیری از تصاویر ماهواره های سنجش از دور که تشعشعات مرئی، مادون قرمز نزدیک و مادون قرمز حرارتی را اندازه می گیرند محاسبه می کند. خوارزمیک سبال بیلان کاملی از تشعشع و انرژی سطوح، به همراه جریان گرمای محسوس و زبری آئرودینامیک س طوح تهیه می کند. تبخیر و تعرق به عنوان جزئی از انرژی در هر پیکسل محاسبه می شود. این روش نخستین بار به منظور برآورد تبخير - تعرق در مناطق هموار و نواحی کشاورزی ارائه شد. اما در نسخه ارائه شده در سال ۲۰۰۲، تصحيحهای لازم برای کاربرد سبال در مناطق ناهموار و کوهستانی نیز به روش اضافه شد تاکنون پژوهش های زیادی برای برآورد رطوبت خاک با استفاده از روشهای مبتنی بر توازن انرژی انجام شده و تمامی آنها نتایج قابل قبولی ارائه داده اند.
در پژوهشی با استفاده از مدل توازن انرژی مبتنی بر س نجش از دور (SE BS)، رطوبت خاک در منطقه قونیه ترکیه برآورد شد (2012 ,.Gokutant et al). مقایسه شارمحسوس محاسبه شده از مدل با داده های زمینی و داده های هواشناسی با استفاده از روش نسبت باوون انجام شد. نتایج نشان دهنده همبستگی بالا بین شارگرمایی محاسبه شده و مقادیر رطوبت خاک و قابلیت روش توازن انرژی در برآورد رطوبت خاک در مقیاس بزرگ است
در پژوهشی با استفاده از یک روش ترکیبی تبخیرتعرق و با بهره گیری از داده های آBEAREXos ، رطوبت خاک در غرب ایالات متحده محاسبه شد( Neale et 2012 ,.al). در این روش، ابتدا اندازه گیری رطوبت خاک در منطقه ریشه در اعماق مختلف انجام گرفت. سپس از مدل تعادل انرژی TSEB و مدل ضریب گیاهی مبتنی بر بازتاب استفاده شد. مدل TSEB تبخیر-تعرق واقعی را نشان می دهد، در حالی که مدل ض ریب گیاهی برای محاسبه تبخیر-تعرق نیاز به داده زمینی دارد. محاسبه تبخیر-تعرق واقعی با استفاده از مدل TSE B در مزرعه پنبه انجام شد. اندازه گیری رطوبت خاک در اعماق مختلف انجام و برای تخمین مقدار رطوبت خاک از مدل TSEB کمک گرفته شد. نتایج نشان داد که مدل ترکیبی تبخیرتعرق مبتنی بر سنجش از دور از دقت قابل قبولی برخوردار بوده و همچنین مدل TSEB از دقت بالایی برای تخمین رطوبت خاک برخوردار است.
در پژوهش دیگری، برای برآورد رطوبت خاک از سطح دما پایه و ضریب انتقال تبخیر و تعرق استفاده کردند. آزمایش های میدانی برای بررسی ارتباط بین این دو روش با استفاده از تصاویر ماهواره مردیس در سالهای ۲۰۰۶۲۰۰۵ انجام شد (2010 ,.Ju et al). نتایج نشان دهنده وجود رابطه لگاریتمی بین رطوبت خاک و ضریب تبخیر است. بررسی زمینی و تحلیل داده های ایستگاه هواشناسی نشان می دهد که روش فوق از ۴۶ درصد اعتبار برخوردار است که یک برآورد خوب بین اندازگیری های زمینی و مدل توازن انرژی وجود دارد.
با استفاده از سنجنده ASCAT ماهواره MetOP و سنجنده AMSR - E ماهواره Aqua مقدار رطوبت سطحی خاک را برآورد شد (2011 ,.Brocca et al). نتایج حاصل با نتایج به دست آمده از برداشت زمینی در ۱۷ منطقه از چهار کشور اروپایی مقایسه شد. نتایج نشان دهنده دقت بیشتر سنجنده AMSR در برآورد رطوبت خاک بود.
هدف از این پژوهش بررسی امکان برآورد رطوبت لایه س طحی خاک با استفاده از پارامترهای خوارزمیک توازن انرژی (SEBAL) در مناطق خشک و ایجاد رابطه بین رطوبت خاک به دست آمده از اندازه گیری زمینی با شیب تبخير - تعرق به دست آمده از خوارزمیک سبال با استفاده از تصاویر سنجنده مودیس است . نتایج این پژوهش می تواند به عنوان روشی کاربردی در مطالعات برآورد رطوبت خاک توسط محققان مختلف استفاده شود.
