بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
پیشبینی شرایط خشکسالی با استفاده شاخص نرمال شده اختلاف پوشش گیاهی (NDVI) در ایران
چکیده
خشکسالی بصورت کاهش میزان بارندگی از میانگین دراز مدت منطقه، در یک زمان معین تعریف شده و تاکنون هیچ تعریف آکادمیک و دانشگاهی از خشکسالی ارائه نشده است. با توجه به گستردگی ابعاد خشکسالی سالهای اخیر در کشور لزوم برنامهریزی و تحقیقات علمی و پژوهشی دقیقتر و جامعتر بیش از پیش احساس میگردد. در حال حاضر به دلیل گستردگی محدوده وقوع پدیدههای اقلیمی (نظیر خشکسالی) استفاده از تکنیک سنجش از دور برای ارزیابی این پدیدهها از اهمیت ویژهای برخوردار شده است. در این تکنیک و در مطالعات زیست محیطی، هواشناسی و کشاورزی بیشتر از بخش انعکاسی طیف الکترومغناطیسی استفاده شده و وضعیت منابع آب، پوشش گیاهی، وضعیت رطوبتی خاک و حتی اقلیم منطقه را بطور لحظهای و دراز مدت مورد پایش و ارزیابی قرار میگیرد.
ارزیابی پوشش گیاهی بوسیله سنجش از دور انعکاسی به عنوان یکی از دقیقترین و کارآمدترین روشها جهت پایش شرایط خشکسالی شناخته شده است. در این ارتباط شاخصهایی نظیر شاخص نرمال شده اختلاف پوشش گیاهی (NDVI) جهت مناطق مختلف بدست آمده که نشان دهنده وضعیت لحظه به لحظه و دراز مدت پوشش گیاهی در این مناطق است. با دارا بودن شاخص NDVI در یک منطقه و وضعیت پوشش گیاهی میتوان شرایط خشکسالی را پیشبنی کرد. در این تحقیق با استفاده از نقشه شاخص پوشش گیاهی کل کشور که از دادههای نور قرمز و مادون قرمز نزدیک باندهای ١ و ٢ سنجنده AVHRR ماهواره نوآ (NOAA) در سالهای ١٩٩٨ تا ٢٠٠٠میلادی بدست آمده بود، ابتدا وضعیت پوشش گیاهی کشور در یک سال بخصوص مورد بررسی قرار گرفت. سپس جهت بررسی دقیق خشکسالی از همپوشانی دو تصویر شاخص پوشش گیاهی، نقشه تغییر دوساله پوشش گیاهی کشور بدست آمد. با استفاده از این تصاویر ماهوارهای، وضعیت خشکسالی در مناطق مختلف کشور مورد ارزیابی و تحقیق قرار گرفته و نتیجه شد که اکثر مناطق کشور در سال ٩٨ دچار شرایط خشکسالی بوده است. با وجود بهبود شرایط پوشش گیاهی در طی سالهای ٩٩ و ٢٠٠٠ در برخی مناطق بازهم این شرایط کموبیش در طی اغلب مناطق کشور (بخصوص نیمه شرقی و جنوبی کشور) ادامه یافته است. در برخی از مناطق کشور هم در طی این سالها شرایط استثنایی خشکسالی برقرار بوده است.واﮊگان کلیدی: خشکسالی، سنجش از دور، پوشش گیاهی، NDVI، AVHRR، NOAA، استثنایی، اقلیم، هواشناسی و کشاورزی.
