بخشی از مقاله
مقدمه
روشهای برآورد سنتی کیفیت آب معمولا پرهزینه و زمانبر هستند. این موضوع بهخصوص برای تودههای بزرگ آب1 شامل دریاچهها، سدها و رودخانه-ها که نمونهگیریها، همه توده آب را پوشش نمیدهد از اهمیت ویژهای برخوردار است. سنجش از دور تکنولوژی توسعه یافتهی جدیدی در دهههای اخیر است، بویژه که در چند سال گذشته تکنولوژی سنجش از دور با کاربرد در محیط زیست، پیشرفت سریعی داشته است. . ویژگیهای سنجش از دور شامل دوره بازگشت مناسب، قدرت تفکیک مکانی بالا، نظارت بدون وقفه و گردآوری
اطلاعات در مقیاس وسیع میباشد که یک روش جدید و موثر از نظارت کیفیت آب را ارائه میکند .(Donghai, 2009) در حال حاضر، انواع متعددی از دادههای سنجش از دور از جمله دادههای فراطیفی و چند طیفی وجود دارند که میتوانند برای نظارت کیفیت آب استفاده شوند. بهعنوان مثال Semih (2007) Ekercin، با کمک تصویر چند طیفی Ikonos که دارای قدرت تفکیک مکانی بالا است، به بازیابی کیفیت آب در منطقه Halic استانبول ترکیه پرداخت Yang Dingtian .(Ekercin, 2007) و همکاران (2006)، با کمک سنجش از دور فراطیفی، برآورد غلظت کلروفیل-a و جامدات معلق در دریاچه
1 Large Water Bodies
98
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته
Taihu چین را بررسی کردند (ِNas (Dingtian et al, 2006 و همکاران (2010)، با استفاده از دادههای تصویر Landsat-5TM و دادههای زمینی، نقشه کیفیت آب در دریاچه Beysehir ترکیه را تهیه کردند ( Nas et al, Huang .(2010 و همکاران (2010)، به برآورد شاخصهای فراطیفی برای تخمین غلظت کلروفیل-a در دریاچه Tangxun چین، با استفاده از دادههای فراطیفی اسپکترورادیومتر SVC HR-1024 که دارای قدرت تفکیک طیفی کمتر از 3/5 نانومتر و دامنه طیفی 350 الی 1000 نانومتر بود پرداختند .(Huang et al, 2010) بازتاب طیفی اندازهگیری شده توسط سنجندههای ماهوارهای با چندین پارامتر کیفیت آب که بر خواص نوری آب اثر میگذارند در ارتباط است. این پارمترها شامل کدورت، عمق سچی دیسک و کلروفیل-a می-باشند .(Kloiber, 2002a, b) سنجندههای نوری و حرارتی بر روی هواپیما و ماهوارهها اطلاعات مکانی و زمانی مورد نیاز را برای تشخیص تغییرات در پارامترهای کیفیت آب به منظور توسعه شیوههای بهتر مدیریت برای بهبود کیفیت آب ارائه میکنند .(Jensen, 2000) هایپریون اولین سنجنده فراطیفی غیر نظامی و تصویری با قدرت تفکیک مکانی بالا در فضا است. چنین تصویری میتواند برای شناسایی و استخراج سیگنالهای کوچک ترکیبات غوطهور در آب استفاده شود .(Wang and Tian , 2009) در این مطالعه توانایی بالقوه تصویر هایپریون برای تهیه نقشه کدورت و عمق سچی دیسک آب رودخانه کارون در محدوده شهر اهواز مورد مطالعه قرار گرفته است.