مواد و روشها
معرفی منطقه مورد مطالعه
منطقه مورد مطالعه (جرقویه سفلی) در نزدیکی شهر ورزنه و در مجاورت تالاب گاو خونی واقع در استان اصفهان در طول ۵۲ درجه و ۴۶دقیقه تا ۵۲ درجه و ۲۸ دقیقه شرقی و عرض ۳۲ درجه و ۳ دقیقه تا ۳۲ درجه و ۴ دقیقه شمالی واقع شده است. (شکل ۱). شهر ورزنه به علت نزدیکی به پلایا دارای آب و هوای گرم و خشک است. میانگین بارندگی سالانه این منطقه حدود ۸۰ میلیمتر است. حداکثر سرعت باد در این منطقه، ۳۵ متر در ثانیه و جهت وزش باد از شمال غرب به جنوب شرق است. بیشینه درجه حرارت در تیرماه C° ۴۲ و کمینه آن در دی ماه C° 5.6 و میانگین درجه حرارت سالانه C° 24.2 اندازه گیری شده است.
داده های مورد استفاده تصاویر ماهواره ای
در این پژوهش برای برآورد رطوبت خاک از تصاویر سنجنده MODIS ماهواره ترا استفاده شد. این تصاویر دارای قدرت تفکیک مکانی متوسط و قدرت تفکیک زمانی بالایی هستند. در نخستین گام برای آماده سازی تصاویر عملیات تبدیل باندهای ۱ تا ۷ س نجنده به بازتابندگی و تبدیل به تابندگی باندهای حرارتی انجام شد. سپس باندهای موردنیاز از تصاویر با یکدیگر ادغام و محدوده مورد مطالعه برش و برای استفاده در محیط نرم افزار ILWISآماده گردید.
تصاویر ذکر شده از مجموعه محصولات Level IB مودیس بوده که دادههای آن واسنجی شده و مشخصات جغرافیایی و زمین مرجع شدن به آنها ضمیمه شده است. پس از آنکه تصاویر در قالب HDF از سایت مودیس دانلود شده با استفاده از نرم افزار 5
ENVI به فرمت Image و سیستم تصویر UTM تبدیل شد. با این روش مختصات تصاویر ماهوارهای حفظ شده و نیاز به تصحیح هندسی مجدد نیست. با این وجود برای بررسی صحت مختصات تصاویر از نقشه های محدوده اراضی و قطعات زراعی منطقه مورد مطالعه، استفاده شد.
داده های زمینی
داده های مربوط به اندازه گیری رطوبت خاک:
برای ارزیابی دقت و کارایی مدل سبال برای برآورد رطوبت خاک نیاز به برداشت زمینی رطوبت خاک است. به همین دلیل تعداد ۳۳ نمونه به صورت تصادفی در عمق ۰ - ۳۰ سانتیمتر خاک برداشت شد. پس از انتقال نمونه ها به آزمایشگاه، رطوبت خاک به روش مستقیم (درصد رطوبت وزنی) اندازه گیری شد. (شکل 1).
داده های ایستگاه هواشناسی:
برای اجرای کامل مدل سبال به داده های هواشناسی شامل ساعت آفتابی، سرعت باد، دمای نقطه شبنم، رطوبت نسبی و دمای هوا نیاز است که از طریق سازمان هواشناسی کشور تهیه شد .
خوارزمیک سبال
روش های مبتنی بر توازن انرژی س طح (SEB) بر ترکیب مدل های تجربی و فیزیکی با در نظر گرفتن فرضیه های ساده کننده، استوار است. بنابراین، بیشتر مدل های کاربردی از قبیل SEBAL3S - SEBI SEBS METRIC۴) با استفاده مستقیم از تصاویر ماهواره ای، میزان اختلاف دمای هوا و زمین را محاسبه و به طور غیر مستقیم تبخير - تعرق گیاه را برآورد می نمایند. تخمین مقدار تبخير - تعرق مرجع (متناظر با گرمای نهان تبخیر یا LE) از طریق س نجش از دور، بر ارزیابی توازن انرژی خصوصیات سطوح مختلف شامل ضريب آلبيدو، شاخص سطح برگ، پوشش گیاهی و دمای سطح (Ts) استوار است. در واقع، در این روشها شار گرمای نهان که به مصرف تبخير - تعرق می رسد. بر اساس مقدار باقیمانده انرژی از رابطه زیر به دست می آید
در معادله فوق، شار گرمای نهان شار تابش خالص در سطح زمین شار گرمای خاک شار گرمای محسوس است. خوارزمیک سبال یکی از خوارزمیک های سنجش از دور است که تبخیر و تعرق گیاه را بر اساس تعادل لحظه ای انرژی در سطح هر پیکسل از یک تصویر ماهواره ای محاسبه می نماید کریمی و همکاران، ۱۳۸۹).
