بخشی از مقاله
چکیده
شوری در حقیقت مجموعه کل نمکهای محلول در هر کیلوگرم از آب دریاها میباشد. آب دریاها مخلوطی مرکب از بیش از صد نوع یون مختلف هر چند همانطور که در شکل - 1 - مشاهده میکنید تنها 6 نوع از این یونها بیش از 99% از مواد محلول در آب را تشکیل میدهند. عناصر اصلی1 به خوبی در آبهای جهان مخلوطند و دارای نسبتهای ثابتی میباشند. این بدان معناست که اگر چه میزان شوری تابع مکان است و از جایی به جای دیگر تغییر میکند، اما عناصر اصلی همواره مقادیر ثابتی را دارا هستند.
شوری مشخص کننده پراکندگی حیات جانوری و گیاهی در آبها است و همچنین روی سایر خواص آبها از جمله چگالی و مقدار اکسیژن نامحلول در آب تاثیر می-گذارد - . - Sverdrup, Johnson, Fleming, & others, 1942 آشناترین خاصه فیزیکی آب دریا، مواد کانی بسیار زیاد آن است. از آنجا که سدیم و کلر سهم بزرگی از یونها را در آبهای شور تشکیل میدهند - - Holton & Hakim, 2012، شوری آبها با غلظت و شناوری معین میشود که هر چه بیشتر باشد شوری آب بالاتر است. هم شوری و هم شناوری برای تمام موجودات زنده دریایی اهمیت قابل توجه دارند.
مقدمه
تغییرات شوری میتواند باعث تغییر در چگالی آب، تغییر در مقدار اکسیژن محلول در آب، تغییر در پراکندگی حیات جانوری و گیاهی، تغییر در نقطه انجماد، تغییر در جریانات اقیانوسی شود - . - Holton & Hakim, 2012 همچنین مقدار متوسط شوری در آبهای جهانی 35 گرم در لیتر2 میباشد، تغییرات شوری وابسته به تعادل بین تبخیر و میزان بارندگی در آبها میباشد. شوری یک نماینده مناسب برای بررسی چگالی آب است و به طور مستقیم تحت تاثیر فرآیندهای فیزیکی و بیوشیمیایی قرار دارد - . - Stewart, 2008 توزیع و تغییرات شوری میتواند بسیاری از پدیدهها و فرآیندها را در آبها تحت تاثیر قرار دهد.
در اندازهگیریهای میدانی شوری سطح دریا، مانند آنهایی که توسط کشتیها و بویهها اندازهگیری میشوند، اغلب پر هزینه و وقتگیر است که منجر به محدودیت در شکل-1 پراکندگی مواد محلول در آب دریا پوششهای فضا-زمانی میگردد. در حالی که، سنجشازدور ماهوارهای میتواند شوری سطح دریا را با مزایای همچون پوشش مکانی بالا و ثبت لحظهای اطلاعات، ارائه میدهد. در این مطالعه با ترکیب مجموعه دادهها، شوری تخمین زده خواهد شد و ما میتوانیم نقشه شوری را به طور منظم و بدون عملیات زمینی در اختیار داشته باشیم.
از اهداف دیگر این تحقیق بررسی سلامت زیستگاه مورد نظر را از لحاظ شوری با نظارت و بررسی افزایش شوری و تاثیر آن بر گیاهان، حیوانات و اکوسیستم منطقه میباشد. امروزه سنجشازدور به عنوان یک ابزار بسیار قوی مطرح بوده که جایگاه خاصی در پایش منابع طبیعی بخصوص پایش منابع آب دارا می-باشد. با توجه به اینکه وسعت بسیار زیادی از سطح زمین پوشیده از آب است جهت مطالعات منابع آب، اقدامات میدانی، کاری پردردسر و پرهزینه بوده جایگاه خود را به پردازش و استفاده از تصاویر ماهوارهای داده است.
