مقاله مروری بر روشهای محاسبه تبخیر - تعرق با استفاده از سنجش از دور

بخشی از مقاله

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

مروری بر روشهای محاسبه تبخیر - تعرق با استفاده از سنجش از دور

چکیده
تبخیر- تعرق گیاهان یکی از متغیرهای اصلی در محاسبه بیلان آب و انرژی سطح زمین محسوب میگردد. اغلب مدلهای موجود جهت محاسبه این مؤلفه، غیر مکانی بوده و غالباً با استفاده از دادههای نقطهای و مقادیر توصیه شده برای پارامترهایی مانند ضریب گیاهی، نسبت به برآورد تبخیر- تعرق اقدام مینمایند. برای حل مشکل فوق، روشهای مختلفی برای برآورد تبخیر- تعرق بوسیله دادههای سنجش از دور ارائه شده است که عموماً روشهای تجربی نظیر روابط ساده شده بوسیله تابشهای فرو سرخ (TIR) گرفته تا روشهای ترکیبی پیچیده نظیر((SVAT را شامل میگردد. تمامی این روشها نیازمند تصاویر ماهوارهای در پهنه گستردهای از پوشش گیاهی میباشد که ضمن دارا بودن توان تفکیک زمانی بالا، دارای توان تفکیک مکانی مناسب نیز باشد. این مقاله به بررسی خصوصیات سنجندههای موجود و روشهای مختلف و متداول برآورد تبخیر- تعرق بر پایه اطلاعات این سنجندهها پرداخته است. همچنین مزایا و معایب استفاده از هر یک از تصاویر نیز ارائه شد.
واژههای کلیدی: تبخیر-تعرق، سنجش از دور

-1 مقدمه
تبخیر-تعرق گیاهان یکی از متغیرهای اصلی در محاسبه بیلان آب و انرژی سطح زمین محسوب میگردد. پایش میزان و چگونگی توزیع تبخیر-تعرق مرجع و گیاه جهت مدیریت بهینه منابع آب، برنامهریزی آبیاری در شبکههای آبیاری و محاسبه راندمان کشاورزی مهم به نظر میرسد. موجودیت آب، میزان انرژی موجود و شرایط لازم جهت حرکت بخار آب از سطح زمین، به عنوان سه عامل اصلی در کنترل تبخیر-تعرق محسوب میگردند. این عوامل به متغیرهای دیگری مانند رطوبت خاک، دمای سطح زمین، دمای هوا، پوشش گیاهی، فشار بخار هوا و سرعت باد بستگی دارند که خود نیز به صورت پیوسته در حال تغییر میباشند.
امروزه مدل توصیه شده FAO 56 در تعداد زیادی از کشورها مورد استفاده قرار میگیرد. این روش مبتنی بر محاسبه تبخیر-تعرق گیاه مرجع در شرایط استاندارد میباشد. از آنجایی که تبخیر- تعرق واقعی تحت تأثیر پارامترهای مختلف از قبیل فاکتورهای گیاهی، شرایط مدیریتی و محیطی قرار دارد که همگی تابع تغییرات مکانی و زمانی می-باشند، لذا کاربرد این روش در سطوح بزرگ تا حدودی بحث برانگیز میباشد. از اینرو دقت روشهای کلاسیک محاسبه تبخیر-تعرق گیاهان برای استفاده در یک سطح وسیع ممکن است مناسب نباشد و در نتیجه کاربرد کمتری دارند (دومنیکو و همکاران، .(2005 بنابراین تلاش میگردد تا تبخیر-تعرق گیاهان در مناطق با وسعت زیاد از روش-های دیگری که دارای دقت بالاتری هستند، محاسبه گردد. رویکرد عمومی برای محاسبه پارامترهای مورد نیاز جهت محاسبه تبخیر-تعرق گیاهان در این مناطق، استفاده ترکیبی از دادههای سنجش از دور و اطلاعات زمینی میباشد (نیشیدا و همکاران، 2003؛ نورمن و همکاران، .( 2003 تعیین نیاز آبی محصولاتی که دچار بیماری شدهاند، برنامهریزی منابع آب برای مزارع بزرگ، تعیین ضریب Kc برای محصولات منحصر به فرد یک منطقه از جمله کاربردهای خاص تخمین تبخیر-تعرق به وسیله سنجش از دور میباشند(هانساکر و همکاران، .(2007 در تمامی این موارد تصاویر ماهوارهای با دوره زمانی مناسب جهت تعیین تبخیر-تعرق در سطوح مختلف بهکار برده میشود که این امر به وسیله تخمین نقطهای تبخیر-تعرق در سطح زمین امکانپذیر نمیباشد (ادوارد و همکاران، .(2010
نقشههای تبخیر -تعرق واقعی گیاهان که با استفاده از دادههای تصاویر ماهوارهای تولید شدهاند دارای دقت کافی و قابل اطمینان جهت طراحی و مدیریت فعال در ارزیابی عملکرد پروژههای آبیاری میباشند (آلن و باستینسن، .(2005 قابل ذکر است میزان دقت تبخیر-تعرق محاسبه شده از طریق اطلاعات تصاویر ماهوارهای، تابع توان تفکیک مکانی1، زمانی2، طیفی3 و رادیومتری4 میباشد. اصولا توسعه و گسترش تولید نقشههای پوشش گیاهی با استفاده از تصاویر ماهوارهای در سطح منطقهای چالش برانگیز می باشد زیرا نیازمند تصاویر ماهواره ای در پهنه گستردهای از پوشش جغرافیایی بوده که ضمن دارا بودن توان تفکیک زمانی بالا و توان تفکیک مکانی مناسب نسبت به ابعاد زمین، لازم است با کمترین هزینه در دسترس باشد (واردلو و همکاران، .(2007