شکل ۲ نمودار جریانی محاسبه مدل سبال را نشان میدهد.
نخستین گام به منظور حل معادله توازن انرژی سطحی در خوارزمیک سبال، محاسبه شار تابش خالص سطحی (Rn) با استفاده از شارهای تابش ورودی و خروجی است (2002 ,.Allen et al).
که در آن تابش موج کوتاه ورودی تابش موج بلند ورودی تابش موج بلند خروجی و نسبت بازتابش (البيدری) سطحی گسیل مندی (توان تشعشعی سطحی) باندهای حرارتی است.
در این مطالعه آلبيدروی سطحی به صورت نسبت تابش الکترومغناطیسی منعکس شده از سطح، به تابش موج کوتاه رسیده از خورشید تعریف می شود. آلن و همکاران روابط زیر را برای برآورد مقدار نسبت بازتابش (آلبيدو) در خوارزمیک سال پیشنهاد دادند (2002 ,.Allen et al).
که در آن آلبیدوی بالای جو، آلبیدوی ناشی از رادیانس مسیر، مقدار آن بین 0.04 تا 0.25 که در سال ۲۰۰۰ مقدار آن را به صورت کلی ۰۰۳ بیان شد (2000 ,Tsw ، ( Bastiaanussell شفافیت جوی است. مولفه ضریب شفافیت اتمسفری (ESw) نیز با فرض وجود آسمان صاف و بدون ابر با استفاده از رابطه مبتنی بر ارتفاع که در نشریه فائو- ۵۶ آمده است محاسبه می شود.
در رابطه بالا. pi بازتابندگی هر باند و ضریب وزنی برای هر باند است.
که در آن
Estuni میانگین تابش ورودی خورشید در بالای جو برای هر باند، Bi تابش جسم سیاه در دمای معین شعاع کره خورشید فاصله زمین تا خورشید است.
که در آن H: ثابت پلانک : سرعت نور : ثابت بولتزمن : طول موج هر باند (میکرومتر) و T: دمای س طحی جسم سیاه (یا دمای روشنایی به درجه کلوین است.
در واقع، تابش موج کوتاه ورودی، ش ار تابش خورشیدی است که به صورت تابش مستقیم و پراکنده به سطح زمین می رسد و مقدار شار تابش خورشیدی برای زمان تصویر و شرایط آسمان صاف و بدون ابر، به صورت زیر محاسبه می شود (2007 ,Liang)
که در آن Gse ثابت خورشیدی کسینوس زاویه خورشید، dr معکوس مربع فاصله زمین تا خورشید و Tsw : ضریب شفافیت اتمسفر میباشد. مقدار بین ۲۰۰ تا ۱۰۰۰ بسته به زمان و مکان تصویر متغیر است.
تابش موج بلند خروجی، شار تابش حرارتی گسیل شده از سطح زمین به اتمسفر است با استفاده از رابطه زیر محاسبه می شود
در این رابطه مودم به ترتیب بازتاب طیفی باندهای قرمز و مادون قرمز نزدیک است.
چنانچه مقادیر NDVI کمتر از ۲/• باشد. پیکسل به عنوان پیکسل فاقد پوشش گیاهی یا با پوشش گیاهی خیلی کم در نظر گرفته می شود، و مقدار به صورت زیر محاسبه می شود.
اگر مقدار NDVI بین 0.2 تا 0.5 باشد، پیکسل به صورت ترکیبی از پوشش گیاهی و خاک در نظر گرفته میشود و مقدار برابر است با:
که در آن Pv کسر پوشش گیاهی است که با استفاده از رابطه ارائه شده توسط کارلسون و ریپلی (۱۹۹۷) به صورت زیر قابل