- مقدمه:
خشکی و خشکسالی یک پدیده پیچیده طبیعی است که از گذشتههای دور مشکلات زیادی را برای حیات بشری بوجود آورده است. خشکسالی بصورت کاهش میزان بارندگی از میانگین دراز مدت منطقه، در یک زمان معین تعریف میشود. تاکنون هیچ تعریف آکادمیک و دانشگاهی از خشکسالی ارائه نشده است، ولی به لحاظ گستردگی تأثیر آن بر بشر، محیط زیست و اجزاﺀ آن از گذشتههای دور مورد توجه دانشمندان علوم جوی و اقلیمی بوده است (وایت و اومگر، ١٩٩٥). پدیده خشکسالی در کلیه مناطق دنیا بوقوع پیوسته ولی شدت آن متفاوت است. خشکسالی موجب کاهش عملکرد گیاهان زراعی و باغی، خسارات زیست محیطی، بروز مسایل و مشکلات اقتصادی و حتی بحرانهای اجتماعی و سیاسی در کشورهای مختلف میشود (ماک ویکار و جوﭖ، ١٩٩٨). در کشور ما، خشکسالی جز انفکاک ناپذیری از اقلیم بخشهای وسیعی از ایران بوده و در طول تاریخ کهن این سرزمین خسارات جانی و مالی فراوانی از ناحیه این پدیده ناگوار اقلیمی، گریبانگیر مردم این دیار شده است. به جز نوار ساحلی دریای مازندران تقریباﹰ بقیه مناطق کشور بارندگی کم و بیش کمتر از میانگین جهانی دریافت میکنند. این میزان بارندگی هم در سالهای مختلف دچار نوسانات شدید (عمدتاﹰ کاهش) میشود. آگاهی و اطلاع از چگونگی پیدایش و وقوع پدیدههای زیانبار اقلیمی نقش مؤثری در کنترل و مقابله با این حوادث بازی می کند. با توجه به گستردگی ابعاد خشکسالی سالهای اخیر در کشور لزوم برنامهریزی و تحقیقات علمی و پژوهشی دقیقتر و جامعتر بیش از پیش احساس میگردد. در حال حاضر به دلیل گستردگی محدوده وقوع پدیدههای اقلیمی (نظیر خشکسالی) استفاده از تکنیکهای جدید مد نظر دانشمندان و برنامهریزان کشورهای مختلف قرار گرفته است. امروزه فن سنجش از دور نقش بسیار مؤثری در جهت شناسایی و پایش پدیدههای مختلف اقلیمی بازی کرده و در این راستا شناسایی پدیده خشکسالی (به عنوان یکی از مهمترین مصایب طبیعی کشور) توسط این تکنیک بسیار حائز اهمیت است. هدف از این تحقیق ارائه روشی با استفاده از فن سنجش از دور بوده که با استفاده از آن پیشبینی و پایش دقیق شرایط خشکسالی در نقاط مختلف کشور انجام پذیرد. پدیده خشکسالی در چند سال اخیر خسارتهای فراوانی را به شرایط اقتصادی، اجتماعی و معیشتی جوامع شهری و بخصوص روستایی کشور وارد نموده و بخشهای کشاورزی و صنعت نیز متأثر از این پدیده زیانهای زیادی دیدهاند.
- ابعاد مختلف پدیده خشکسالی:
سازمان هواشناسی جهانی (WMO) در سال ١٩٧٥ خشکسالی را به چهار دسته به شرح زیر تقسیم کرده است:
الف) خشکسالی از دیدگاه هواشناسی: این خشکسالی هنگامی رخ میدهد که میزان بارندگی در یک منطقه در یک دوره زمانی مشخص از میانگین دراز مدت منطقه کمتر باشد. در این دیدگاه جهت بروز خشکسالی دو فاکتور هواشناسی بارندگی و دما ارتباط بسیار نزدیکی داشته و در واقع اثر متقابل این دو پدیده باعث بروز خشکسالی میشود.
ب) خشکسالی از دیدگاه کشاورزی: تحت این خشکسالی آب قابل دسترس در محدوده ریشه گیاهان که از
بارندگی و آب ذخیره شده در خاک تأمین میشود، کاهش مییابد. این خشکسالی در زمانهای رشد بحرانی خسارات شدیدی را به گیاهان زراعی وارد کرده و باعث افت عملکرد این گیاهان میشود.
ج) خشکسالی از دیدگاه هیدرولوﮊیکی: از این دیدگاه خشکسالی هنگامی حادث میشود که یکی ار فاکتورهای هیدرولوﮊیکی نظیر آبهای جاری، منابع آب سطحی و زیرزمینی در یک دوره زمانی مشخص کاهش پیدا کند.
د) خشکسالی از دیدگاه اقتصادی – اجتماعی: این خشکسالی که در واقع حادتترین نوع خشکسالی محسوب میشود، از لحاظ زمانی هنگامی رخ میدهد که خشکسالیهای هواشناسی، کشاورزی و هیدرولوﮊیکی بوقوع پیوسته باشد. تحت این خشکسالی کلیه شاخصهای معیشتی، بهداشتی، اقتصادی و اجتماعی جوامع تحت تأثیر خشکسالی قرار گرفته و شرایط برای بروز بحرانهای اجتماعی، سیاسی مهیا میشود.