عمق سچی دیسک (SDD2)، اندازهگیری شفافیت آب است. این اندازهگیری بسیار سریع و آسان انجام میگیرد و اغلب ارتباط مناسبی با سایر اندازه گیری-هایکیفیت آب دارد به عنوان مثال میتوان به غلظت کلروفیل-a یا مواد معلق در آب نام برد .(Lillesand et al, 2004) از آنجائیکه عمق سچی دیسک به عنوان یک ابزار فراگیر قابل قبول برای اندازهگیری شفافیت آب است، لذا تلاش های بسیاری برای تهیه نقشه این پارامتر از دادههای سنجش از دور ماهوارهای شده است .(Zhang et al, 2003)
کدورت (Turbidity)، به عنوان تیرگی آب تعریف میشود که در اثر رسوبات معلق در آب ایجاد میشود. کدورت، اندازهگیری خواص پراکندگی نور در ستونی از آب (به علت مواد آلی مثل جلبک، فیتوپلانکتونها، اسیدهای آلی و ذرات غیر آلی معلق مانند رس و گلولای در آب) میباشد و در ارتباط با عمق سچی دیسک است. چون ذرات آلی موجود ممکن است منشاء میکروارگانیسم-های بیماریزا باشد، شرایط کدورت آب امکان مواجه شدن با بیماریهای ناقل آبی را افزایش میدهد .(Senay, 2001) استفاده از آب کدر در فرایندهای صنعتی به علت فراوانی جامدات معلق، ممکن است سبب مسدود کردن یا زنگ زدن لولهها و ماشین آلات شود .(Harvey, 1989) افزایش کدورت و اثرات ناشی از آن در توده آبی، سبب تغییر در ترکیبات جامعه آبزی میشود. کدورت ناشی از حجم زیاد جامدات معلق میتواند میزان نور نفوذی در آب را کاهش دهد. بنابراین سبب توقف فعالیت فتوسنتز فیتوپلانکتونها، جلبکها و میکروفیتها بویژه آنهاییکه پایینتر از سطح آب هستند، میشود و در نتیجه موجوداتی که در این مناطق رشد میکنند، به خوبی تحت تاثیر قرار می-
گیرند(.(Senay, 2001
منطقه مورد مطالعه
رودخانه کارون به طول حدود 890 کیلومتر بهعنوان پرآبترین رودخانه ایران، یکی از منابع مهم آبی کشور محسوب میشود. پهنای این رودخانه در
×تابستان 91، شماره 4، جلد 1
قسمتهای کوهستانی بین 25 الی 40 متر و در دشت بالادست اهواز 250 الی 400 متر میباشد و ژرفای آن در حوالی اهواز به 5 الی 7 متر میرسد. پتانسیل این رودخانه امکان ایجاد سدهای مخزنی بزرگ را به منظور تولید انرژی الکتریکی و بهرهبرداری از آن جهت مصارف کشاورزی، صنعتی و شرب در فصول کم آبی را فراهم میکند. در طول مسیر رودخانه منابع آلوده کننده نقطهای و غیر نقطهای شامل پسابهای صنعتی، مناطق مسکونی زرگان، شیبان و منطقه شهری اهواز و صنایع متمرکز واقع در حومه اهواز و همچنین فاضلاب-های شهری وجود دارد (حسینی زارع، .(1381 منطقه مورد مطالعه، بخشی از رودخانه کارون در مقطع شهر اهواز به طول تقریباً 30 کیلومتر میباشد که بین طول جغرافیایی48 35´ تا48 40´ و عرض جغرافیایی31 15´تا 31 20´ قرار دارد. رودخانه کارون در معرض مشکلاتی از قبیل کاهش سطح آب به دلیل سیاستهای آبی غیر کارشناسی، شهرنشینی و آلودگی آبی قرار دارد. شکل (1) منطقه مورد مطالعه و نقاط نمونهبرداری را نشان میدهد.
روش کار دادهها و نرم افزارهای مورد استفاده
الف- جمعآوری اطلاعات و دادههای لازم شامل تصویر فراطیفی سنجنده هایپریون ماهواره EO-1 و همزمان نمونهبرداری میدانی و استفاده از دستگاه طیف سنج زمینی فیلد اسپک 3 و همچنین استفاده از GPS برای تعیین مختصات زمینی نقاط نمونه برداری.
ب- تجزیه و تحلیل آزمایشگاهی نمونههای آب جمع آوری شده (تعیین کدورت آب، به روش نفلومتری با کمک دستگاه HATCH- Turbidimeter 2100AN صورت گرفت).
