بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***


تغييرات زماني مکاني الگوهاي حرارتي و کاربري شهر شيراز با استفاده از دادههاي سنجنده +TM&ETM
چکيده
الگوهاي دمايي در کاربري هاي مختلف و ميزان تأثيرگذاري آنها بر دامنه هاي دمايي در شناخت ميکروکليماي شهري بسيار اهميت دارد.فعاليت هاي بشري و تغيير در سيماي طبيعي شهر موجب ايجاد تفاوت هايي از نظر دما بين مناطق مرکزي شهر و حومه آن مي شود، که با استفاده از تصاوير ماهواره اي مي توان آنها را سنجش و اندازه گيري و پايش کرد.هدف از اين پژوهش مطالعه تغييرات زماني و مکاني الگوهاي حرارتي شهري شيراز از طريق تصاوير ماهواره اي و تعيين مکان هاي داراي دماي بالا و بررسي نقطه اي به منظور ترسيم نقشه و تحليل کاربري شهري است .روش تحقيق ، استفاده از تصاوير ماهواره LANDSAT سنجنده +ETM، با قدرت تفکيک ٦٠متر از باند ٦٢- (High Gain)در نادير سنجنده ETM+وباند ٦سنجنده TM به منظور استخراج الگوي حرارتي شهر و همچنين تهيه نقشه هاي کاربري براي پايش تغييرات کاربري شهر شيراز در بازه زماني ٢٤ساله بوده است .نتايج در اين پژوهش نشان داد سطوح باير خاکي فاقد پوشش گياهي حاشيه شهر بيشترين ميزان دما را دارند و در کاربرهاي شهري نيز دماي بافت هاي فشرده و فرسوده شهري بيش از ديگر مناطق مسکوني است .بدين ترتيب حلقه هاي دمايي با مناطق آلوده و پرترافيک شهري انطباق دارند؛ و سردترين مناطق نيز با کاربري پوشش گياهي منطبق اند.ناگفته نماند که تغييرات کاربري در دوره آماري حاکي از روندي کاهشي براي کاربري باير به نفع کاربري شهري است .
کدلي واژهها:دماي سطح زمين ، جزاير حرارتي ، سنجنده TM و +ETM.

