بخشی از مقاله
نقش سنجش از دور ماهواره اي در ارزیابی فرسایش آبی
چکیده
فرسایش آبی بر روي تولید کشاورزي و منابع طبیعی، ساخت و سازها و کیفیت آب در مقیاس هاي مختلف اثر منفی بر جا می گذارد.
ارزیابی فرسایش آبی در مقیاس منطقه اي داراي اهمیت بسیار بالایی است اما این ارزیابی به علت نبود و یا عدم دسترسی به داده ها و کیفیت نامناسب آنها با محدودیت روبروست. سنجش از دور ماهواره اي و داده هاي حاصل از ایـن تکنولـوژي مـی توانـد بـا فـراهم
آوردن داده هاي مکانی در ابعاد وسیع در چنین ارزیابی هایی نقش اساسی داشته باشد. در طـول 30 سـال گذشـته مطالعـات مختلـف
کارایی این داده هاي سنجش از دور را به خوبی نشان دادند. هدف مقاله حاضر، مروري بـه روشـهایی مـی باشـد کـه بـراي ارزیـابی
فرسایش آبی با استفاده از سنجش از دور ماهواره اي بکار گرفته شده اند (برگرفته از مقاله مروري وریلینگ در سال 2006 و مطالعات دیگر در زمینه فرسایش خاك). ابتدا به مطالعاتی اشاره می کند که به شناسایی فرسایش آبی پرداخته و در ادامه فاکتورهاي کنترل کننده فرسایش آبی را مورد ارزشیابی قرار می دهد. چهار نوع از فاکتورها در اینجا بحث می شوند که عبارتنـد از توپـوگرافی، خـصوصیات خاك، پوشش گیاهی و فعالیت هاي مدیریتی. سپس روش هاي ارزیابی دقت نقشه هـاي فرسـایش آبـی کـه بـا اسـتفاده از داده هـاي
ماهواره اي تهیه شده اند مورد بحث قرار می گیرند. طبق نتایج حاصل از مطالعات، مهمتـرین نگرانـی در نقـشه بنـدي فرسـایش آبـی
کمبود داده ها در تعیین صحت این نقشه هاست. مورد دیگري که باید به آن توجه داشت همکاري نزدیک بین جامعه سـنجش از دور
æ دانشمندان متخصص در زمینه هاي فرسایش آبی است. همکاري نزدیک این دو گروه می تواند در پایش و ارزیابی سریع، کم هزینه
æ بروز فرسایش آبی در مقیاس منطقه اي کمک شایانی نماید.
واژهبی،هاي کلیدي: فرسایشی آ فرسایش خاك، تخریب اراضی، سنجش از دور ماهواره اي
مقدمه
فرسایش خاك توسط آب مهمترین مشکل تخریب اراضی در سطح جهان است (اسـواران و همکـاران، .(2001 اگرچـه برخـی از
مطالعات تأثیر فرسایشی آبی را بر روي امنیت غذایی در جهان مورد سوال قرار می دهند (لومبـورگ، (2001، فرسـایش آبـی حـداکثر
اثرات محیطی و اقتصادي خود را بر روي تولید کشاورزي و منابع طبیعی، ساخت و سـاز و کیفیـت آب مـی گـذارد (لـل، 1998از).
