بخشی از مقاله
پايش تغييرات کاربري اراضي با استفاده از تکنيک سنجش از دور (مطالعة موردي : شهرستان شهريار)
چکيده
عدم تعادل فضايي و توسعه فيزيکي ناموزون در گستره مناطق به ويژه در محدودة شهرهاي بزرگ ، باعث شده پايش تغييرات کاربري زمين و هدايت آن در راستاي کاهش آثار سوء در کوتاه مدت و بلند مدت اصلي ترين دغدغه سياست گذاران و برنامه ريزان باشد. هدف از اين تحقيق ، پايش تغييرات کاربري اراضي زراعي شهرستان شهريار با سه روش حداکثر احتمال (MLC)، شبکه عصبي (NNC) و ماشين بردار پشتيبان (SVM)، طي بازة زماني (١٣٦٦- ١٣٨٨) با استفاده از داده هاي رقومي لندست است . نتايج تحقيق نشان داد که توسعه شهري منطقة طي دورة ٢٢ ساله ، روندي افزايشي ولي اراضي کشاورزي روندي کاهشي داشته است . تغييرات کاربري کشاورزي با روش هاي ماشين بردار پشتيبان ، شبکه عصبي و حداکثر احتمال ، نشان داد که اين کاربري به ترتيب به ميزان ٣٧، ٢٦ و ٢٥% کاهش داشته است . همچنين نتايج روش هاي ماشين بردار پشتيبان و شبکه عصبي به ترتيب نشان دهنده افزايش ٥٧ و ٤١ درصدي کاربري هاي شهري بوده ، در حالي که روش حداکثر احتمال ، کاهش ٤ درصدي اين کاربري را نشان مي دهد، که نشان دهنده ضعف برآوردهاي محاسباتي اين روش مي باشد.
مقدمه
کاربري اراضي شامل انواع بهرهبرداري از زمين به منظور رفع نيازهاي گوناگون انسان است (١٠). اطلاع از نسبت کاربري ها در يک محيط شهري و نحوة تغييرات آن در گذر زمان يکي از مهم ترين موارد در برنامه ريزي ها مي باشد. با اطلاع از نسبت تغييرات کاربري ها در گذر زمان مي توان تغييرات آتي را پيش بيني نمود و اقدامات مقتضي را انجام داد. برآوردهاي جديد نشان مي دهد که بيش از ٤٥% جمعيت جهان در شهرها زندگي مي کنند و تا سال ٢٠٣٠ نرخ جمعيت به بيش از ٦٠% مي رسد (٢٩). توسعه فيزيکي شهرها فرآيندي پوياست که طي آن محدوده فيزيکي شهر و فضاهاي کالبدي آن در جهات عمودي و افقي افزايش مي يابد و اگر اين روند سريع و بي برنامه باشد، به ترکيب فيزيکي نامناسبي از فضاي شهري مي انجامد. کاربري زمين تحت تأثير دو مؤلفه نيرومند شکل مي گيرد، نيازهاي انسان و ويژگي ها و فرآيندهاي زيست محيطي (٢٢). هيچ يک از اين مؤلفه ها ثابت باقي نمي مانند، بلکه متناسب با تغييرات ايجاد شده در زندگي تغيير ماهيت مي دهند.
اين تغييرات اگر صحيح و محتاطانه نباشد، منشأ بروز آثار غيرقابل جبراني بر رفاه و آسايش جوامع انساني مي شوند (٢٨). کاهش مساحت زمين هاي زراعي حومه اي ، تخريب پوشش گياهي و افزايش دماي سطحي زمين در مناطق شهري ، پيامدهاي منفي توسعه ي شهري هستند. در زمينۀ تغييرات محيط زيست شهري ، يکي از کليدي ترين دستورالعمل هاي تحقيقاتي ، شناسايي روند تغييرات کاربري اراضي و پوشش گياهي ذکر شده است (١٩). امروزه همجواري مکان استقرار شهرها با اراضي حاصلخيز کشاورزي ، زمينه گسترش فضاي شهري را در داخل و پيرامون اين اراضي ، فراهم آورده است . تداوم اين روند، ناکارآمدي فرم شهر و تخريب اراضي کشاورزي را در پي دارد. تبديل اراضي کشاورزي به کاربري هاي شهري و پيامدهاي آن يکي از مسائل ديرين برنامه ريزي شهري است (٤). دستيابي به شناخت مناسب از روندهاي تکاملي تغييرات کاربري زمين ، مستلزم شناخت جريانهاي فکري مسلط ، در دورههاي زماني است که تأثيرات تعيين کنندهاي بر فرآيند برنامه ريزي کاربري زمين داشته است .