- شرایط استثنایی خشکسالی:
علاوه بر گستردگی ابعاد خشکسالی، این پدیده در اغلب مناطق روی کره زمین شرایط خشکسالی هر ٢٠ تا ٢٥ سال یکبار به مدت حداقل ١٢ ماه ادامه مییابد که این شرایط به شرایط استثنایی خشکسالی موسوم است. تحت این شرایط عملیات مدیریتی معمول جهت کنترل خشکسالی کارایی لازم را نداشته و بایستی مسئله از دیدگاه وسیعتری مورد ارزیابی قرار گیرد (وایت و اومگر، ١٩٩٧). شرایط استثنایی خشکسالی در چند سال اخیر در کشور ملموس بوده و مهمترین خسارت ناشی از آن کاهش عملکرد محصولات زراعی و باغی (به نحوه چشمگیر) بوده است.
بنابراین بکارگیری روشهای پیشرفته و بروز جهت پایش پوشش گیاهی میتواند نقش بسیار برجستهای در پیشبینی و مقابله با شرایط خشکسالی است. یکی از روشهای تعیین وضعیت پوشش گیاهی استفاده از دادههای سنجش از دور است.
- پیشزمینهای در ارتباط کاربرد فن سنجش از دور در مطالعات خشکسالی:
فن سنجش از دور در واقع شناسایی و تشخیص اجسام و پدیدهها از فاصله دور بدون تماس با آنها، یا به عبارت دیگر سنجش از دور علم و هنر کسب اطلاعات در مورد اجسام، اراضی یا پدیدههای مختلف زمینی، به کمک جمعآوری اطلاعات از آنها البته بدون تماس با این پدیدهها میباشد (زبیری، ١٣٧٥). بوسیله علم سنجش از دور میتوان اطلاعات جامعی از وضعیت خشکسالی یک منطقه بدست آورد. در واقع با استفاده از امواج منعکس شده الکترومغناطیسی از سطح زمین وضعیت منابع آب، پوشش گیاهی، وضعیت رطوبتی خاک و حتی اقلیم منطقه را بطور لحظهای و دراز مدت مورد پایش و ارزیابی قرار داد.قسمتهایی (باندهایی) از طیف الکترومغناطیسی که در فن سنجش از دور و مطالعات خشکسالی و پیشبینی شرایط استثنایی آن مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:
الف- بخش انعکاسی (محدوده ٤/٠ تا ٧٥/٣ میکرون)
ب - بخش حرارتی یا دفعی (محدوده ٧٥/٣ تا ٥/١٢ میکرون)
ج - بخش ماکروویو (محدوده ٧٥/٠ تا ١٠٠ سانتیمتر)
جهت برآورد وضعیت پوشش گیاهی بخش انعکاسی طیف الکترومغناطیس مورد استفاده قرار می گیرد. بخش انعکاسی در تعیین شرایط پوشش گیاهی بطور لحظهای، تهیه نقشه چرا در علفزارها و نقشه پوشش سطح زمین (با
توجه به دو ویژگی عمده پوشش گیاهی: نحوه پوشش زمین و بهاره یا پائیزه بودن گیاهان) مورد استفاده قرار میگیرد. در این رابطه شاخصهایی نظیر: شاخص نسبت ساده (NIR/Red)، 4NDVI (شاخص نرمال شده اختلاف پوشش گیاهی)، VCI (شاخص شرایط پوشش گیاهی)، MVCI (شاخص شرایط پوشش گیاهی ماهانه) و MVCD (حداکثر اختلاف ارزش ترکیبی) تعریف شدهاند (کوگان، ١٩٩٥).
امروزه شاخص NDVI نقش بسیار مؤثر در پایش دراز مدت شرایط پوشش گیاهی و زراعی بازی می کند. در ایران به دلیل دستیابی سهلالوصول به اطلاعات سنجنده TM ماهواره لندست (Landsat Thematic Mapper) و سنجنده 5AVHRR ماهواره 6NOAA، تهیه شاخص NDVI روزانه، ماهانه و سالانه جهت مناطق مختلف
کشور مهیا شده است. شاخص NDVI بصورت زیر تعریف میشود:
در این رابطه NIR و Red عبارت است از: نور مادون قرمز نزدیک و نور قرمز.
