بخشی از مقاله
چکیده
رطوبت سطحی خاک بر امنیت غذایی، سلامت انسان و عملکردهای اکوسیستم تأثیر مستقیم دارد. همچنین نقشی مهم را در توسعه و پایستگی رخدادهای مخرب آب و هوایی نظیر خشکسالی، سیل و امواج گرمایی ایفاء میکند. تاکنون مطالعاتی زیادی در زمینه بررسی رطوبت خاک با استفاده از سنجش از دور صورت گرفته است که در تمامی آنها از تصاویر ماهوارههای LANDSAT8, MODIS و... استفاده شده است که در هریک از تصاویر حاصل از سنجندههای این ماهوارهها، یک باند خاصی توانایی برآورد رطوبت خاک را دارد اما از ماهواره هایی که به صورت اختصاصی صرفاً برای پایش رطوبت خاک در مقیاس جهانی به فضا پرتاپ شده است همانند ماهواره SMAP متعلق به سازمان فضایی آمریکا که در ژانویه سال 2015 ارسال گردید استفاده نشده است.
در این پژوهش تلاش بر این است که دادههای ماهواره SMAP برای پایش تغییرات مکانی رطوبت سطحی خاک در حوزه آبخیز سیمینه و زرینه منطقه نیمهخشک در شمالغربی ایران مورد بررسی قرار گیرد. بدین منظور درصد رطوبت حجمی با دقت 0/04 سانتی متر مکعب بر سانتی متر مکعب از دادههای ماهوارهای استخراج گردید. به ترتیب 0/123 و 0/415 حداکثر و حداقل رطوبت حجمی خاک در منطقه میباشد. نقشه پراکنش رطوبت سطحی خاک در منطقه تهیه گردید و نتایج نشان داد که با گذشت زمان از اوخر فروردین ماه در حوزه آبخیز مورد مطالعه در نواحی شمالی و شمالغربی با توجه به نوع کاربریهای غالب آن شدت کاهش رطوبت با سرعت بیشتری روبرو است.
مقدمه
رطوبت سطحی خاک بر امنیت غذایی، سلامت انسان و عملکردهای اکوسیستم تأثیر مستقیم دارد. همچنین نقشی مهم را در توسعه و پایستگی رخدادهای مخرب آب و هوایی نظیر خشکسالی، سیل و امواج گرمایی ایفاء میکند. به هرحال مطالعات پراکنده و نامتوازن توزیع مکانی رطوبت سطحی خاک هنوز با چالشهای زیادی روبرو است. مأموریتهای مختلفی از طریق پرتاب ماهوارهها به فضا برای مطالعه و پایش رطوبت خاک با استفاده از تکنیک سنجش از دور صورت گرفته است. در دو دهه گذشته مطالعات گوناگون نشان دادند که رطوبت سطحی خاک به وسیله ماموریتهای ماهواره-ای با امواج غیرفعال قابل برداشت میباشد این اقدامات از قبیل مأموریت رطوبت خاک و شوری اقیانوس1، مأموریت رطوبت خاک فعال / غیر فعال2، مأموریت حسگر ویژه میکروویو/تصویربردار3 و مأموریت اسکن رادیومتر پیشرفته مایکروویو4 میباشند.
هم اکنون رطوبت سطحی خاک از تمامی مأموریتهای با امواج غیرفعال قابل برداشت هستند. به هرحال به عنوان نتیجه الگوریتمهای مختلف استفاده شده برای دادههای متفاوت ماهوارهای، کیفیت و پیوستگی میکروویو غیرفعال رطوبت سطحی خاک در زمان و مکان قابل قبول میباشد. دادههای رطوبت خاک ماهواره SMAP دریافت شده از سنسورهای موجود بامشاهدات زمینی همزمان مورد مقایسه و ارزیابی قرار گرفته اند . - Das et al., 2016 and Leroux et al., 2016 - یی و همکاران - 2016 - به پایش و ارزیابی رطوبت خاک برای اعتبار سنجی دادههای ماهوارهSMAP با دقت مکانی 3 کیلومتر برای اندازهگیری رادار، 9کیلومتر برای اندازهگیری رادار-رادیومتر و 36 کیلومتر برای اندازهگیری رادیومتر پرداختند.
ژنگ و همکاران - - 2016 به ارزیابی دادههای رطوبت خاک رادیومتر ماهواره SMAP در مقابل اندزهگیریهای زمینی جمع آوری شده از شبکههای مختلفی که شامل پوشش گیاهی، اقلیم و شرایط سطح اراضی متفاوت بودند پرداختند نتایج نشان داد که دادههای رطوبت خاک ماموریت SMAP تطابق خوبی با اندازهگیری های زمینی داشتند. رطوبت خاک در مکان و زمان به شدت متغیر است به طوریکه در مقیاس مکانی از چند سانتیمتر تا چندین کیلومتر و در مقیاس زمانی از چند دقیقه تا چند سال تغییر پذیری دارد.