١-مقدمه
تحليل و پايش الگوهاي دماي شهر، با توجه به نوع کاربري آن و بررسي الگوها در بازه زماني نسبتاًبلند از اصلي ترين مقوله هايي است که مي تواند در چارچوب يک پژوهش جغرافيايي قرار گيرد و يافته هاي آن در حل مسائل پيچيده شهري به کار آيد.از شاخص هاي مهم تأثيرپذير آب و هوايي در نواحي شهري ، فرايندهاي دمايي اند.
دما را مي توان همان انرژي خورشيدي جذب شده به وسيلة مواد که تبديل به انرژي گرمايي مي شود، تعريف کرد (٢٠٠٨ ,.Jalalzadeh et al) .دماي سطح زمين به عنوان نمايه اي از شدت گرما، از عناصر اساسي شناخت آب و هواست ( Miryaghoobzadeh and 2009,Ghanbarpur).يکي از شناخته شده ترين شکل هاي تغيير آب و هوا، پديده گرمايش شهري است .
تغيير آهسته پوشش زمين در مناطق شهري باعث افزايش همزمان دماي هوا و دماي سطح محلي از مناطق روستايي پيرامون آن مي گردد ( ,Streutker ٢٠٠٢).تأثير جزيره گرمايي شهر بارزترين مثال و بهترين گواه از جرح و تعديل هاي ناخواسته اقليم
ي است .شکل دقيق و اندازه اين پديده که حاصل ويژگي هاي هواشناختي محلي و شهري است ، در زمان ها و مکان هاي مختلف متفاوت است . (.Kaviani ٢٠٠١)؛ و به همين خاطر پايش و رصد اين تغييرات در بازه زماني ضروري مي نمايد.بنابر تعريف پايش تغيير فرايند تعيين تفاوت ها در وضعيت يک شي يا پديده از طريق مشاهده اي آن در زمان هاي متفاوت است ( Arkhi ٢٠١١ ,.et al).دما و ويژه دماي هواي مجاور سطح زمين که محل سکونت انسان را احاطه مي کند، از مهم ترين ويژگي هاي آب و هوايي در نواحي شهري است که در فهم شرايط محيطي مناسب زيست انسان نيز اهميت دارد.شناسايي مناطقي از شهرها که در تابستان ها گرم تر يا در زمستان ها سردتر از ديگر نواحي اند، مي تواند با هشداري در زمينه مصرف بي رويه انرژي که دما مهم ترين مؤلفه آن به شمار مي رود همراه باشد (٢٠٠٩ ,.Fallah Shamsi et al).
توسعه شهرنشيني و فعاليت هاي صنعتي در شهرهاي بزرگ منجر به تغييرات وسيعي در مشخصات فيزيکي سطح زمين ، انرژي گرمايي آزاد شده ، آلودگي هوا، تغييرات دما و ساير پارامترهاي هواشناختي مي شود و جزيره گرمايي شهري را ايجاد مي کند (٢٠٠٥ ,.Ranjbar et al).هدف از اين پژوهش شناخت الگوها و آشکارسازي تفاوت هاي دمايي مناطق مختلف شهر شيراز و حاشيه آن به منظور تهيه نقشه دمايي شهر و امکان تشکيل جزيره حرارتي با استفاده از تکنيکهاي سنجش از دور است .
محاسبه دماي سطح زمين مورد توجه بسياري از پژوهشگران قرار گرفته است .در اينجا به بيان يافته هاي پژوهش هاي پيشين در زمينه جزاير حرارتي در دو بخش ، با استفاده از داده هاي زميني وفناوري سنجش از دور و به کارگيري تکنيک ها وسنجنده ها متفاوت پرداخته مي شود.از آن جمله اند دنگ شنگ و ونگ در سال ٢٠٠٦، که با استفاده از تصاوير سنجنده ASTER با تحليل چندزمانه به برآورد رابطه ميان الگوي حرارتي شهري و توصيف گرهاي بيوفيزيکي در شهر ايندياناپوليس امريکا پرداختند.زينگ پينگ و همکاران در سال ٢٠١١، با به کارگيري ايستگاه هاي خودکار هواشناسي ٢(AWS)و نيز تکنيکهاي سنجش از دور، رابطه بين پوشش نسبي زمين و جزيره حرارتي شهر گونگجو در جنوب چين را مورد مطالعه قرار دادند.
رنجبر و همکاران (٢٠٠٥)به بررسي آثار جزيره گرمايي و شهرنشيني روي وضع هوا و اقليم محلي در کلان شهر تهران پرداختند.افشار (٢٠٠٩)در پژوهشي به بررسي و شناخت جزيره حرارتي شهر تهران براساس داده هاي سه ايستگاه دوشان تپه در خاور، اقدسيه در شمال و مهرآباد در باختر تهران و مقايسه آن با ايستگاه کرج پرداخت .علي تبريزي و قبادي (٢٠٠٩)در مقاله اي با عنوان جزيره گرمايي و تغييرات دمايي شهر تهران تأثيرات سوء افزايش دما را بر شهرو محيط زيست شهري و همچنين عوامل تأثيرگذاري بر اين تغييرات و افزايش دما شهر تهران بررسي کردند.
غضنفري مقدم و همکاران (٢٠٠٨)تأثيرات جزيره حرارتي مشهد را بر روند تغييرات نزولات جوي مورد بررسي قرار دادند.جلال زاده و همکاران (٢٠٠٨)به مقايسه دماي سطحي حاصل از داده هاي ميداني و تصاوير ماهواره اي NOAA سنجنده 1AVHRRدر مازندران جنوبي پرداختند، و يافته هاي آنان حاکي از رابطه معني دار بين داده هاي به دست آمده از دماي سطح از ماهواره و داده هاي ميداني بوده است .علوي پناه و همکاران (٢٠٠٩)در مقاله اي با نام تهيه مدل دماي سطحي بيابان با استفاده از داده هاي حرارتي ماهوارة NOAA،AVHRR و داده هاي زميني ، با به کارگيري دوازده تصوير سنجنده AVHRR سال ٢٠٠١و داده هاي هواشناسي ٨ايستگاه زميني به عنوان نقاط کنترلي ، مدل دماي سطحي منطقة حاشية ياردانگ هاي بيابان لوت را طراحي کردند.اکبري (٢٠٠٠)با استفاده از سنجنده TM الگوي توزيع دما شهر تهران را مورد پژوهش قرار داد.