در دهه گذشته گامهای موثری در استفاده از سنجش از دور برای تولید نقشه پوشش گیاهی در سطوح کوچک و بصورت محلی با کمک تصاویر ماهوارههایی از قبیل لندست TM5 و لندست ETM+6 برداشته شده است. بدنبال این پیشرفت، استفاده از تصاویر ماهوارهای با توان تفکیک زمانی بالا جهت تولید نقشه پوشش گیاهی در سطح منطقهای و بینالمللی مورد توجه قرار گرفتکه عموماً سنجنده AVHRR7 از ماهواره NOAA8 کانون توجهات بود ( لو و همکاران، .(2003 به نظر میرسد که تصاویر لندست TM و ETM+ با توجه به توان تفکیک طیفی مناسب باندها و توان تفکیک مکانی 30 متری، بهترین گزینه در جهت طبقهبندی گیاهان در سطح محلی میباشد (وننیل و همکاران، 2005؛ ون-نیل و مکویکار، .(2004
استفاده از اطلاعات ماهواره لندست و سنجندههای شبیه به آن مانند SPOT9 برای سطوح بزرگ (مقیاس منطقهای) توسط عوامل محدود کننده از قبیل هزینه بالا، عدم پیوستگی زمانی دریافت تصاویر، تعدد بالای فرآیند پردازش تصاویر با توجه به تعداد بالای تصاویر، دریافت تصاویر با کیفیت مناسب (عدم ابرناکی بودن تصاویر) و ...
محدود می گردد (دیفریز و بلوارد، .(2000 تصاویر سنجنده MODIS10 از ماهواره TERRA با توان تفکیک مکانی متوسط فرصت مناسبی را برای طبقهبندی پوشش زمین در مقیاسهای منطقهای و ملی فراهم آورده است (جاستیک و تاونشند، .(2002 خلاصهای از خصوصیات سنجندههای مورد استفاده در زمینه آبیاری و زهکشی در جدول (1) ارائه شد.

-2 انواع روشهای محاسبه تبخیر-تعرق با استفاده از RS
روشهای مختلفی جهت تخمین تبخیر-تعرق مرجع و گیاه با استفاده از تصاویر ماهوارهای توسعه یافته است که هر یک دارای پیچیدگی خاص خود میباشد. بطور کلی این روشها را میتوان در چهار گروه زیر طبقه بندی کرد.
- روشهای مستقیم تجربی
- روشهای مبتنی بر شاخصهای گیاهی
- روشهای قطعی
-روشهای مبتنی بر بیلان انرژی