اقداماتی نظیر بررسی کیفیت آب شامل مطالعات شوری، بررسی مواد معلق و رسوب، بررسی رنگ آب، بررسی وجود فیتوپلانگتونها و جلبکها در آب، میزان کلروفیل و همچنین مطالعات کمی منابع آب شامل اندازهگیریهای تغییرات عمق و یا ژرفاسنجی منابع آب از جمله اقداماتی است که میتوان به کمک سنجشازدور انجام شود - . - Lagerloef, Swift, & Le Vine, 1995 با توجه به این که تغییرات شوری به عواملی همچون بارندگی، تبخیر، آبهای ورودی و خروجی و غیره وابسته است میتوان با بررسی شوری به بررسی کمی و کیفی این عوامل در منطقه مورد نظر پرداخت. با داشتن نقشه شوری و ایجاد یک مدل برای تخمین مناسب شوری میتوان روند تغییرات شوری دریاچه ارومیه با استفاده از تصاویر ماهوارهای را مورد بررسی قرار داد. که در نتیجه آن می توانیم دادههای شوری را بطور منظم بدون برداشت دادههای میدانی اخذ نماییم.[2]
مواد و روشها نمک حل شده - شوری - تاثیر مستقیم بر رسانایی آب دارد. هر چه شوری آب بیشتر باشد رسانایی آن بیشتر خواهد بود و همچنین بر انتشار امواج ماکروویو معین تاثیر میگذارد اما همانطور میدانید تصاویر ماکروویو توان تفکیک مکانی پایینی دارند و به دلیل کوچک بودن منطقه مورد مطالعه - دریاچه ارومیه - استفاده از تصاویر ماکروویو امکانپذیر نمیباشد. اما از طرفی دیگر بسیاری از تصاویر ماهوارهای دارای توان تفکیک مکانی ضعیفی هستند و نمیتوانند برای نظارت بر شوری یک منطقه کوچک مانند دریاچهها و دهانه رودخانهها مناسب باشند. در این راستا، استفاده از ماهوارههایی با توان تفکیک مکانی بالا الزامی میباشد.
از جمله دادههای ماهوارهای که بدین منظور میتواند مورد استفاده قرار گیرد میتوان به دادههای حاصل از سنجندهTM و ETM+ ماهواره لندست و سنجنده CZCS ماهواره نیمباس 7 و دادههای ماهوارهSPOT و NOAA و MODIS اشاره نمود - Marghany & - - Wong et al., 2007 . - Wang & Xu, 2008 - - Hashim, 2011 شکل - 2 - ، در این مقاله ابتدا دادههای میدانی شوری منطقه مورد نظر جمعآوری میشود و سپس به بررسی و انتخاب سنجندههای مناسب با توجه به وسعت و نوع آب منطقه مورد مطالعه پرداخته میشود. در ادامه با بررسیهای گوناگون و مدلهای پیشین برای سنجندههای انتخاب شده مورد مطالعه قرار میگیرد و نزدیکترین مدل باندی با توجه به دادههای میدانی جمعآوری شده به آن در نظر گرفته میشود.
سپس ثوابت مدل با رگرسیون کمترین مربعات محاسبه میگردد. پس از تشکیل مدل بار دیگر به وسیله دادههای میدانی مورد آزمایش قرار میگیرد در صورت قابل قبول بودن با اعمال تصحیحات مورد نیاز بروی تصاویر با استفاده از نرمافزار نقشه شوری منطقه ترسیم میگردد. با توجه به مطالعات انجام شده به دلیل کوچک بودن منطقه مورد مطالعه در این مقاله پس از بررسی باندها به مدلی مشابه با مدل فوجی که از رگرسیون چند متغیره برای محاسبه ضرایب مدل پرداختیم . - Wang & Xu, 2008 -
یافته ها و بحث معرفی منطقه مورد مطالعه
دریاچه ارومیه در شمال غرب ایران با مساحتی بین 4750 تا 6100 کیلومتر مربع در ارتفاع 1250 متری از سطح دریای آزاد قرار دارد. این دریاچه دائمی ایران میباشد. در حقیقت دریاچه ارومیه در یکی از پست ترین نقاط حوضه آبریز شمال غرب ایران واقع شده که دلیل این پستی فروافتادگی حاصل از عملکرد مشترک گسل راستلغز تبریز و کمربند رانشی زاگرس تشکیل شده است. سطح کل حوضه دریاچه ارومیه 51876 کلیومتر مربع میباشد، که 3/15 درصد کل مساحت ایران و 7 درصد کل سطح آبهای کشور را به خود اختصاص داده است. عمق متوسط حداقل و حداکثر آن بترتیب 6 و 16 متر میباشد. طول دریاچه برابر 50 کیلومتر و عرض آن بین 128 تا 140 کیلومتر متغیر است - . - Bakhvalov, 1997
دادههای میدانی و ماهوارهای مورد استفاده همانطور که در جدول - 1 - در این مقاله از 22 داده میدانی در دریاچه ارومیه در بازه زمانی سال 92 الی 94 استفاده شده است. این دادهها شامل موقعیت نقطه، مقدار املاح موجود در آب - از جمله کلر - رسانایی الکتریکی، دما و زمان نمونهبرداری میباشند. همچنین دادههای مورد استفاده برای ارزیابی مدل نیز در جدول - 2 - آمده است. تصاویر لندست-8 مطابق با زمان و موقعیت این دادهها بود، دانلود و استفاده شده است. به دلیل آن که برخی از دادهها در یک روز برداشت شده اند شامل14 تصویر میباشد.