علوي پناه و همکاران (٢٠٠٦)در مقاله اي به مقايسه محتواي اطلاعاتي باندهاي سنجنده TM و +ETM در محيط هاي بياباني و شهري ايران (پلاياي دامغان ، دشت کاشان و منطقه شهري تبريز)پرداختند.اميري و همکاران (٢٠٠٧)رابطه بين الگوي توزيع و تغييرات دما را با کاربري .پوشش زمين در منطقه شهري در حال رشد تبريز با استفاده از داده هاي حرارتي و انعکاسي TM و +ETM لندست مورد بررسي و پايش قرار دارند؛ و نتايج آنان حاکي ازارتباط قوي ميان نوع کاربري و دماي سطح بوده است .شکيبا و همکاران (٢٠٠٩)و نامداري (٢٠٠٩)نيز در پژوهشي ، تأثيرات کاربري و پوشش اراضي و جزاير حرارتي شهر تهران را با استفاده از تصاوير سنجنده +ETM ماهواره لندست ٧ بررسي کردند.
ميريعقوب زاده و قنبرپور در سال ٢٠٠٩در مقاله اي با عنوان به کارگيري داده هاي سنجش از دور در برآورد دماي سطح اراضي حوزه آبخيز وردين در آذربايجان غربي به بررسي روش هاي تعيين دماي سطح براساس داده هاي دورسنجي با استفاده از الگوريتم سبال داده هاي سنجنده +ETM و نيز بررسي صحت روش مورد استفاده در تعيين دماي سطح براساس داده هاي دورسنجي نسبت به مقادير مشاهداتي پرداختند.
ارزيابي نتايج محاسبه دما به وسيله الگوريتم سبال با نتايج حاصل از ثبت دما، نشان دادکه اختلاف بين دماي محاسباتي و مشاهداتي اندک است .
بختياري و همکاران (٢٠١١)با استفاده از الگوريتم تک پنجره اي Qin et al تصوير سنجنده +ETM، با پياده سازي اين الگوريتم که براساس پارامترهايي چون عبور اتمسفري و دماي ميانگين مؤثر اتمسفر و گسيل مندي اعمال مي شود، به مطالعة دماي سطحي زمين شهر اهواز پرداختند، که منجر به آشکارسازي تفاوت هاي حرارتي مناطق مختلف با مناطق گرماخيز شد.رنگزن و همکاران (٢٠١١)در مقاله اي با عنوان تهيه نقشه LST با استفاده از تصاوير ماهواره اي (نمونه موردي شهر اهواز)، با بهره گيري از تصاويرسنجنده +ETM، و روش NOR( Emissivity Normalization) Method و REF( Refetence Chanel Emissivity) نقشه حرارتي شهر اهواز را تهيه کردند.يافته هاي اين پژوهش حاکي از آن بود که خروجي روش هاي مذکور در ترکيب با داده هاي ديگر، مي تواند به منظور يافتن راه حل هايي براي حل مسائل جزيره حرارتي شهر مورد استفاده قرار گيرد.
بهارلو و همکاران (٢٠١١)در پژوهشي تأثير عوامل کاربري اراضي ، مونواکسيدکربن (CO)، جمعيت و فاصله را بر ميزان دماي جزيره حرارتي توليد شده از داده هاي سنجنده +ETM بررسي کردند و نيز با استخراج ارتباط بين پارامترها با ميزان دماي جزاير حرارتي ، سرانجام با استفاده از روش رگرسيوني چندگانه به مدل سازي تغييرات جزاير حرارتي شهر تهران با استفاده از عوامل مذکور پرداختند.نتايج به دست آمده نشان داد که در ميان پارامترهاي مورد مطالعه ، ميزان آلاينده مونواکسيدکربن بيشترين تأثيررا بر افزايش يا کاهش دمايي جزاير حرارتي دارد.آخوندزاده و سراجهان (٢٠٠٧)در پژوهشي براي نمايش جزاير حرارتي در مناطق شهري از تصاوير سنجنده ASTER استفاده کردند.در اين پژوهش نقشه دمايي سطح زمين و ضريب گسيل منطقه شهري تهران با الگوريتم TES تهيه گرديد.يافته هاي پژوهش نشان دهنده آن است که تصاوير چندطيفي ASTER براي تجزيه و تحليل ميزان تأثيرگذاري منابع انرژي در محيط هاي شهري سودمند و کاربردي است .
٢-مواد و روش ها
٢-١-منطقه مورد مطالعه
شهر شيراز مرکز استان فارس در طول جغرافيايي ٥٢ درجه ٣٣دقيقه خاوري و عرض جغرافيايي ٢٩درجه و ٣٦دقيقه شمالي قرار گرفته است .اين شهر با ميانگين ارتفاع ١٥٠٠ متر از سطح دريا، براساس طول دوره آماري سال ١٩٥١ الي ٢٠١٠با ميانگين سالانه بارش ٣٣٧ميلي متر و ميانگين سالانه دمايي ١٨ درجه سانتي گراد، براساس آخرين سرشماري سال (١٣٩٠)با جمعيتي ١٥٤٩٤٥٣ نفري در جنوب باختري ايران واقع است .شهر شيراز از سمت باختر به کوه دراک و از سمت شمال به کوه هاي بمو، سبزپوشان ، چهل مقام و باباکوهي محدود شده است .رودخانه اي فصلي از ميانه شهر عبور مي کند که به رودخانه خشک (نهر اعظم ) معروف است و تنها در فصل زمستان وبهار آب دارد.
اين رود به درياچه مهارلو واقع در جنوب خاوري شيراز مي ريزد.شيراز به عنوان بزرگ ترين مرکز زيستي جنوب ايران اهميت فراواني دارد.موقعيت منطقه مورد مطالعه در شکل ١ نشان داده شده است .