طرف دیگر مطالعات اخیر نشان داده اند که در اثر گرم شدن کره زمین انتظار می رود که میزان فرسایش آبی افزایش یابـد (نیرینـگ و همکاران، .(2004
فرسایش آبی بوسیله خصوصیات اقلیمی، توپوگرافی، خصوصیات خاك، پوشش گیاهی و مدیریت اراضی کنترل می گردد. از هـم
پاشیدگی ذرات خاكمعمولاً بوسیله قطرات باران و نیروي حاصل از جریان آ ب حاصل می شود. ذرات پراکنده شده توسـط جریـان
سطحی ( فرسیاش سطحی) و جریان متمرکز شده ( فرسایش شیاري) حمل و در اثر کاهش نیروي آب و سرعت آن رسوبگذاري مـی نماید. در اثر ادامه فرسایش، فرسایش هاي آبی دیگر مانند فرسایش آبراهه اي و هزار دره نیـز ممکـن اسـت رخ دهنـد. بـراي کنتـرل
فرسایش آبی، اندازه گیري هایی زیست- فیزیکی در مقیاس هاي منطقه اي یا حوزه آبخیز مورد نیاز می باشـد. ولـی آنچـه کـه قابـل
اهمیت است این است که براي حفاظت از منابع و برنامه ریزي هاي مدیریتی، فرسایش آبی بایـد در مقیـاس منطقـه اي مـورد انـدازه
گیري و ارزیابی قرار گیرد. یک محدودیت مهم در این نوع ارزیابی ها، عدم وجود داده هاي کافی و کیفیت نامناسب آنهاست (روپایی
و گاورس، .(2002 سنجش از دور داده هاي همگن از مناطق وسیع و با قابلیت تکرار پذیري منظم فراهم می آورد و بنابراین می تواند بعنوان ابزاري مناسب در ارزیابی فرسایش آبی در مقیاس منطقه اي بکار گرفته شود (سـیاکیو و اوگوشـی، .(2000 در طـول 30 سـال
گذشته مطالعات زیادي از تصاویر ماهواره اي به طور کامل یا همراه با داده هاي دیگر براي ارزیـابی فرسـایش خـاك بـه شـیوه هـاي
مختلف استفاده نموده اند. هدف مقاله حاضر مروري است بر روشهایی که از داده هاي ماهواره اي براي ارزیابی فرسایش آبی اسـتفاده
کرده اند. اگرچه داده هاي سنجنده هاي هواپیمایی1 داراي قابلیت بسیار بالا در ارزیابی فرسایش آبی داشته و مـورد اسـتفاده نیـز قـرار
گرفته اند ( به شکلهاي گوناگون مانند داده هاي فرا طیفی2 ، فرامکانی3 و لیزري لیدار( 4 در این مقالـه فقـط کـاربري هـاي داده هـاي
ماهواره اي مورد بحث قرار می گیرد.
ماهواره هاي مورد استفاده در تحقیقات فرسایش
ماهواره هاي منابع زمینی زیادي در اطراف کره زمین در حال گردش هستند که اطلاعات فراوان و مداوم از سطح زمین فراهم مـی آورند. برخی از این ماهواره ها اطلاعاتی را فراهم می کنند که در ارزیابی فرسـایش آبـی داراي اهمیـت بـالاتري مـی باشـند. در ایـن
قسمت یک خلاصه اي از سنجنده هاي فضایی5 که در فرسایش آبی مورد استفاده واقع شده اند ارائه می گردد. از میـان سـنجنده هـا
مختلف، داده هاي سنجنده هاي ماهواره هاي نوري بیشترین سهم را در تحقیقات فرسایش به خود اختصاص داده اند. بخش هـایی از طیف الکترومغناطیسی که بوسیله این نوع سنجنده ها مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از مرئی و مادون قرمز نزدیک با دامنه طیفی بین 0/4 – 1/3 μm ، مادون قرمز کوتاه با دامنه طیفی بین 1/3-3 μm و مادون قرمز حرارتی یا دامنه طیفی بین .3-15 μm جـدول
1 خلاصه اي از ماهواره هایی که در مطالعات فرسایش مورد استفاده قرار گرفته اند را ارائه می نماید.
