بخشی از مقاله
چکیده :
آب روی سطح زمین یکی از مهمترین قسمتهای چرخه هیدرولوژیکی، انرژیهای غیر قابل تعویض و مهم برای رشد بشر و گیاهان است، و اطلاعات واقعی در مورد نحوه انتشار و پخش آن روی سطح زمین بسیار مهم است. برای رسیدن به توزیع مکانی و بسط دادن اطلاعات جغرافیایی در مورد دریاچهها در زمان حال نیازمند شناسایی اثر متقابل هیدرولوژی منطقه و تغییر اقلیم هستیم که برای اینکار می توان از سنجش از دور استفاده کنیم. در سالهای اخیر با پیشرفت علوم ماهواره و سنجش از دور ماهوارهای و سیستم اطلاعات جغرافیایی، امکان تهیه اطلاعات محدودههای منابع آبی در دوره های زمانی مختلف با حداقل زمان و هزینه جهت مدیریت بهینه منابع آب فراهم گردیده است.
هدف این پژوهش ارائه روشی پایدار برای شناسایی سطوح پهنههای آبی از تصاویر ماهواره ای لندست بر مبنای الگوریتم ژنتیک است. برای در نظر گرفتن تنوع پوششی و اقلیمی، تصاویر لندستTM و OLI چند منطقه شامل دریاچه ارومیه، تالاب میانکاله، دریاچه چیتگر و تالاب هامون در کشور ایران انتخاب گردید و برای ارزیابی نتایج حاصله، از تصاویر دارای قدرت تفکیک مکانی بالا مستخرج از Google Earth استفاده گردید.
دو دسته روش، شامل روشهای شاخص مبنا و روش هوش مصنوعی در نظر گرفته شد. شاخصهای طیفی برای شناسایی سطوح آبی از تصاویر ماهوارهای از ترکیب دو یا چند باند طیفی استفاده میکنند. از میان روشهای شاخصمبنا شاخصهای NDVI، SWI، AWEI و الگوریتم ژنتیک جهت تفکیک پهنههای آبی مورد استفاده قرار گرفتند. روشهای شاخص مبنا در مناطق مطالعاتی مختلف در شناسایی سطح آب دارای عملکرد متفاوتی بوده و نتایج پایداری را ارائه نکردند، در صورتی که الگوریتم ژنتیک دارای تنایج پایدارتری بوده و دقت کلی و ضریب کاپا بدست آمده بوسیله این الگوریتم بطور میانگین %97 و %92 محاسبه گردید.
-1 مقدمه
یکی از منابع آبی مهم در هر کشوری پهنههای آبی موجود در آن کشور است، به طوری که اثرات زیست محیطی، اجتماعی، اقتصادی و سلامت تغییرات پهنههای آبی از جمله مباحث مهم در زندگی بشر است .[1] تغییرات اقلیمی به وجود آمده، همراه با برخی عدم تدبیرهای مدیریتی و بخشی نگری در سالهای اخیر منجر به خشک شدن تالابها، دریاچهها و منابع آبی شده است .[2] اولین قدم برای مدیریت پهنههای آبی شناسایی سطح آنها است . [2] سنجش از دور یکی از منابع مهم دریافت و تحلیل اطلاعات منابع روی سطح زمین و بخصوص منابع آب است .[3]
سنجندههای ماهوارهای با قدرت تفکیکهای مکانی، زمانی و طیفی مختلف برای استخراج و شناسایی سطوح آبی مورد استفاده قرار میگیرند .[4] اولین تصاویر ماهواره ای که از آن برای تصویر کردن پهنههای آب و سیلابها مورد استفاده قرار گرفت، تصاویر لندستMSS بود که تصویر برداری خود را از سال 1972 آغاز کرده و از جمله سنجندههای اپتیکی میباشد .[1] این سنجنده به دلیل پوشش جهانی، آرشیو منظم و رایگان، وجود باند طیفی در محدوده جذبی آب برای تهیه نقشه پهنههای آبی مناسب است .[5]
اساس استفاده از روشهای سنجش از دور، شناسایی و آشکار کردن تغییرات پوشش زمین و بخصوص پهنههای آبی با استفاده از تغییر در مقدار رادیانس رسیده به سنجنده در مناطق مختلف تصویر است . [6] یکی از این روشها، روش شاخصهای طیفی است. با استفاده از موقعیت باندهای جذبی و بازتابی در طیف بازتابی عوارض سطح زمین و عوامل بوجود آورنده آنها، میتوان شاخصهایی تعریف کرد که به کمک آن شاخص-ها، اطلاعات مربوط به پهنههای آبی را آشکار سازی نمود . [7] تا کنون شاخصهای طیفی مختلفی برای شناسایی سطح آب از تصاویر ماهوارهای ارائه شده است که مهمترین آنها به همراه حد آستانه مورد استفاده، در جدول - 1 - ارائه شده است.