شکل ١.موقعيت جغرافيايي منطقه مورد مطالعه
در اين مقاله به منظور دستيابي به نتيجه مطلوب ، به رغم تنگناهاي موجود جمع آوري داده هاي مناسب ، مراحل گوناگوني که در ادامه شرح داده مي شوند، دنبال شدند.نخست داده هاي دمايي ايستگاه هواشناسي شيراز، از سازمان هواشناسي استان فارس گرفته شد. تصاوير ماهواره LANDSAT سنجنده +ETM، و تصاوير سنجنده TM جدول (١)به منظور استخراج الگوي حرارتي شهر و همچنين تهيه نقشه هاي کاربري براي پايش تغييرات کاربري شهر شيراز در بازه زماني ٢٤ساله به کار رفتند.تصاوير منطقه عمومي شيراز با شماره رديف ١و گذر٣٩٢-١٦٣در سيستم جهاني WRS قرار گرفته اند.تعداد سطر و ستون فريم اصلي به ترتيب ٦٣١٦و ٦٨٣٨است .
براي استخراج نقشه حرارتي از باند ٢-٦( High Gain)با قدرت تفکيک ٦٠متر در نادير سنجنده +ETM و باند ٦سنجنده TM تهيه گرديد.سنجنده +ETM امکان تحصيل داده هاي تصويري را از ناحيه طيفي مرئي تا مادون قرمز حرارتي ، در ٨باند ميسر مي سازد، که باند ٦از سنجنده +ETM مقدار شار تابشي فروسرخ (گرمار)گسيل شده از سطوح را اندازه گيري مي کند (٢٠٠٩ ,.Shakiba et al).