ج- نرمافزارهای ENVI4.7، SAMS و SPSS به منظور تصحیح هندسی و اتمسفری، حذف باندهای نویزدار(پارازیتدار) و توسعه شاخصهای طیفی با کمک ترکیب، تفاضل، نسبت باندی و مشتق اول بازتاب و همچنین ایجاد ارتباط بین اطلاعات طیفی حاصل از تصاویر سنجش از دور و پارامتر های کیفیت آب.
نحوه نمونهبرداری آب و اندازهگیری میدانی
نمونههای آب به حجم 2,5 لیتر از عمق صفر الی 40 سانتیمتری در 13 ایستگاه در تاریخ 19 آذر 1389 جمعآوری گردید. نمونهها تا قبل از رسیدن به آزمایشگاه جهت تجزیه و تحلیل کدورت در محیط خنک و تاریک، در ظروف مخصوص (شیشهای و پلیاتیلنی) با کمترین اثر منفی بر روی کیفیت آب نگهداری شدند. در آزمایشگاه، کدورت توسط دستگاه HATCH-2100AN اندازهگیری شد. Olmanson و همکاران (2008)، نتیجه گرفتند که اگر اندازه-گیریهای میدانی در بازه زمانی کمتر یا بیشتر از 3 روز تا 10 روز از تاریخ تصویربرداری باشد، همبستگی بالایی را با نتایج حاصل از تصاویر تهیه شده در این محدوده زمانی فراهم میکند. در فاصله 6 روز اختلاف از زمان تصویربرداری تا نمونهبرداری میدانی، باران و یا هر عامل دیگر که سبب نوسانات شدید در آب رودخانه کارون شود، رخ نداد. در طی کار میدانی، از سیستم دستی موقعیت یابی جهانی((GPS مدل GPS map 60CSx با دقت ±5 متر برای تعیین مختصات نقاط نمونهبرداری استفاده شده است. مقادیر عمق سچی دیسک توسط سچی دیسک به قطر 25 سانتی متر با تناوب کوادرانت (ربع دایره) (Quadrant) سیاه و سفید اندازهگیری شد. شکل (2) سچی دیسک معلق در آب به منظور اندازهگیری شفافیت آب را نشان میدهد.
2 Secchi Disk Depth
99
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×تابستان 91، شماره 4، جلد 1
شکل.1 منطقه مورد مطالعه و نقاط نمونهبرداری
100
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×تابستان 91، شماره 4، جلد 1
شکل.2 سچی دیسک معلق در آب به منظور اندازهگیری شفافیت آب- مقطع کارون در اهواز
اطلاعات تصویر هایپریون
دادههای سنجش از دور استفاده شده در این تحقیق، تصاویر سطح L1Gst سنجنده هایپریون متعلق به ماهواره EO -1 است که در تاریخهای 24 خرداد،11 شهریور، 13 آذر و 16 اسفند سال 1389 دریافت شدند. هایپریون یک سیستم طیفسنج تصویربردار فراطیفی پوشبرم3 است، که بخش مرئی-مادون قرمز نزدیک (VNIR4) و مادون قرمز موج کوتاه (SWIR5) را پوشش میدهد. تصویر هایپریون دارای سیستم مرجع WGS84 و سیستم تصویر UTMاست. همچنین دارای 242 باند طیفی، دامنه طیفی 350 تا2500 نانومتر، پهنای باند 10 نانومتر، قدرت تفکیک مکانی 30 متر است و ناحیهای به اندازه 7,5 کیلومتر در 185 کیلومتر را در بر میگیرد. با این حال، تنها از باندهای محدوده مرئی- مادون قرمز نزدیک (VNIR) برای توسعه معادلات رگرسیون چندگانه مرحلهای6 بین باندهای طیفی و پارامترهای کیفیت آب مذبور استفاده گردید. پردازش تصویر توسط نرم افزار ENVI4.7 و تجزیه و تحلیل طیفی دادههای طیفسنج و تصویر توسط نرمافزار SAMS و تجزیه و تحلیل دادههای استخراجی توسط نرم افزارهایSPSS و Excel صورت پذیرفت.