شاخص گیاهی تفاضلی نرمال شده - - NDVI یکی از سادهترین و پرکاربرد ترین شاخصهای گیاهی است که در شناسایی پهنههای آبی نیز مورد استفاده قرار میگیرد و برای شناسایی سطح آب می توان ازNDVI< 0 استفاده کرد .[8] شاخص - - SWI از جمله شاخصهای شناسایی سطح آب است که برای پهنه های آبی دارای بیشترین مقدار و برای زمینهای خشک دارای کمترین مقدار و به آب داخل خاک عمیق در جنگلهای متراکم نیز حساس میباشد .[9] شاخص اتوماتیک استخراج آب - - AWEI جزو شاخصهایی است که بیشتر برای استخراج پهنههای آب شهری کاربرد دارد .
[10] شاخص AWEI برای تمیز دادن پهنههای آبی از قسمتهای تیره تصویر که به علت وجود ساختمانها در مناطق شهری و وجود ارتفاعات در مناطق کوهستانی ایجاد میشوند، استفاده می شود .[11] حال با توجه به پیچیدگی های موجود در بازتابندگی رسیده به سنجنده از سطح زمین و مشکلات موجود در روشهای شاخص مبنا در شناسایی پهنه های آبی، در این مقاله قصد داریم علاوه بر روشهای شاخص مبنا، امکان استفاده از روش الگوریتم ژنتیک را برای شناسایی پایدارتر سطح آب از تصاویر ماهوارهای لندست مورد بررسی قرار دهیم.
-2-1الگوریتم ژنتیک
ایده بنیادین این الگوریتم از نظریه تکامل داروین آمده است و اولین بار در سال 1975 توسط جان هلند و ریتمن جهت بهینه سازیهای مهندسی ارائه شد .[12] واحد اصلی در الگوریتم ژنتیک کوروموزوم بوده که نشان دهنده هر فرد در مجموعه یا نماینده یک حل از مسئله است .[13] هر کروموزوم نیز از تعداد زیادی ژن تولید شده که در مجموع جمعیت را تشکیل میدهند .[14] در الگوریتم ژنتیک حل مسئله با مجموعهای از راهحلهای تصادفی اولیه تحت عنوان جمعیت اولیه شروع میشود، که هر جمعیت نشان دهنده یک نسل است.
کروموزومها در طی یک فرایند تکراری از نسلی به نسل دیگر تکامل مییابند و وقتی تکامل صورت میگیرد نسل قبلی که به آن نسل والدین گویند از بین رفته و نسل جدید که نسل فرزندان است جایگزین آن میشود . [12] فرایند تبدیل نسل والدین به فرزندان طی مراحل انتخاب1، برای انتخاب کروموزومهای برازندهتر جهت ایجاد نسل جدید و سازگار با محیط؛ برش 2 برای تبادل ویژگیهای کروموزوم انتخاب شده جهت ایجاد کروکوزوم جدید و جهش3 برای جانشین شدن تصادفی ژنها به جای ژن دیگر صورت میگیرد .[14]
در این الگوریتم، در یک جمعیت متشکل از تعداد زیادی کروموزوم باید شانس بقای نسل حاصل از کروموزوم قویتر بیشتر باشد، که برای تعیین شانس انتخاب، باید قویتر بودن کروموزوم با احتمال بقای آن رابطه پیدا کند .[15] اینکار توسط تابع برازش4 یا تابع ارزیابی انجام میگیرد، به طوری که مقدار تابع برازش برای تمام کروموزومها محاسبه شده و سپس احتمال انتخاب مشخصی براساس میزان برازش هریک تعیین میشود .[15]
-2مواد و روش ها
-1-2منطقه مورد مطالعه
در این تحقیق چهار منطقه مطالعاتی شامل: دریاچه ارومیه، تالاب میانکاله، دریاچه چیتگر و تالاب هامون در نظر گرفته شدهاست. اولین منطقه مورد مطالعه دریاچه ارومیه میباشد که در شمال غرب فلات ایران قرار داشته و شورترین دریاچه داخلی ایران است - شکل. - a 1 منطقه دوم مورد مطالعه تالاب میانکاله میباشد که در منتها الیه جنوب شرقی دریاچه خزر قرار دارد - شکل. - b 1
منطقه سوم انتخاب شده دریاچه مصنوعی چیتگر میباشد که در شمال غرب تهران واقع شده است - شکل. - c 1 چهارمین منطقه مورد مطالعه تالاب هامون میباشد که بخش مرکزی و غربی حوزه کل سیستان را تشکیل می دهد - شکل. - d 1 علت انتخاب این چهار منطقه مورد مطالعه بررسی توانایی شاخصها و الگوریتم ژنتیک در شناسایی سطح آب در شرایط متفاوت سطح آب بدون پوشش گیاهی، با پوشش گیاهی و منطقه شهری میباشد. موقعیت جغرافیایی هر 4 منطقه مورد مطالعه در ایران در شکل - 1 - مشخص شدهاست.