پايش تغييرات کاربري اراضي با پردازش تصوير يکي از جديدترين فن آوريهاي دنيا ميباشد و تقريبا در تمامي سامانه هاي کنترلي از دانش پردازش تصوير براي ارزيابي تغييرات کاربري اراضي استفاده ميشود (٥). يوچيدا (٢٦) با تجزيه و تحليل دلايل تغييرات زماني کاربري اراضي کشاورزي در مناطق نيمه خشک هند، کاربري هاي مستعد براي اهداف کشاورزي را شناسايي نمود. ويس و مکيس (٢٧) نشان دادند که افزايش تقاضا براي کاربري هاي جديد و افزايش شهرنشيني در حومه ها، باعث تغيير کاربري اراضي کشاورزي و تغييرات کالبدي و اقتصادي در روستاهاي پيرامون شده است . لي و يه (١٨) به تحليل مکاني تحولات کاربري اراضي در حوضه هاي شهري با استفاده از سنجش از دور و GIS پرداختند و بيان داشتند که مهم ترين عامل تغيير کاربري اراضي ، گسترش فضايي کلانشهر، توسعه حمل و نقل و توسعه سکونتگاههاي برنامه ريزي شده است .
عبداللهي (١٤) با استفاده از اطلاعات تصاوير ماهواره اي لندست ، در يک بازة زماني ١٢ ساله (١٣٦٩ تا ١٣٨١) به مطالعۀ نحوة تغييرات کاربري اراضي در دو منطقۀ شهري و غيرشهري اردکان پرداختند. نتيجۀ اين مطالعه ، ضرورت توجه به آثار نامطلوب تغيير کاربري ها در مديريت مناطق شهري بوده که بايد مد نظر برنامه ريزان شهري قرار گيرد. احدنژاد (١) با بهرهگيري از تصاوير ماهوارهاي ، تغيير کاربري اراضي در اثر گسترش اراضي شهري بخشي از آذربايجان شرقي را مورد مطالعه قرار داد. در اين مطالعه ، با بکارگيري تصاوير ماهواره اي لندست TM، انواع واحدهاي کاربري اراضي در ١٠ گروه طبقه بندي گرديد و به اين ترتيب گسترش نواحي شهري با بيشترين تأثير در تغييرات اراضي باغي تعيين شد. نوروزي (١٣) در بررسي اثرات گسترش شهر زنجان بر تغيير کارکردي روستاهاي پيراموني با استفاده از GIS، دريافت که گسترش شهر زنجان موجب تغييرات کاربري اجتماعي - اقتصادي و کالبدي مانند احداث خانه هاي دوم، استقرار شرکت ها، ادارات دولتي و خصوصي در روستاهاي پيراموني گرديده است .
نيک نهاد و مارامايي (١٤)، داودي منظم (٦)، با استفاده از تصاوير ماهوارهاي و تکنيک هاي سنجش از دور به مطالعۀ چگونگي و اثرات تغييرات کاربري اراضي پرداخته اند.
امروزه بر اثر فعاليت هاي انساني ، پديدههاي طبيعي چهرة زمين همواره دستخوش تغيير مي شود. سرعت اين تغيير و تحول در محيط هاي شهري ، بيش از ساير مناطق مي باشد. از اين رو براي مديريت بهينه مناطق شهري ، آگاهي از نسبت تغييرات کاربري اراضي از ضروريات محسوب مي شود.
شهرستان شهريار طي دوره (١٣٦٦ تا ١٣٨٨) داراي روند تحولات جمعيتي سريعي بوده است . بيشتر کاربري اراضي ها، به کاربري هاي مسکوني ، تجاري ، صنعتي يا شبکه راهها تبديل شدهاند. بنابراين هدف از اين مطالعه ، بررسي ميزان گسترش فيزيکي شهرستان شهريار و تأثير آن بر کاهش تغييرات سطح اراضي کشاورزي ميباشد.