لندست از جمله ماهواره هایی است که داده هاي آن حداکثر استفاده را در تحقیقات فرسایش داشته است و این استفاده زیـاد مـی
تواند دو علت داشته باشد: یکی اینکه ماهواره اي است که حداکثر داده هاي سري زمانی را در اختیار دارد و دوم اینکه داراي پیکـسل هاي با قدرت تفکیک مکانی متوسط6 می باشد. کوئیک برد و ایکونوس از جمله ماهواره هاي با قدرت تفکیک مکانی بالا مـی باشـند که بترتیب داراي قدرت تفکیک 0/6 و 1 متر در حالت پانکروماتیک و2/44 و4 متر در حالت چند طیفی هستند. مـاهواره هـاي سـريNOAA که داراي سنجنده AVHRR می باشند ا زجمله ماهواره هایی با قدرت تفکیک مکانی پائین 1/1) کیلومتر) مـی باشـند کـه هم در مطالعات منطقه اي و هم جهانی مورد استفاده قرار گرفته اند.
٢
جدول -1 سنجنده هاي ماهواره اي نوري بکار گرفته شده درمطالعات فرسایش (وریلینگ، (2006
تشخیص فرسایش
داده هاي ماهواره اي براي تشخیص مستقیم فرساش و یا اثرات ناشی آن می توانند مورد استفاده قرار گیرند. تشخیص مـستقیم از طریق شناسایی اشکال مختلف فرسایشی، تفکیک اراضی تخریب یافته از تخریب نیافته و ارزیابی شدت فرسایش بر اساس همبستگی
با روشهاي تجربی صورت می پذیرد. از جمله اثرات قابل تشخیص می تواند شامل خسارات ناشی از فرسایش هاي شـدید و وجـود
رسوبات در پشت سدها باشند.
تشخیص اشکال فرسایشی و مناطق تخریب یافته
نقشه بندي اشکال فرسایشی از کاربردهاي مهم عکس هاي هوایی با قدرت تفکیک بالا بوده است، شناسایی این اشکال بـه علـت
وسعت کم آنها با استفاده از تصاویر ماهواره اي با قدرت تفکیک مکانی پایین با محدودیت روبروست. قدرت تفکیک مـاهواره هـایی مانند لندست و اسپات بنظر می رسند که بهترین نوع داده ماهواره اي در تشخیص فرسایش هاي خندقی با اندازه هاي بزرگ و متوسط
باشند (لنگران 1983، میلینگتن و تاونشند .(1984 مطالعه دیگر نشان داده است که براي شناسایی خندق هاي بزرگ در مرکـز برزیـل، داده هاي نوري سنجنده استر1 نتایج بهتري را نسبت به تصاویرENVISAT در شناسایی شکل فرسایش هاي خندقی فراهم می آورد (وریلینگ و رودریگز، .(2004 با حضور ماهواره هاي با قدرت تفکیک مکانی بالا مانند ایکونـوس و کوئیـک بـرد امکـان شناسـایی و پایش اشکال فرسایشی با اندازه هاي کوچک نیز میسر گردیده است. به جاي شناسایی اشـکال فرسـایش آبـی، داده هـاي مـاهواره اي
بطور موثري براي شناسایی و ارزیابی مناطق فرسایش یافته بکار گرفته شده اند. مناطقی که داراي فرسایش بسیار بالا بوده انـد (ماننـد
هزار دره) بکمک تکنیک هاي تفسیر چشمی با استفاده از ترکیب داده هاي سنجش از دور از سنجنده هاي مختلف بخوبی نقشه بندي
گردیده اند(بوکو و همکاران 1991، کومار و همکاران .(1996 با استفاده از عوامل دیگر ماننـد پوشـش گیـاهی و توپـوگرافی تفکیـک
کلاس هاي مختلف فرسایشی نیز میسر گردیده است (دویودي و رمانا 2003، یولیانگ و یان .(2002 تشخیص مناطق فرسـایش یافتـه در روي تصاویر ماهواره اي این امکان را فراهم می آورد تا اینکه امکان پایش فرسایش با استفاده از داده هاي ماهواره اي فراهم گردد.