- . - Zhu et al., 2012 برخی مطالعات تغییرات مکانی رطوبت خاک را در مقیاس مزرعهای - Bell et al., 1980; Nielsen et al., 1973 - ، در مقیاس حوزه آبخیز - Rosenbaum et al., 2012; Western et al., 2004 - ، در مقیاس محلی - Romshoo, 2004; Zhao et al., 2013 - و در مقیاس قارهای - Entin et al., 2000; Li and Rodell, 2013 - ، بررسی کردهاند. وسترن و همکاران - - 2002 گزارش کردند که تکنیکهای مختلف برای برقراری ارتباط بین تغییرپذیری رطوبت خاک و مقیاس وهمچنین ایجاد تمایز بین تکنیکهای پایه با تأکید بر ویژگیهای توزیعهای آماری و همبستگی مکانی در دسترس هستند.
نخستین ماموریت ماهوارهایکه به طور اختصاصی به پایش رطوبت خاک در مقیاس جهانی میپردازد در نوامبر 2009 ماهواره SMOS - رطوبت خاک و شوری دریا - توسط سازمان فضایی اروپا - Kerr et al., 2001 - و دیگری ماهواره SMAP - رطوبت خاک فعال و غیر فعال - توسط سازمان فضایی ناسا ایالات متحده امریکا - Entekhabi et al., 2008 - در ژانویه سال 2015 به فضا پرتاب شده است. علاوه بر این چند سنجنده ماهوارههای غیر اختصاصی دیگری برای رطوبت خاک در دسترس می باشد. - Brocca et al., 2010 -
تاکنون مطالعاتی زیادی در زمینه بررسی رطوبت خاک با استفاده از سنجش از دور صورت گرفته است که در تمامی آنها از تصاویر ماهوارههای LANDSAT8, MODIS و... استفاده شده است که در هریک از تصاویر حاصل از سنجندههای این ماهوارهها، یک باند خاصی توانایی برآورد رطوبت خاک را دارد اما از ماهواره هایی که به صورت اختصاصی صرفاً برای پایش رطوبت خاک در مقیاس جهانی به فضا پرتاپ شده است میتوان به ماهواره SMAP متعلق به سازمان فضایی آمریکا که در ژانویه سال 2015 ارسال گردید است اشاره کرد. این ماهواره هم اکنون هر سه روز یکبار تغییرات رطوبت کل زمین را پایش میکند استفاده نشده است. در این پژوهش تلاش بر این است که دادههای ماهواره SMAP برای پایش تغییرات مکانی رطوبت سطحی خاک در حوزه آبخیز سیمینه و زرینه منطقه نیمهخشک در شمالغربی ایران مورد بررسی قرار گیرد.
مواد و روشها
منطقه مورد مطالعه حوزه آبخیز سیمینه-زرینه واقع در شمالغربی کشور می باشد که مساحتی حدود 25 هزار کیلومتر مربع را در بر میگیرد. این پهنه، محدودهای جغرافیایی از 35 درجه و 40 دقیقه و 16 ثانیه تا 37 درجه و 45 دقیقه و 27 ثانیه عرض شمالی و 46 درجه و 24 دقیقه و 53 ثانیه تا 47 درجه و 23 دقیقه و 50 ثانیه طول شرقی را در بر میگیرد. ارتفاع منطقه از 1250 تا 2170متر از سطح دریا متغیّر میباشد آب و هوای منطقه مورد مطالعه استپی خشک با تابستانهای گرم و زمستانهای سرد است. این منطقهدر زمستان سرد و و روزهای زمستانی آن طولانی بوده که معمولاً تا اواخر اسفندماه ادامه دارد. مهمترین گیاهان زراعی در منطقه مطالعاتی میتوان به گندم، جو، یونجه، ذرت، چغندر، کلزا، برخی از محصولات صیفی و جالیزی، و پارهای از محصولات باغی مانند درختان میوه نظیر سیب، هلو و بادام اشاره کرد. شکل 1 منطقه مورد مطالعه را نشان میدهد.
شکل-1 منطقه مورد مطالعه
برای پایش تغیرات مکانی و زمانی رطوبت خاک نیاز به دادههای ماهواره SMAP از منطقه مورد مطالعه در بازه های زمانی سه روزه میباشد. این ماهواره که در سال 2015 با هدف اختصاصی پایش تغییرات رطوبت خاک کره زمین در بازههای زمانی سه روز یکبار نواحی شمالی و دو روز یکبار نواحی استوایی به فضا پرتاب شده است در یک مدار خورشید آهنگ و با ارتفاع 680 کیلومتر از سطح زمین در حال چرخش به دور زمین است. این ماهواره هر روز راس ساعت شش صبح و شش بعد از ظهر از استوا عبور می کند و پهنای نوار آن حدود 1000 کیلومتر میباشد. همچنین قادر است که تغییرات رطوبت خاک را تا دو اینچ از سطح زمین، پایش کند.
این ماهواره دارای قدرت تفکیک مکانی حدود 6 مایل 9 - کیلومتر - و زمانی سه روزه میباشد. به همین منظور در اواخر فروردین 1396 دادههای این ماهواره دریافت و مورد پردازش قرار گرفتند. در کل منطقه حدود 582 نقطه مطالعاتی تعیین گردیدند. میزان رطوبت این نقاط توسط دادههای ماهواره ای مشخص گردید و شکل 2 نقشه پراکنش نقاط پیشبینی رطوبت سطحی خاک در منطقه را نشان میدهد. جدول زیر تعداد نقاط و درصد کاربریهای منطقه مورد مطالعه را نشان میدهد.