پايش تغييرات کاربري اراضي با استفاده از ...
مواد و روشها
منطقۀ مورد مطالعه
شهرستان شهريار با مختصات جغرافيايي ́٥٠ ̊٣٥ تا ١٤٥١ طول شرقي و́٢٩٣٥ تا ́٤٣ ̊٣٥ عرض شمالي ، در استان تهران قرار گرفته است (شکل ١). از لحاظ طبيعي داراي اراضي هموار، مسيل هاي متعدد و ارتفاعات معدودي مي باشد.
از لحاظ دسترسي هاي ارتباطي نيز، در اين بخش شش جاده اصلي وجود دارد. از اين تعداد سه جاده در شمال و شمال شرقي ، ارتباط بخش مرکزي را به تهران و کرج ميسر مي سازد، دو جاده از سمت جنوب با رباط کريم مرتبط مي گردند و يک جاده به سمت غرب و شهر ملارد منتهي مي گردد.
داده هاي مورد استفاده
در اين تحقيق از تصاوير ماهوارهاي لندست تيرماه ١٣٦٦ و خرداد ١٣٨٨ و نقشه هاي توپوگرافي ١:٢٥٠٠٠ براي پايش تغييرات کاربري اراضي کشاورزي استفاده شد (جدول ١).
روش تحقيق
پس از تهيۀ تصاوير ماهوارهاي براي محدودة مورد مطالعه ، از نرمافزار 4.7®ENVI طي مراحل مختلف پردازش تصوير استفاده شد. همچنين در راستاي بررسي تغييرات و تحولات کاربري اراضي ، از سه روش حداکثر احتمال ( Maximum Likelihood Classifier; MLC)، شبکه عصبي ( Neural Networks Classifier; NNC) و ماشين بردار پشتيبان ( Support Vector Machine; SVM) استفاده گرديد.
قبل از تجزيه و تحليل اطلاعات ماهوارهاي لازم است ، تصحيحاتي بر روي تصاوير خام صورت گيرد (٨). در سنجش از دور خطاهاي دادههاي خام، خطاهاي ناشي از سنجنده و اثرات جوي مي باشد، که جهت تصحيح خطا نيز، از روش تصحيح پراکنش اتمسفري و تصحيح هندسي از نوع سيستماتيک استفاده ميشود (٢٣). مرحله پيش پردازش دادهها شامل دو مرحله کلي ، تصحيحات راديومتريکي و تصحيحات هندسي است . از آنجايي که تصاوير مربوط به زمانهاي مختلف بوده و بازيابي ارتفاعي و نحوة تهيه آنها مختلف مي باشند، نياز است که تصحيحات راديومتريک و جوي بر روي تصاوير صورت گيرد. پس از اعمال تصحيح اتمسفريک ، وضوح تصوير به ميزان قابل ملاحظه اي افزايش مي يابد. براي انجام تصحيح اتمسفري تصاوير ماهوارهاي مورد استفاده، از روش هيستوگرام استفاده گرديد (١٥). کار اصلي تصحيحات هندسي نيز، بازيابي تصاوير يعني دستيابي به تصاوير پايۀ منطبق با واقعيت است (٣). براي تصحيح خطاي هندسي ، براي هر کلاس ايجاد شده، حداقل ٥ نقطه زميني از نقشه توپوگرافي ١:٢٥٠٠٠ انتخاب شد. اين نقاط داراي سيستم مختصات طول و عرض جغرافيايي بودند که به سيستم متريک تبديل شدند.
در اين مرحله براي هر کلاس از صفر تا دو نقطه با خطاي بيشتر از نيم پيکسل ، حذف گرديد. پس از انجام تصحيحات، به منظور تفسير تصاوير از روش طبقه بندي نظارتشده (Supervise Classification) استفاده گرديد (٢٥). به اين صورت که ابتدا کلاسهاي کاربردي موجود در منطقه ، با انجام عمليات ميداني و بررسي مطالعات قبلي و استفاده از نقشه هاي توپوگرافي شناسايي شدند. همچنين به منظور دقت بيشتر کلاسبندي عوارض و بررسي دقيق تر براي پيکسل هاي گياه، نمودار طيفي تهيه شد (شکل ٢).
