بخشی از مقاله
چکیده
نمایه نرمال شده گیاهی - - Normalized Difference Water Index, NDWI بر پایه اختلاف ویژگی جذبی پرتوهای فرو سرخ موج کوتاه و فروسرخ نزدیک، به وسیله آب موجود در ساختار گیاهی برای ارزیابی پوششهای گیاهی پهنههای گوناگون بکار برده می-شود. در این پژوهش با کاربرد نگارههای سنجنده MODIS با توان جداسازی مکانی 500 متر، در دوره زمانی دی ماه 90 تا اردیبهشت ماه 91 نمایه نرمال شده گیاهی، تولید گردید.
یافته ها نشان داد که در بیشتر گسترههای ایران اندازه این نمایه در بهمن ماه نسبت به دی ماه افزایش یافته است. به دیگر سخن در گذر زمانی یک ماه اندازه آب و شادابی گیاهی در بیشتر پهنههای کشور افزایش یافته است. در گذر از ماههای اسفند تا اردیبهشت اندازه نمایه در بیشتر جاهای ایران به میزان کمی کاهش یافته است به گونهای که میتوان گفت تغییر آب گیاهی و شادابی آن از بهمن ماه تا اردیبهشت ماه چندان احساس نمیشود.
مقدمه
آگاهی از ویژگیهای پوشش گیاهی هر پهنه جغرافیایی نقشی ارزنده در ارزیابی خشکسالی و جاپای آن بر بوم زیست آن پهنه دارد. در راستای چارهجویی برای این تنگنا، پایش و پیمایش پوشش گیاهی، یکی از نیازهای کلان مدیریت و گردانندگی کشور میباشد. بدون در دست داشتن دادههای پوشش گیاهی، مدیریت محیط زیست در گسترههای شهری و روستایی با تنگناهای بیشماری روبرو خواهد شد.
پایش خشکسالی در روش زمینی با جمع آوری دادههای مانند بارش و یا آبدهی رودخانه ها انجام می شود. این اندازه گیریها بیشتر در یک پهنه مشخص و کوچک صورت میگیرد و از یک پهنه به پهنه دیگر ورودی ها و روش انجام کار دیگرگون میشود. پایش پوشش سبز برای برآورد دامنه و شدت خشکسالی بدون کاربرد روشهای نوین سنجش از دور نشدنی است. گردآوری اطلاعات برای نوسانهای پیوسته پوشش گیاهی با روشهای معمولی بسیار سخت و پرهزینه است.
هرچند که پایش و آگاهی درست از همه گسترههای جنگلی، مرتعی و کشاورزی یکی از دردسترس ترین و کارآمدترین روش شناخت خشکسالی است، در گذشتههای نه چندان دور کاری دشوار و نشدنی بود. کاربرد نگارههای ماهوارهای از نزدیک به 20 سال پیش این توانایی را فراهم آورد که بتوان با محاسبه نمایههای گیاهی چگونگی پوشش گیاهی و خشکسالی را در پهنههای کوچک و بزرگ ارزیابی نمود. این روش نوین تا امروز به گونهای گسترده در پایش خشکسالی کشاورزی در کشورهای گوناگون به کار رفتهاند. در این راستا سنجندههای گوناگون با طولموجها و ریزبینیهای بسیار گستردهای بکارگرفته شدهاند، که از این میان میتوان از سنجندههای MODIS و TOMS و MERIS یاد کرد.
مروری بر پژوهشهای پیشین
گائو درسال 1996 نشان داد که از آنجایی که پخش سایه اندازهای گیاهی اندازه جذب آب را زیاد میکند، این نمایه به سایه انداز گیاهی حساس میباشد. همچنین وی بیان نمود جذب هواویزها در بازه 860 تا 1240 نانومتر ناچیز میباشد و از این روی این نمایه به آلودگیهای جوی چندان حساس نمیباشد. همچنین در همان سال فیترس نمایه NDWI را برای پایش پهنههای آب آزاد با کاربرد نگارههای ماهوارهای به کار برد. وی با کاربرد پرتوهای فروسرخ نزدیک و مرئی سبز - فرو سرخ موج کوتاه - عارضههای گیاهی زمینی را برطرف و گسترههای آبی را پدیدار نمود.