-1-2 روشهای مستقیم تجربی
اساس این روشها، ایجاد مدل تجربی مابین اندازهگیری همزمان زمینی و اطلاعات تصاویر ماهوارهای میباشد. به عنوان مثال میتوان به مدل تجربی مابین اطلاعات ایستگاههای هواشناسی و باندهای گرمایی1 ماهوارهها جهت تخمین اختلاف درجه حرارت پوشش سطح زمین و هوا (Ts-Ta) اشاره داشت (موران و همکاران، .(1994

-2-2 روشهای مبتنی بر شاخصهای گیاهی (VIs2)
به منظور کاهش اثر عوامل ناخواسته روی اطلاعات پوشش گیاهی و افزایش اطلاعات مربوط به پوشش گیاهی از شاخصهای گیاهی استفاده میکنند. در واقع شاخصهای گیاهی برای متمایز ساختن پوششهای گیاهی با پدیدههای دیگر که توسط تک باندها ممکن نیست بهکار میرود (علوی پناه، .(1382 شاخصهای گیاهی از نسبتگیری بین باندها بهوجود میآیند که روابط ریاضی بین باندها شامل جمع، ضرب، تفریق و تقسیم باندهای طیفی قابل انطباق را شامل میگردد. برای تفکیک پوشش گیاهی از سایر عوارض از سوی پژوهشگران شاخصهای استانداردی ارائه گردیده که در اینجا به معرفی مهمترین این شاخصها در بحث برآورد تبخیر-تعرق میپردازیم.

الف)- شاخص تفاوت گیاهی نرمال شده (NDVI3)
این شاخص پوشش گیاهی را از خاک زمینه جدا نموده و اثرات توپوگرافی را به حداقل میرساند و معیاری خطی در محدودهی -1 تا +1 ایجاد میکند، به طوری که مقدار صفر برای مکانهای بدون پوشش گیاهی، برای نقاطی با پوشش گیاهی متراکم و تاج پوششهای با سبزینگی بالا حد معمول آن 0/1 تا 0/6 ، مناطقی محاط با صخره نزدیک به صفر و برای سطوح حاوی آب مقدار آن منفی است.

که در آن میزان انعکاس پدیده در طول موج باند قرمز، میزان انعکاس پدیده در طول موج باند مادون قرمز نزدیک میباشد.
ب)- شاخص تعدیل شده پوشش گیاهی EVI

که در آن میزان انعکاس پدیده در طول موج باند آبی است.

ج)- شاخص تصحیح شده پوشش گیاهی خاک (SAVI1)
این شاخص با هدف حداقل کردن اثرات خاک در زمینه انعکاسات پوشش گیاهی پیشنهاد شد.

که در آن L فاکتور تصحیح بوده و از صفر برای سطح با پوشش گیاهی بالا تا یک برای سطح با پوشش گیاهی خیلی کم تغییر میکند و برای مناطق با پوشش گیاهی متوسط برابر با 0/5 است.
در روشهای مبتنی بر شاخصهای گیاهی با استفاده از رابطه بین شاخصهای گیاهی از قبیل NDVI و سایر پارامترها، ستادههای ورودی لازم برای تخمین تبخیر-تعرق واقعی محاسبه میگردد. مسلماً تلفیق اندازهگیریهای زمینی جهت تفسیر و تشریح تبخیر-تعرق نیز مفید به فایده خواهد بود. این رویکرد توسط محققین متعددی بکار گرفته شد (آلن و همکاران، 2005؛ نیل و همکاران، .(2005
چودهاری (1994) با بررسی روابط میان Kc، ETc و سه شاخص گیاهی و مقایسه ETc بدست آمده با مشاهدات لایسیمتر در 19 نوع خاک مختلف، معنیدار بودن ارتباط خطی میان ETc و شاخصهای گیاهی NDVI را با r2=0/81 و r2=0/88 برای شاخص SAVI گزارش داد.