تصاوير بالا براي تحصيل و تعيين تفاوت هاي دمايي ميان پديده هاي شهري پيچيده مناسب اند و امکان آناليز مؤثر اقليم شهري را فراهم مي سازند ( ,Namdari ٢٠٠٩).در اين پژوهش کوشش شد تصاوير مورد استفاده در شرايط مناسب اقليمي در فصل گرم سال تهيه گردد.
مراحل تهيه تصوير دمايي زمين
الگوريتم اعمال شده براي تحصيل دماي سطح زمين از تصويردر شکل ٢نمايش داده شده است .
الف )محاسبه راديانس طيفي
تصوير حرارتي با بهره بالاي ١اين سنجنده ، با روش پيکسل به پيکسل به ترتيب به دماي سطحي تبديل شد:
تبديل ارزش هاي رقومي به راديانس طيفي براساس مرجع تابش طيفي براساس رابطه (١)است :

تابش طيفي مرجع باند ٦ در DN به ترتيب معادل صفر و ٢٥٥ برحسب است . رقومي هر پيکسل ، Lmin+Bias، مقدار Gain و Bias از Headerfile تصاوير استخراج شده است .
ب) محاسبه دماي روشنايي
تبديل واريانس طيفي به دماي جسم سياه : از رابطه پلانک براي تبديل مقادير تابش طيفي به دماي جسم سياه (BT) استفاده شد:


که در اين رابطه BT دماي روشنايي سنجنده برحسب کلوين K ثابت کاليبراسيون اول معادل ٦٦٦.٠٩ ثابت کاليبراسيون دوم معادل ١٢٨٢.٧١ برحسب کلوين و L راديانس طيفي برحسب است .
پ) محاسبه گسيل مندي سطح ٣ و دماي سطح زمين
نسبت بين گسيلش از يک شي ء به گسيلش از جسمي سياه در دماي ثابت ، گسي مندي (تابندگي ) ناميده مي شود. مقدار گسيل مندي براي تبديل دمايي روشنايي به دماي جنبش سطح ضروري است ، زيرا دماي روشنايي به دست آمده از معادل ه (٢) دمايي است که جسم سياه براي توليد راديانس معلوم در طول موج معلوم (m5 .١١) دارد. از روش هاي مؤثر براي تخمين دماي سطح مدل ترکيبي درصد پوشش زمين است ، با اين فرض که خاک و پوشش گياهي مقدار گسي مندي معيني دارند و با توجه به درصد پوشش خود ترکيب مي شوند (شکيبا و همکاران ، ٢٠٠٩، ٤٢). مقدار درصد پوشش گياهي با استفاده از NDVI محاسبه مي شود. در اين روش ، آستانه گذاري NDVI مورد استفاده قرار مي گيرد.
١. NDVI<٠٢: در اين مورد پيکسل مربوط به خاک خشک و مقدار گسيل مندي آن براساس آناليز کتابخانه اي نمونه هاي خاک براي باند حرارتي لندست ٠.٩٧٨ است .
٢. NDVI>٠٥: پيکسل هاي باارزش NDVI
بزرگ تر از ٠.٥ مناطق با پوشش گياهي کامل و مقدار ارزش ثابت براي گسيل مندي ٠.٩٨٥ تخمين زده شده است .
٣. ٠.٥. NDVI .٠.٢ در اين مورد پيکسل ترکيبي است .
ت) محاسبه NDVI
٤. براي محاسبه NDVI از دو باند قرمز و فروسرخ نزديک استفاده گرديد، تا شاخص اختلاف گياهي بهنجار شده از معادله (٣) حساب شود. الگوريتم اعمال شده براي محاسبه شاخص بهنجار شده پوشش گياهي در محيط نرم افزار ERDAS در شکل (٣) به نمايش درآمده است .

در پايان پس از تصحيح تصاوير حرارتي و محاس ه گسيل مندي دماي سطح زمين با استفاده از رابطه (٤) محاسبه مي شود.
رابطه (٤)

طول موج راديانس ساطع شده ثابت پلانک c سرعت نور
k ثابت استفان بولتزمن و گسيلمندي است . سرانجام به منظور تبديل داده ها، تغيير واحد از درجه کلوين به درجه سلسيوس با رابطه (٥) انجام پذيرفت :

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید