مقاله تعیین سطح پوشش برف با بکارگیری شاخص NDSI منطقه مورد مطالعه حوضه یلفان

بخشی از مقاله

چکیده

در مناطق کوهستانی برف یکی از موثرترین عوامل در پیشبینی تغییرات چرخه آبی و انرژي است. به دلیل گستردگی بالاي پوشش برف و تغییرات آن در فواصل زمانی کوتاه، اندازهگیري عوامل برفی از اهمیت ویژهاي برخوردار است. لیکن اندازهگیري با روشهاي زمینی پرهزینه و زمانبر می باشد. فناوري سنجش از دور امکان تهیه اطلاعات دقیقی از وسعت پوشش برف و آب معادل آن را فراهم میکند. در این نوشتار به منظور پایش سطح برف از تصاویر سنجنده MODIS در سال آبی 2007-2008 استفاده شد.نتایج نشان میدهد، با بکارگیري شاخص پوشش برفی NDSI رابطهاي پایدار در استخراج نقشه برفی بر قرار است. همچنین می توان از این روش به عنوان ابزاري جهت ارزیابی دقت تبدیل اندازهگیريهاي آب معادل برف نقطهاي به منطقهاي بهره جست.

-1 مقدمه

با توجه به اینکه اندازهگیري میدانی تغییرات مکانی و زمانی برف داراي مشکلاتی است، تکنیک سنجش از دور می تواند به عنوان ابزاري قدرتمند در سنجش و پایش برف مطرح گردد. سنجش برف به دلیل آلبدوي بسیار بالاي آن و همپوشانی طیفی ابر با برف بسیار پیچیده بوده و با ملاحظات خاص صورت می پذیرد. لذا دستیابی به دادههاي مربوط به برف در مناطق مرتفع همواره داراي اهمیت خواهد بود.

دادههاي ذکر شده تنها از راه تصویر برداري پیوسته به کمک فن سنجش از دور ممکن است؛ چرا که برداشت زمینی این دادهها نیاز به شبکهي متراکمی از ایستگاههاي برف سنجی دارد. و از لحاظ اجرایی و اقتصادي مقرون به صرفه نمیباشد.[1] با استفاده از تصاویر ماهوارهاي و کاربرد الگوریتمهاي موجود میتوان سطح پوشش برف را با دقت مناسب استخراج نمود.[2] در خصوص پایش تغییرات سطح برف SCA در نیمکره شمالی الگوریتمهاي زیادي مبتنی بر تصاویر ماهوارهاي سنجندههايLANDSAT، NOAA-AVHRRو MODIS تا کنون توسعه داده شده و به صورت عملیاتی در پایش سطح برف بکار گرفته شدهاند.[3]

Barton et al. - 2001 - روش رگرسیون چندگانه را با استفاده از شاخص NDSI براي برآورد سطح تحت پوشش برف با استفاده ازتصاویر MODIS بکار بردهاندHall et al. - 2002 - .[4] ثابت کردند که الگوریتم نقشه برفی در شرایط پوشش برف کامل به بهترین نحو عمل میکند. در این شرایط، باند دو MODIS اساسا جهت شناسایی برف مورد پردازش قرار می-گیردMalcher & Heidinger - 2001 - .[5] با استفاده از تصاویر ماهواره MODIS ، سطح پوشش برف زیر حوضههاي کشور اتریش را استخراج و با استفاده از مدل SRM رواناب ناشی از ذوب برف این حوضهها را شبیهسازي کردندTahir et .[6] at - 2011 - با استفاده تصاویر MODIS سطح پوشش برف حوضه آبریز Indus واقع در پاکستان را تخمین زدند و با استفاده از مدل SRM رواناب ناشی از ذوب برف این حوضه را برآورد کردندRittger et at - 2013 - .[7] به ارزیابی روشهاي تهیه نقشه برفی از سنجنده MODIS پرداختند .[8]

طی سالهاي اخیر استفاده از دادههاي ماهوارهاي در سطح ایران نیز رشد چشمگیري داشته است؛ و بسیاري از محققان در زمینه مطالعه و برآورد سطح پوشش برف حوضههاي کوهستانی از این راهکار بهرهمند شدهاند. پرهمت - 1381 - با انجام تغییراتی در الگوریتم سیمپسون و همکاران - - 1998 و ترکیبی از روشهاي تحلیل آستانهاي و تحلیل چند طیفی، سطح پوشش برف را با استفاده از باندهاي 2،3و 4 سنجنده AVHRR ماهواره NOAA براي حوضه کارون استخراج کرد.

[2] دینی و همکاران - 1386 - به منظور بررسی سطوح برفگیر در البرز مرکزي از دادههاي ماهواره MODISو AVHRR استفاده کردند.[9] میریعقوبزاده و همکاران - 1388 - میزان دقت تفکیک رقومی پارامترهاي ابر، برف و زمین در تصاویر ماهوارهاي MODIS را بررسی کردند.[10] کمالی و همکاران - 1390 - در تحقیقی با استفاده از تصاویر ماهوارهاي سنجنده MODIS و براساس الگوریتم هاي مختلف سطح پوشش برف حوضه خراسان شمالی را محاسبه کردند.

[11]فتاحی و همکاران با استفاده از تصاویر MODIS به مقایسه دماي سطح برف و میزان پوشش برف پرداختند.[12] بررسی نتایج مطالعات حاکی از قابلیت بالاي پردازش تصاویر ماهوارهاي در زمینه برآورد سطح پوشش برف دارد. در این تحقیق به منظور پایش سطح پوشش برف حوضه آبریز یلفان از دادههاي ماهوارهاي به دست آمده از سنجنده MODIS طی یک سال آبی - 2007-2008 - 1386-87 استفاده شد.

-2 مواد و روشها

ویژگیهاي منطقه مورد مطالعه

منطقه مورد مطالعه در این تحقیق حوضه یلفان است که سد اکباتان مهمترین سد استان همدان در این حوضه می-باشد.این سد در 10 کیلومتري جنوب شرقی شهر همدان بر روي رودخانه یلفان پائین تر از محل تلاقی رودخانه هاي یلفان و ابرو واقع شده است. مصارف آبی استان همدان از طریق این سد تأمین میشود. این حوزه در فاصله48 ̊ طول شرقی̊و 34عرض شمالی قرار گرفته است . موقعیت حوضه در شکل - - 1-2مشخص شده است. این حوضه به طور عمده کوهستانی میباشد و حداکثر و حداقل ارتفاع آن به ترتیب 3586و 1942 متر از سطح دریا بوده و ارتفاع متوسط منطقه نیز 2378/46 متر است. منطقه کوهستانی و سردسیر است، زمستانهاي نسبتا طولانی و سرد و دوره تابستانی کوتاه و خنک دارد. طول دوره یخبندان بطور متوسط 80 روز است.

به منظور بررسی کاربرد تصاویر ماهوارهاي در مدلسازي جریان رواناب حاصل از ذوب برف از تصاویر ماهواره MODIS استفاده شد.سنجنده MODIS به دلیل قدرت تفکیک زمانی و مکانی بالا نسبت به سایر تصاویر ماهواره اي مشابه، براي تعیین سطح پوشش برف ارجحیت دارد. سنجنده MODIS در 18 دسامبر سال 1999 بر روي ماهواره TERRA از سیستمهاي مشاهدات زمینی سازمان فضایی آمریکا - ناسا - مستقر و در مدار قرار گرفته است؛ و اطلاعات بسیار مفیدي از سطح زمین جهت مطالعات زمین و اتمسفر در اختیار محققین علوم زمینی قرار داده است.

این پوشش با پرتاب ماهواره Aqua از سري ماهوارههاي مشاهدات زمینی در 4 می 2002 افزایش چشمگیري یافته است. سنجنده MODIS داراي 36 باند محدود طیفی 0/41 تا 14/5 میکرومتر بوده و قدرت تفکیک آن در زاویه عمود به سطح زمین 250 متر در 2 باند طیفی، 500 متر در 5 باند و 1000 متر در 29 باند طیفی میباشد. 20 باند آن در ناحیه باند مرئی محدوده 0/41 الی 2/1 میکرومتر بوده و 16 باند باقیمانده این سنجنده در ناحیه حرارتی بالاتر از 3/7 میکرومتر میباشد. باندهاي انعکاسی سنجنده MODIS توسط جسم متحرك تابشی و باندهاي حرارتی آن نیز توسط جسم سیاه که در داخل سکو تعبیه شدهاند واسنجی می-گردند.[13]

ویژگیهاي بازتابشی برف و شاخص پوشش برفی :NDSI

الگوریتم نگاشت برف MODIS کاملا اتوماتیک و مبتنی بر NDSI و مجموعه حدآستانهها میباشد. معمولا حدآستانه 0/4 در نظر گرفته میشود. این الگوریتم از بازتابندگی هاي باند 0/545-0/565 - 4میکرومتر مرئی - و باند 0/841-0/876 - 6 میکرومتر فروسرخ نزدیک - جهت محاسبه NDSI استفاده میکند. طبق مطالعات Salomonson & Appel - 2004 - براي برآورد سطح تحت پوشش برف با باندهاي 500 متر سنجنده MODIS به کار گیري شاخص NDSI کافی است.[14] این الگوریتم همراه با دو آستانه گذاري دیگر مورد استفاده قرار میگیرد:

-1 بازتاب باند 2 بالاتر از %11که این عامل براي جداسازي برف از آب است.

-2 بازتاب باند 4 بالاتر از %10 که این عامل اشیاي تاریک را از صحنه خارج میکند.

شاخص پوشش برفی NDSI تنها به انواع خاصی از ابرهایی که داراي ذرات یخ هستند و یا بعضی از ابرهایی که بازتاب آنها مانند برف است، حساس میباشد.[15] در این مطالعه به منظور استخراج سطح پوشش برف ابتدا دادههاي ماهوارهاي هشت روزه سطح برف MOD10A2 به فرمت HDF از سایت Reverb دریافت گردید. به دلیل اینکه منطقه مورد مطالعه در دو شیت تصویر MODIS واقع می-شد، علاوه بر تصاویر مربوط به شیت H22V05 تصاویر مربوط به شیت H21V05 نیز از Reverb دریافت گردید. سپس توسط نرمافزار ENVI ، کلیه تصاویر پس از فراخوانی و عمل import توسط دستور موزائیک در کنار هم قرار گرفتند و عمل استخراج سطح برف براي حوضه مورد مطالعه انجام گرفت.