-3-2 روشهای قطعی
این روشها معمولاً بر اساس مدل های پیچیدهای از قبیل مدل انتقال خاک، گیاه و اتمسفر((SVAT2 و یا مدل سه-بعدی PBL3 که بیلان انرژی اجزاء متفاوت، بدون در نظر گرفتن فرضیات، بنا نهاده شدهاند. این روشها در کنار دقت بالایی که دارند نیاز به پارامترهای ورودی فراوانی داشته و به جهت پیچیده بودن، برای اجرا به CPU با سرعت پردازش بالا احتیاج دارند. سنجش از دور در تمامی بخشهای مختلف مدل چه بعنوان پارامترهای ورودی و چه در فرآیند شبیهسازی که هدف تولید و محاسبه تبخیر و تعرق می باشد، مورد استفاده قرار می گیرد (کورالت و همکاران، .(2003

روشهای SVATعموماً به اطلاعات کاملی همچون ساختار گیاهی (شاخص سطح برگ LAI4 و ارتفاع)، خصوصیات خاک و گیاه در برابر جذب و بازتابش نور، ویژگیهای فیزیولوژیکی گیاه (مانند انتقال آب از خاک به گیاه)، خصوصیات خاک در انتقال حرارت و آب، همچنین وضعیت اتمسفر (دمای هوا، میزان رطوبت هوا، سرعت باد و ...) نیاز دارند. این روشها عموماً برای سطوح همگن طراحی شدهاند. با این وجود در مقیاسهای فضایی مختلفی بهکار برده میشوند. از یک سطح همگن گرفته تا یک شبکه وسیع که شامل تغییرات جوی مختلفی نیز میباشد (آلبرت و همکاران، .(1999

-4-2 روشهای مبتنی بر بیلان انرژی سطح
الگوریتم روشهای مبتنی بر بیلان انرژی سطح (SEB5) بر ترکیب مدلهای تجربی و فیزیکی با در نظر گرفتن فرضیات ساده کننده، استوار میباشد. بنابراین بیشتر مدلهای کاربردی (از قبیل S-SEBI، SEBAL و ...) با استفاده مستقیم از تصاویر ماهوارهای میزان اختلاف دمای هوا و دمای زمین را محاسبه و بطور غیر مستقیم تبخیر-تعرق گیاه را محاسبه می نمایند (اینوی، .(2003
تخمین میزان تبخیر-تعرق مرجع (متناظر با گرمای نهان تبخیر (LE از طریق سنجش از دور، بر ارزیابی بیلان انرژی خصوصیات سطوح مختلف از قبیل ضریب آلبیدو، شاخص سطح برگ، پوشش گیاهی و دمای سطح (TS) استوار می باشد. بهطور کلی معادله بیلان انرژی در یک لحظه مطابق زیر میباشد.

که در آن Rn تشعشع خالص لحظهای قابل دسترس در سطح زمین، LE جریان گرمای نهان تبخیر، H جریان گرمایی محسوس و G جریان گرمایی خاک میباشد.
میزان تشعشع خالص لحظهای در سطح زمین تابع میزان تشعشع لحظهای خورشید (Rg)، تشعشع لحظهای اتمسفری در محدوده طیف گرمایی (Ra)، ضریب بازتاب سطح ( s )، ضریب تابش سطح ( ( s و دمای سطح (Ts) میباشد (دومنیکو و همکاران، .(2005

بدیهی است میزان تشعشع خالص دریافتی در سطح زمین صرف انتقال و تبدیل در سطح خاک و گیاه خواهد شد. برای محاسبه جریان گرمائی محسوس به مؤلفههای مختلفی از جمله مقاومت آئرودینامیک (ra) بین سطح و ارتفاع مبنا (Za) (معمولا در ارتفاع 2 متری)، دمای پوشش سطح زمین (Ts)، دمای هوای اطراف (Ta)، چگالی هوا (ρ) و گرمای ویژه هوا در فشار ثابت (cp) نیاز می باشد (دومنیکو و همکاران، .(2005

مقاومت آئرودینامیک تابع طول زبری موثر برای انتقال مومنتم، طول زبری موثر برای انتقال گرما و بخار آب، سرعت باد، ارتفاع گیاه و شرایط پایداری اتمسفر میباشد.
بنابراین با صرف نظر از تأثیر دمای سطح (Ts) در میزان مقاومت آئرودینامیک میتوان گفت که جریان گرمای نهان
تبخیر (LE) دارای رابطه خطی با دمای سطح میباشد.

