بخشی از مقاله
خلاصه
رطوبت خاک نقشی اساسی در چرخه هیدرولوژیکی و مطالعات اقلیمی دارد. در بررسیهای اقلیمی به دادههای پیوسته در زمان و مکان نیاز داریم. اندازهگیریهای زمینی رطوبت خاک اغلب نیازمند صرف زمان و هزینه زیاد و همچنین گسته و پراکنده است . پرتوهای مایکروویو حاوی اطلاعاتی هستند که از آن میتوان برای تعیین ویژگیهای خاک از جمله محتوی رطوبت خاک استفادهکرد. بنابراین استفادهاز سنجشازدور میتواند راهکار مناسبی باشد. اما در ابتدا لازماست داده-های ماهوارهای را ارزیابی کنیم.
در این مطالعه مدل رطوبت خاک سطحی بااستفاده از دمای درخشندگی سنجنده رادیومتر پیشرفته تصویربردار مایکروویو - AMSR2 - 2، با قدرتتفکیک مکانی 10 کیلومتر، شاخص مرطوب بودن خاک - ISW - ، شاخص قطبیدگی - PI - و همچنین اطلاعات سه ایستگاه مشاهداتی در ایران به روش حداقل مربعات ایجاد شدهاست. این مدل در چهار وضعیت به صورت ترکیبهایی از حالات خطی، توانی و استفاده از مقدار ثابت در مدل، با استفاده از دادههای سال 2015 تهیه شده و سپس مورد ارزیابی قرارگرفته است.
نتایج حاصل از ارزیابی بیانگر عملکرد بهتر مدل در وضعیت استفاده از مقادیر ثابت است . متوسط مقادیر خطا RMSE و MAE در مدل منتخب برای ایستگاههای مورد بررسی به ترتیب 4,15 و 3,35 درصد و ضریب همبستگی برابر 0,53 محاسبه شدهاست. عوامل خطا شامل پوشش گیاهی، بارش و یخبندان است.
.1 مقدمه
کشور ایران در ناحیه خشک و نیمه خشک قرار گرفته است. آب ذخیره شده در زمین، همانند حافظه ی اقلیم، وضعیت فعلی را برای مدت زمان مشخصی حفظ می کند. بنابراین اندازهگیری دقیق و با کیفیت رطوبت خاک کاربردهای فراوانی دارد. نحوه تفکیک انرژی موجود به انرژی محسوس و شار گرمای نهان توسط رطوبت خاک انجام میشود. با توجه به رطوبت زمین، بارش به دو بخش نفوذ در خاک و رواناب سطحی تقسیم میشود. علاوه بر این کنترل تغییرات سهم انرژی بخشهای مختلف زمین ظرفیت گرمایی آب است.[1] یکی از منابع مناسب و رایگان جهت اخذ اطلاعات آب و هوایی و متغیر های حوزه منابع آب، استفاده از داده های حاصل از سنجش از دور و خصوصا داده های غیر فعال مایکروویو است.
در نتیجه وجود محصولات رطوبت خاک ماهوارهای حاصل از سنجش از دور مایکروویو، مدلهای متنوعی در زمینه رطوبت خاک توسعه یافته است.
سابقه ی جستجوی الگوریتم های معرفی رطوبت خاک، تحقیقات تجربی انجام شده به کمک رادیومتر های مایکروویو مبتنی بر هواپیما[3] و زمین[4] است. در یکی از آخرین تحقیقات انجام شده، Wu و همکاران در سال 2015 با استفاده از اطلاعات 598 ایستگاه زمینی در ایالات متحده امریکا، محصول رطوبت خاک سنجنده AMSR2 را ارزیابی کردند
امواج مایکروویو به ضریب دی الکتریک و آب حساس است. مایکروویو غیر فعال می تواند اطلاعاتی راجع به سطح زمین، اقیانوس ها و جو اخذ کند. این سنجنده ها، دمای درخشندگی را اندازه می گیرند. زمین، آب، هوا و یخ، دمای درخشندگی متفاوتی دارند. بنابراین میتوان به کمک این امواج تغییرات محتوی آب خاک را بررسیکرد. [5] بدلیل اینکه پوشش گیاهی خود دارای رطوبت است، رطوبت خاک تنها در مشاهدات ماهواره هایی قابل تخمین دقیق است که تاثیر پوشش گیاهی در آنها محاسبه شده باشد. ردپای رادیومتر مایکروویو برای تصویر مشاهداتی ماهواره، ده ها کیلومتر است و نواحی معدودی در این وسعت دارای پوشش گیاهی یکنواخت هستند. Fujii و همکاران[10] نسبت مساحت پوشش گیاهی را در الگوریتم رطوبت خاک خود معرفی کرده و به این ترتیب تاثیر پوشش گیاهی را در نظر گرفتند. این الگوریتم اساس الگوریتم رطوبت خاک AMSR2 است.