این شاخص در واقع میزان پوشش گیاهی را در یک منطقه را بصورت یک عدد بیان میکند، هرچه این عدد بزرگتر باشد نشان دهنده پوشش گیاهی بیشتر و شاداب تر بوده و عدد کوچکتر نشانه کمتر بودن پوشش گیاهی در یک منطقه است.علت اهمیت این شاخص بدین لحاظ است که نور مادون قرمز (بخصوص مادون قرمز نزدیک) بطور گستردهای به وسیله آب موجود در مزوفیل اسفنجی برگ گیاهان سبز منعکس شده و این امواج توسط دو سنجنده نام برده شده قابل دریافت میباشند. از طرف دیگر دو نور عمده مورد استفاده در عمل فتوسنتز گیاهی قرمز و آبی بوده که نور آبی به دلیل کوچک بودن طول موج و پراکندگی آن در جو زمین، در سنجش از دور کاربردی نداشته و فقط نور قرمز در ارتباط با وضعیت پوشش گیاهی مورد استفاده قرار میگیرد. هرچه سطح زمین از پوشش گیاهی بیشتر پوشیده باشد، میزان نور قرمز منعکس شده از سطح و دریافت شده توسط سنجندههای نامبرده شده کمتر است. بنابراین با دارا بودن مقادیر نورهای مادون قرمز نزدیک و قرمز منعکس شده از سطح زمین در هر لحظه و برای یک منطقه خاص میتوان شاخص NDVI را برای آن منطقه بدست آورد (لیو و کوگان، ١٩٩٦).
با دارا بودن شاخص NDVI دراز مدت یک منطقه میتوان شرایط پوشش گیاهی را در آن منطقه تعیین کرد.
شرایط پوشش گیاهی به عنوان یک عامل مهم تعیین کننده شرایط خشکسالی و بخصوص شرایط استثنایی آن محسوب میگردد.ایران به دلیل واقع شدن در منطقه خشک و نیمه خشک از دیرباز دچار خشکسالیهای فراوان و شدیدی بوده و در دههای اخیر الگوهای وقوع پدیدههایی از قبیل خشکسالی و سیل در کشور به علت به هم خوردن توازنهای زیست محیطی کشور و جهان تغییر کرده است. در این راستا و به دلیل عدم وجود ایستگاههای زمینی هواشناسی در کلیه نقاط کشور (بهویژه در نقاط کویری، مرکزی و شرقی کشور) از یک سو و گستردگی وقوع پدیده خشکسالی ضرورت بهرهگیری از اطلاعات ماهواره ای در کشور بیش از پیش مشخص و مشهود میشود. در حال حاضر با استفاده از دادههای ماهوارههای لندست و NOAA، شاخص NDVI در چند سال اخیر و برای تمام نقاط ایران بدست آمده است.جهت انجام و بررسی پدیده خشکسالی در سالهای ١٩٩٨، ١٩٩٩ و ٢٠٠٠ میلادی در ایران، دادههای نور قرمز و مادون قرمز نزدیک بدست آمده از کلیه مناطق کشور در این سالها از طریق ماهواره NOAA بدست آمد. ماهواره NOAA یک ماهواره مدار قطبی بوده که در ارتفاع ٧٠٠ کیلومتر از سطح زمین قرار داشته و هر ١٢ ساعت یکبار زمین را دور میزند. سنجنده AVHRR این ماهواره دارای ٥ باند بوده و باندهای ١ و ٢ این سنجنده به ترتیب نورهای قرمز و مادون قرمز منعکس شده از سطح زمین را دریافت کرده و روزانه اطلاعات دریافتی خود را به صورت رقومی به ایستگاههای زمینی مربوط مخابره میکند (شهابفر، ١٣٨١).
جهت محاسبه شاخص NDVI مناطق مختلف ایران به صورت سالانه، دادههای رقومی روزانه باندهای١و٢ سنجنده AVHRR با توجه به رابطه ارائه شده NDVI و به وسیله نرمافزارهای ویژهای (نظیر: ER.MAPER، IDRISI، ERDAS و(ILWIS به تصاویر گرافیکی NDVI سالانه کشور تبدیل میشود. در نهایت بر اساس
ارزش بدست آمده جهت شاخص NDVI پوشش گیاهی به ٦ دسته تقسیم و نقشه گرافیکی حاصل به نقشه شاخص پوشش گیاهی موسوم گردید.در این مقاله با پردازش تصاویر گرافیکی ماهواره ای بدست آمده شاخص پوشش گیاهی در سالهای ٩٨، ٩٩ و٢٠٠٠ کشور، تأثیر پدیده خشکسالی بر پوشش گیاهی اغلب مناطق کشور در طی این سالها مشخص میشود. با بررسی شکلهای ١، ٢ و ٣ ملاحظه میشود که پوشش گیاهی بخشهای وسیعی از مناطق جنوبی کشور در طی این
سالها دچار نقصان و کمبود شده است.
شکل شماره ١) شاخص پوشش گیاهی کشور در سال ١٩٩٨ میلادی (منبع: مؤسسه بصیر)