در سال 2003جکسون در ارزیابی محتوای آب گیاهی در ذرت و سویا با کاربرد داده های ماهوارهای و NDWI نشان داد که این نمایه پاسخ بهتری به محتوای آب گیاهی نشان میدهد. دلبرت درسال 2005 با کاربرد نمایه NDWI ویژگیهای فنولوژیکی گیاهان قطب شمال را ارزیابی نمود. یافتهها نشان داد که همزمان با آغاز فصل رشد در بهار این نمایه کم کم افزایش یافته و در دوره ذوب برف آغاز به کاهش مینماید. همچنین در فصل پائیز همزمان با رنگین شده پوششهای گیاهی این نمایه کاهش و دوره بارش برف کم کم افزایش مییابد.
ونگ درسال2006 از تصاویر ماهواره لندست برای تشخیص کاهش بلوط در جنگلهای آمریکا استفاده نمود. دراین مطالعه از نمایه NDWI برای تهیه نقشه دینامیکی جنگل هایی که در حال مردن بودند استفاده شد. در سال 2008، سخون، اقدام به سنجش توانایی دو نمایه بنیادی سنجنده مودیس برای تعیین میزان رواناب حاصل از ذوب برف در 5 منطقه جنگلی در ایالت کانادایی آلبرتا در طول دوره آماری 2006-2008 نمود.
در این تحقیق نمایه NDWI1.64ʽm و NDWI2.13ʽm که از باندهای باطول موج کوتاه - - SWIR با قدرت تفکیک مکانی 500 متر سنجنده مودیس استفاده میکند در بازه زمانی 8 روزه بکار گرفته شد. از طرفی میانگین روزهای SGN نیز با استفاده از اندازه گیریهای زمینی محاسبه گردید و با روند تغییرات 2 نمایه NDWI مورد مقایسه قرار گرفته است. در مقایسه با داده های زمینی پیش بینی با استفاده از NDWI1.64ʽmدارای انحراف 0-3+ دوره - یعنی-24 - 0 وNDWI2.13ʽmدارای انحراف± 1 دوره یا ±8 روز بود.
مانگ کولساوات، به مقایسه کارایی نمایه هایNDVI ، NDWI و NDDI در دوره زمانی 2001-2008در تعیین رابطه آنها با بارندگی و خشکسالی در منطقه تایلند پرداخت و به این نتیجه رسید که نمایه های مذکور میتوانند برای نشان دادن خشکسالی به کار برده شوند. وانگ وهمکاران درسال 2009با کاربرد داده های هواشناسی و اندازه گیریهای ماهوارهای در دوره 7سال گذشته در Georgian امریکا به بررسی توانمندی نمایههای آب پوشش گیاهی حاصل از ماهواره برای پایش خشکسالی پرداختند.
یافتهها نشان داد که وضعیت خشکی تعیین شده با بکارگیری نمایههایNMDI، NDWI1.64ʽm و NDWI2.13ʽm با داده های هواشناسی بخوبی همخوانی دارند و NMDI می تواند بعنوان یک شاخص موثر برای پایش ریسک آتش سوزی بکار رود. در سال 2010 نیز ونگ و همکاران اندازه نیتروژن را با کاربرد دو نمایه NDVI و NDWIبرآورد نمودند.
یافته های آنها نشان داد که NDWI نسبت به NDVI رابطه خطی معنی دارتری با مقدار نیتروژن برگ دارد و همچنین در چرخه فصلی، تغییرات NDWI نسبت به NDVI محسوستر میباشد وهمبستگی معنی داری با متوسط میزان آب گیاهان دارد. کوانگ درسال 2000 در ارزیابی کاربرد سنجش از دور برای پیش آگاهی دادن از خشکسالی، نشان داد که دادههای ماهوارهای به صورت پیوسته و گسترده اطلاعات زیادی از پدیده های محیطی در مقایسه با ایستگاه های زمینی در دسترس قرار می دهند.
این دادهها به دلیل ویژگی هایی مانند تکرار در فواصل زمانی کوتاه, چند طیفی بودن, پوشش پیوسته و گسترده زمینی, افزایش قدرت جداسازی روز افزون, تشخیص پدیدهها, به روز بودن و در دسترس بودن به عنوان ابزار قدرتمندی در بررسی تغییرات دورهای یک پدیده, مطالعات کاربردی, پوشش گیاهی و مدیریت اراضی به کار میروند. باجگیران و همکاران درسال 2008با کاربرد دادههای اقلیمی مانند بارش نمایههای خشکسالی را برآورد نمودند. آنها بیان نمودند که این دادهها به دلیل در دسترس نبودن در هر جا، ناکافی بودن و پراکندگی زیاد، ارزیابی مناسبی از خشکی در دسترس نمیدهند.