پس از انجام تصحیحات لازم - شامل تصحیحات اتمسفری و رادیومتریکی - به وسیله نرمافزار ENVI رادیانس نقاط مورد نیاز نیز استخراج گردید. در ادامه با رسم نمودار رادیانسهای آن در بازه زمانی مورد نظر و همچنین روش آزمایش و خطا باندهای مناسب برای ایجاد مدل انتخاب گردید. شکل-3 انرژی بازگشتی باندهای 2 الی 6 تصاویر لندست-8 برای 16 داده اولیه، شکل-4 میزان کلر موجود در آب CL - - ، جدول - - 1 جدول - - 1 انتخاب باند با تلفیق دو روش صورت گرفت در روش اول، مدلی با رادیانس تمامی باندها تشکیل داده شد سپس با حذف یک به یک باندها و محاسبه میزان ضریب تعیین پس حذف هر باند، تاثیر باندهای مختلف بررسی شد. در روش دوم نمودار رادیانس تصاویر تمامی باندها رسم گردید و با نمودار میزان کلر که نماینده شوری است مقایسه گردید،
شکل 4 و .5 در نهایت با توجه به نتایج هر دو روش باندهای 2 الی 6 لندست-8 انتخاب گردید. این نتیجه با مدل فوجی که مدلی با پنج باند برای لندست-7 در خلیج مکزیک از باند 1 الی 5 طراحی شده است مطابقت دارد. در ابتدا تعداد دادههای میدانی بیش از این بود اما به دلیل این که برخی از این دادهها، در مجاورت قسمتی از میانگذر دریاچه ارومیه که خاکریزی شده است و راه ارتباطی دو سوی میانگذر وجود ندارد برداشت شدهاند، باعث شده است با ایجاد کوچکترین موج در این بخشها کف موج تشکیل گردد.
این مسئله موجب این میشود که انرژی بازگشتی از سطح آب این مناطق تحت تاثیر قرار گیرد و رادیانس مناسبی را در اختیار ما قرار نگذارد. همچنین برخی دادههای میدانی در زمانی برداشت شده بودند که آسمان ابری و یا نیمه ابری بوده و مناطق نمونه برداری در تصاویر لندست-8 حاصله، پوشیده از ابر میباشد. پس از حذف دادههای نامناسب با 16 داده موجود مدلی با استفاده از روش رگرسیون چند متغیره تشکیل داده شد. سپس این مدل با شش داده باقی مانده آزمایش گردید. در این مدل از پنج باند ماهواره لندست-8 - باند 2 الی - 6 استفاده میشود. و ضرایب حاصل به صورت زیر میباشد:
در مدل فوق تابعی از شوری، bi ضرایب باندهای مورد نظر و Ri رادیانس باندها میباشد. با 16 داده و درجه آزادی 10 به خطای مجذور میانگین ریشهای برابر با 16.5 و ضریب تعیین مدل برابر با 0.808 دست یافتیم. سپس با 6 داده باقی مانده به آزمایش مدل پرداختیم. و با قرار دادن رادیانس باندهای 2 الی 6 مربوط به آن 6 داده باقی مانده مقادیر کلر آن محاسبه و با مقدار واقعی آن مقایسه گردید. که نتیجه قابل قبولی را مشاهده شد. ضریب همبستگی آن 0.94 ضریب تعیین آن 0.898 به دست آمد. مقدار ضرایب بهدست آمده برای ضرایب یک تا شش به صورت 147.46، -19.57، 57.345، -62.554، 146.29 و 671.58 است. پس از تشکیل مدل، دادههای اولیه ای که مدل با آنها ایجاد شده است بار دیگر توسط مدل محاسبه شد تا المانهای دقت، جدول - 3 - ش