اين بيانگر اين حقيقت بود که در تصوير حاصل از تصحيح انجام شده، نمودار طيفي به دست آمده به نمودار حقيقي گياه، شباهت بيشتري پيدا کرده است . چرا که گياهان در باند دوم لندست ، يعني باند سبز ميبايست انعکاس بالاتري نسبت به باندهاي ١ و ٣، يعني قرمز و آبي داشته باشند. در انتها نيز طبقه بندي واحدها به روش شبکه عصبي (NNC)، روش ماشين بردار پشتيبان (SVM با کرنل RBF) و روش حداکثر احتمال (MLC) صورت گرفت و نتايج آن تحليل گرديد.
نتايج و بحث
توسعه فيزيکي اراضي شهري و تغيير کاربري اراضي کشاورزي ، از جمله مباحثي هستند که امروز در مديريت فضايي شهري از اهميت شاياني برخوردار است . شهرها در مسير توسعه خود به فضاهاي جديد نياز دارند، به اين دليل سراغ بهترين و مناسب ترين اراضي پيرامون يعني اراضي کشاورزي مي روند (٨ و ٩). بدين منظور تصاوير حاصل از سنجش از دور، تأمين کننده دادههاي کارآمدي است که براي استخراج اطلاعات مورد نظر از آنها، نياز به پردازشهاي اوليه بر روي تصاوير است . طبقه بندي تصاوير نيز يکي از مؤلفه هاي اصلي فرآيند استخراج اطلاعات بوده و موضوعي است که از طريق بررسي رابطۀ بين اثر طيفي و طبقات مختلف حاصل مي شود (٧). نتايج تصاوير کاذب رنگي سال ١٣٦٦ و ١٣٨٨ به منظور تهيه ديد کلي از محدودة مورد مطالعه ، منطقه اي زوم شده از يک ناحيه زراعي ، توليد پروفيل طيفي و نسبت انعکاس طيفي در شکل ٣ نشان داده شده است .
با استفاده از روش QUICK نيمرخ قبل و بعد از تصحيحات اتمسفري بر روي تصاوير سال ١٣٦٦ و ١٣٨٨ اعمال گرديد.
که بعد از تصحيح اين تصاوير، انعکاس طيفي در محدودة مادون قرمز نزديک ناحيه لبه قرمز به خوبي نشان داد که انعکاس طيفي گياه به واقعيت نزديک تر شده است (شکل ٤).
پس از انجام پيش پردازشها و اصلاحات اوليه بر روي تصاوير، براي آشکارسازي و تعيين دقيق ميزان تغييرات کاربري اراضي شهرستان شهريار طي دوره مطالعه از سه روش روش حداکثر احتمال (MLC)، روش شبکه عصبي (NNC) و روش ماشين بردار پشتيبان (SVM با کرنل RBF)، استفاده گرديد.
روش حداکثر احتمال (MLC)
اين روش بر مبناي احتمالات استوار است . بدان معني که احتمال اين که يک پيکسل به هر يک از مجموعه ها m طبقه تعلق داشته باشد، بررسي ميشود. سپس پيکسل به طبقه اي که بيشترين احتمال را داشته ، اختصاص مييابد. روش طبقه بندي حداکثر احتمال، هنوز هم يکي از رايج ترين الگوريتم هاي طبقه بندي نظارتشده است . از ميان روشهاي طبقه بندي نظارتشده، اين روش تاکنون به عنوان دقيق ترين و پراستفادهترين روش نظارتشده ذکر شده است (١٢). نتايج اين روش نشان داد که اراضي کشاورزي کاهش و اراضي شهري در طول دورة ٢٢ ساله افزايش داشته است (شکل ٥). با توجه به قدرت تفکيک مکاني ضعيف سنجنده ٥-TM امکان آشکارسازي جادهها در آن مشکل ميباشد. لذا نتايج تغييرات حاصل براي جادهها، قابل قبول نيست اما به طور کلي نواحي کشاورزي به ميزان ٣٧% کاهش يافته اند (جدول ٢).