به علت خطاي انسانی در تفسیر چشمی تصاویر، وقت گیر بودن آن و عدم امکان انجام آنـالیز هـاي آمـاري، بـراي اسـتخراج منـاطق
فرسایش یافته بیشتر مطالعات به استفاده از روشهاي خودکار روي آورده اند. براي مثال با استفاده از طبقه بندي کننـده هـاي مختلـف
مانند روش حداکثر احتمال امکان طبقه بندي مناطق تخریبی از نظر فرسایش به چهار و یا بیشتر وجود داشته است (سروناري و پرات،
.(2003 طبق مطالعات صورت گرفته امکان تفکیک کلاس هاي بیشتر براي مناطق فرسایش یافته زمانیکه از داده هایی با قدرت تفکیک
طیفی1 بالا استفاده گردیده بیشتر از داده هایی با قدرت تفکیک مکانی بالا بوده است.
روش دیگري که می توان از آن در تفکیک کلاس هاي فرسایش مناطق تخریب یافته بهره جست تکنیک آنالیز تحت پیکسل2 مـی باشد. در این روش هر یک از کلاس هاي فرسایشی بعنوان یک عضو پایانی3 در نظر گرفته می شود و از این عضوهاي پایـانی بـراي
تفکیک طیفی مناطق فرسایشی در تصویر ماهواره اي استفاده می گردد. به عنوان مثال مطالعه اي که در بولیوي (مترنیچت و فرمونـت،
(1998 با استفاده داده هاي سنجنده TM ماهواره لندست صورت گرفت، نشان داد که شناسایی اشکال فرسایشی در مقیاس منطقه اي
با استفاده از روش تحت پیکسل مذکور امکان پذیر است
فاکتورهاي کنترل فرسایش
بیشتر مطالعات سنجش از دور در زمینه فرسایش خاك بر اساس ارزیابی فاکتورهاي کنترل فرسایش صـورت پذیرفتـه اسـت و در این میان خصوصیات پوشش گیاهی و خاك اغلب بیشتر از فاکتورهاي دیگر مانند توپوگرافی و مـدیریت مـورد اسـتفاده قـرار گرفتـه
است. در این بخش فقط به بررسی فاکتورهاي ذکر شده می پردازیم و فاکتورهاي دیگر مانند اقلیم در اینجـا مـورد بحـث قـرار نمـی
گیرند.
توپوگرافی
براي مطالعه تاثیر توپوگرافی بر روي فرسایش، شکل اراضی باید تعیین گردد. براي تعیین شکل اراضی از نظر پستی و بلندي نیـاز
به استفاده از داده هاي ارتقاعی هستیم. بطور سنتی تهیه مدل هاي رقومی ارتفاع از طریق خطوط میزان نقـشه هـاي توپـوگرافی و هـم
چنین تا حدودي از عکس هاي هوایی بوده است. در حال حاضر، این مدل ها می توانند از داده هاي ماهواره اي مانند اسپات، اسـتر و
رادار با کیفیت بسیار خوب ( دقت عمودي 20 < متر) بدست آیند. با استفاده از داده هاي راداري که توسـط پـروژه SRTM4 جمـع
آوري گردیده است مدل هاي رقومی ارتفاع کل کره زمین براي مناطق بین 60 درجه شمالی و 57 درجه جنوبی تهیـه گردیـده اسـت، قدرت تفکیک این داده ها در آمریکا حدود 30 متر و در کشورهاي دیگر جهان حدود 90 متر است که بطور رایگان در اختیار استفاده
کنندگان قرار می گیرد (رابس و همکاران، .(2003 تحقیقات زیادي از داده هاي مدل هاي رقـومی ارتفـاع کـه از تـصاویر مـاهواره اي
استخراج شده اند براي مطالعه فرسایش استفاده نموده اند. از جمله این مطالعات می توان نمونه زیر را نام برد که از مدل هاي رقـومی
ارتفاع استخراج شده از تصاویر اسپات براي طبقه بندي کلاس هاي فرسایشی استفاده نمود (بیشاپ و همکاران، .(2001