باتوجه به منبع انرژی، سنجش از دور مایکروویو به دو بخش فعال و غیرفعال تقسیم میشود.[6] در این مطالعه از دمای درخشندگی مایکروویو غیر فعال برای مدلسازی رطوبت خاک استفاده شده است. تغییرات پوشش گیاهی، وجود بارندگی و نیز تفاوت مقدار متوسط رطوبت میتواند بر دقت و کارآیی مدل تاثیر گذارد. هدف از این مقاله مدلسازی رطوبت خاک با استفاده از دادههای سنجش از دور مایکروویو غیرفعال و ارزیابی مدلهای ایجاد شده در بخش های مختلف کشور ایران است.
.2 مواد و روشها -1-2 منطقه مورد مطالعه و دادههای مشاهداتی
در این مطالعه اطلاعات رطوبت خاک 3 نقطه در کشور ایران بررسی شدهاست. این ایستگاهها در وضعیتهای مختلف شامل توپوگرافی، ارتفاع از سطح دریا، دما و رطوبت انتخاب شدهاست . ایستگاههای مورد استفاده در شهرهای داراب، خیرآباد و خسروشاه واقع شده است. اطلاعات این ایستگاهها در جدول 1 و شکل1 مشاهده میشود.
اندازهگیری رطوبت خاک این ایستگاهها در حالت غیر اشباع در اعماق 5، 10، 20، 30، 50 و 100 سانتی متری، در ساعات 3، 6، 9 و 15 در شبانهروز در طول سال 2015 و بوسیله دستگاه انعکاس سنج زمانی - TDR - 1 انجام شده-است.
برای نزدیکتر بودن زمان و عمق برداشت زمینی با اندازهگیری ماهوارهای سنجنده AMSR2 - ساعت 1:30 بامداد و داده های سطح خاک - در این مطالعه از دادههای عمق 5 سانتی متری مربوط به ساعت 3 بامداد استفاده شدهاست. همچنین برای حذف تاثیر کاهش رطوبت سطحی براثر تابش خورشید در طول روز که منجر به تفاوت رطوبت خاک سطحی و عمق 5 سانتیمتری میشود، از دادههای زمینی ساعت 3 بامداد استفاده شدهاست.
-2-2 دادههای ماهوارهای
داده های ماهوارهای مورد استفاده در این مطالعه شامل دمای درخشندگی مایکروویو روزانه سطح 2 سنجنده AMSR2 مستقر بر ماهواره ماموریت مشاهده تغییرات جهانی آب- - GCOM-W1 - 1 1 و برداشت شده در سال 2015 است. این دادهها دارای قدرتتفکیک مکانی 10 کیلومتر 0,1 - درجه - و به صورت سطحی برداشت شدهاست. تصاویر سنجنده در رو زمان روز- صعودی - Ascending - و شب- نزولی - Descending - برداشته شده که بدلیل کاهش تاثیر نور خورشید، در این مطالعه داده های شب مورد - ساعت 1:30 بامداد - مورد استفاده قرارگرفته است.
شکل- 1 نمایش محل ایستگاههای مورد مطالعه. الف - نقشه ایران، ب - نمونه تصویر دمای درخشندگی باند 36 گیگاهرتز با قطبیدگی قائم در تاریخ اول مارس 2015.