رابطه اخیر استفاده زیادی در تخمین میزان جریان گرمای نهان تبخیر لحظهای دارد. اگر این تخمین در نیمروز صورت گیرد، می تواند یک شاخص خوبی برای برنامهریزی آبیاری محسوب گردد. اما زمانی که اندازهگیریها در دوره زمانی طولانیتر باشد (چند روزه، ماهانه، فصل)، استفاده از اندازهگیریهای زمینی برای میانیابی این شاخص لازم میباشد (دومنیکو و همکاران، .(2005
نسبت تبخیر-تعرق لحظهای (EF) بیان کننده نسبت میزان جریان گرمای نهان تبخیر به میزان انرژی قابل تبدیل میباشد. این نسبت تقریبا در طی روز ثابت بوده و بنابراین با یک و یا دو (بستگی به زمان برداشت ماهواره) تخمین از این نسبت در طی روز، مطابق رابطه زیر میتوان میزان تبخیر-تعرق واقعی روزانه را برآورد نمود (کراجو، .(2000

که در آن Rn تشعشع خالص لحظهای قابل دسترس در سطح زمین، LE جریان گرمای نهان تبخیر، G جریان گرمایی خاک، ETact 24 تبخیر-تعرق واقعی روزانه (mm.day-1)، EF نسبت تبخیر-تعرق لحظهای، Rn24 تشعشع خالص روزانه در سطح زمین (w.m-2)،  گرمای نهان تبخیر (j.kg-1) و w جرم حجمی آب (kg.m-3) میباشد.

به طور کلی روشهای مبتنی بر بیلان انرژی سطح (SEB) را میتوان به سه گروه تقسیمبندی کرد: الف- روشهای تک منبعی ب- روشهای دو منبعی ج- روشهای ذوزنقهای یا مثلث

الف- روشهای تک منبعی
ویژگی بارز روشهای تک منبعی یکپارچه فرض کردن سطح زمین است. روشهایی همچون SEBI1، SEBAL2، )S-SEBI3ساده شده (SEBI، SEBS4، METRIC5 و ... روشهای معمول تک منبعی بیلان انرژی سطح میباشند که بر پایه مقایسه بین محدوده خشک و تر بنا نهاده شدهاند تا میزان ET و EF را برای هر پیکسل تصویر جداگانه و از روی ضریب تبخیر به همراه پارامترهای سطحی بهدست آمده از دادههای سنجش از دور و مقادیر بهدست آمده از اندازهگیریهای زمینی در سطح محلی یا منطقهای بهدست آورند (گودوا و همکاران، .(2007 تشخیص محدوده خشک و تر نیزعمدتاً به دو روش انجام میگیرد.
-1 ماکزیمم (یا مینیمم) دمای سطح -2 ماکزیمم (یا نداشتن یا مینیمم) تبخیر-تعرق

در روش SEBI فرض میشود که محدوده خشک با یکسری از پارامترهای مرزی مشخص (همچون دما، سرعت باد، میزان رطوبت هوا و ...) تبخیر- تعرقی برابر با صفر دارد. بنابراین میزان گرمای در دسترس برابر میشود با انرژی دریافتی سطح از خورشید (ژآاو و همکاران، .(2009
روشهای SEBAL، SEBS و S-SEBI هم بر پایه همین اصل روش SEBI گسترش پیدا کردند. تفاوت اساسی میان هرکدام از این روشها و باقی روشهای رایج تک منبعی، تفاوت در نحوه محاسبه شار گرمای در دسترس و یا میزان دقت در تشخیص محدوده خشک (که دارای ماکزیمم گرمای قابل دسترس و مینیمم گرمای پنهای) و تر (که دارای مینیمم گرمای قابل دسترس و ماکزیمم گرمای پنهان میباشد)، همچنین نحوه درونیابی میان حدود بالایی و پایینی هر پارامتر جهت محاسبه شار گرمای قابل دسترس چه پارامترهای بهدست آمده از سنجش از دور نظیر: Ts، ضریب آلبیدو، NDVI، LAI، Fr6 و یا پارامترهای بدست آمده از اندازهگیریهای زمینی نظیر: دمای هوا، سرعت باد، میزان رطوبت هوا، ارتفاع پوشش گیاهی و ... . همچنین فرض اساسی و مشترک میان روشهای ذکر شده فرض عدم وجود تغییرات جوی (خصوصاً انرژی قابل دسترس) میباشد (ژآاو و همکاران، .(2009 در ادامه بدلیل جامعیت و اهمیت