مواد و روشها
نگارههای ماهوارهای
در این پروژه نگارههای سامانه گیرنده ماهوارهای مرکز پژوهشهای علوم جوی اقیانوس دانشگاه شیراز بکار گرفته شد. گیرنده سنجنده MODIS که بر روی ماهوارههای Aqua و Terra جای گرفته است در هر روز حداقل 3 نوبت روزانه و دو نوبت شبانه بخش بزرگ یا همه گستره ایران را پایش مینماید. دادههای خام دریافتی - سطح - 0 در قالب ProductionData Set, PDS ذخیره میگردند و برای فرایند بعدی آماده میگردند.
دادههای خام فرایند سازی گردیده و در قالب دادههای سلسله مراتبی - Hierarchical Data Format, HDF - در میآیند. مبنای بهترین انتخاب نگاره برای این پژوهش بیشترین پوشش گسترهای نگاره از ایران و کمترین اندازه ابرناکی بود . به دیگر سخن در هر روز نگارهای برگزیده گردید که بخش بیشتری از گستره ایران در آن موجود و بدون ابر باشد. سه روز برگزیده شده در هر ماه در روزهای اول میانی و پایانی آن ماه میباشند.
تصحیحات به کار گرفته شده بر روی نگارهها
-1 تصحیحات هندسی
هدف از تصحیح هندسی یک نگاره، تعیین سیستم مختصات اجزاء سازنده تصویر و انطباق آن با نقشههای همسان و یا نگارهای است که پیش از آن تصحیح هندسی بر روی آن صورت گرفته است. پس از اجرای تصحیح هندسی نگاره، هر نقطه از آن بر مختصات جغرافیایی نقطه نظیر خود بر روی نقشه جغرافیایی منطقه منطبق خواهد بود. تصحیح هندسی با دو روش پارامتری که در آن پارامترهای مداری سنجنده بکار برده میشوند و روش غیر پارامتری امکان پذیر است.
در این پروژه تصحیح هندسی نگارهها با کاربرد پارامترهای مداری انجام شد، بدینگونه که ابتدا پیوند میان سیستم مختصات نقشه و نگاره یا نگاره با نگاره که به آن تطبیق سازی گویند، برقرار گردید . سپس مجموعهای از نقاط به عنوان مراکز پیکسلها در نگاره اصلاح شده برگزیده شد. به نقاط گزیده شده به عنوان مرکز پیکسل ارزش عددی اختصاص داده شد. چنانچه دقت هندسه مداری ماهواره در اندازه چشمگیری باشد، برقراری پیوند میان سیستم مختصات تصویر و سیستم مختصات نقشه امکانپذیر است - سولبرگ و همکاران، - 1997
-2 تصحیحات جوی
هدف از تصحیح جوی تبدیل دادههای تابش به بازتابش یا میزان انرژی منعکس شده از زمین، پیش از گذر از جو می-باشد - جوردون و وانگ،. - 1994 دادههای بازتابی بیان کننده جنس عوارض در یک نگاره میباشد که قابل مقایسه با نمودارهای بازتاب طیفی میباشد. تصمیم گیری درباره این مرحله به روش پردازش دادهها یا چگونگی دادهها بستگی دارد.
در روشهای معمول پردازش مانند نسبت گیری از باندها، آنالیز مؤلفههای اصلی و طبقه بندی - به روش با نظارت و بدون نظارت - که در پردازش تصاویر چند طیفی با تعداد باندهای چیره و فاصله طیفی بین باندی زیاد بکار برده میشود، عمل تبدیل تابش به بازتابش زیاد ضروری نمیباشد. چرا که همه محاسبات بر پایه مقایسه نسبی میباشد و نمودار پاسخ طیفی عوارض در پردازش نگارهها بکار برده نمیشود. در آنالیز نگارههای فراطیفی که فراوانی باندهای آنها زیاد و فاصله طیفی بین باندها بسیار اندک است، به دلیل اینکه نسبت سیگنال به نویز باندهای این گونه نگارهها بسیار اندک میباشد، کاربرد این روشها کارا نخواهد بود.