دستگاه طیف سنجASD
دستگاه طیف سنج، دستگاهی است که در زمینههایی که نیاز به اندازهگیری بازتاب، تابش و پخش انرژی الکترومغناطیسی از سطوح میباشد کاربرد دارد. این دستگاه به طور اختصاصی جهت استفاده در سنجش از دور میدانی و آزمایشگاهی مورد استفاده قرار میگیرد که منحنی طیفی را در ناحیه مرئی-مادون قرمز نزدیک (VNIR) و مادون قرمز کوتاه (SWIR) اندازهگیری میکند. محدوده طیفی این دستگاه از 350 تا 2500 نانومتر است.
بحث
تبدیل ارزش های رقومی (DN7) به رادیانس
3 pushbrom 4 Visible Near Infrared 5 Short Wave Infrared 6 Stepwise 7 Digital Number
مقادیر رقومی سطح L1G مقادیر رادیانس مطلق را نشان میدهند و به صورت عدد صحیح علامتدار 16 بیتی ذخیره میشوند. برای بدست آوردن رادیانس تصویر هایپریون، برای محدوده مرئی- مادون قرمز (VNIR) که باندهای 1 تا 57 را شامل میشود و محدوده مادون قرمز کوتاه (SWIR) که باندهای 242-58 را شامل میشود، فاکتورهای مجزایی توسط شرکت سازنده تعریف شده است. این فاکتورها برای محدوده مرئی- مادون قرمز نزدیک عدد 40 و محدوده مادون قرمز کوتاه عدد 80 است(.(Beck, 2003 رادیانس محدوده مرئی- مادون قرمز نزدیک از تقسیم DN بر عدد 40 و در محدوده مادون قرمز کوتاه از تقسیم DN بر عدد 80 بدست میآید.کانالها یا باندهای کالیبره شده برای محدوده VNIR و SWIR باندهای 8-57 و 77-224 به ترتیب هستند و علت اصلی اینکه همه 242 باند کالیبره نیستند حساسیت-پذیری کم آشکارسازها8 است. باندهای کالیبره نشده دارای مقدار صفر هستند. بنابراین باندهای 1 تا 7 و باندهای 58 تا 76 دارای مقدار صفر هستند که برای انجام پردازشهای بعدی در ابتدا حذف میشوند(.(Beck, 2003
تصحیحات هندسی و اتمسفری(جوی) و تبدیل DN تصویر به انعکاس9
با توجه به اینکه تصویر دریافتی دارای سطح L1Gst (دارای تصحیح هندسی و سیستماتیک) بود، اما با توجه به نقاط کنترل زمینی برداشت شده توسط دستگاه GPS مدل GPS map 60CSx با دقت ±5 متر، مشخص شد که تصویر دارای دقت کافی نمیباشد. به همین منظور تصحیح هندسی با استفاده از باند اول تصویر سنجنده 10ALI (این سنجنده همراه با سنجنده هایپریون بر روی ماهواره EO-1 قرار دارد) که دارای قدرت تفکیک 10 متر و فاقد خطای هندسی میباشد، به روش Image to Image با کمک نرمافزار ENVI4.7 با میزان خطای 0/34 متر صورت گرفت تا خطای هندسی موجود کاهش یابد. به دلیل اثرات بسیار زیاد اتمسفر بر روی میزان انرژی ثبت شده توسط سنسور، برای آنالیز دادههای تصویر باید اثر اتمسفر در صورت امکان تعدیل شود. بنابراین روش Empirical line بهعنوان یکی از روشهای تصحیح اتمسفری که
8 Detectors 9 Reflectance 10 Advanced Land Imager
101
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×تابستان 91، شماره 4، جلد 1
در بسته نرمافزاری ENVI4.7 است، بر روی تصویر هایپریون اعمال گردید. در این محدوده طیفی، برای بدست آوردن الگوریتمهای برآورد، این محدوده از
روش Empirical line برای انجام تصحیح اتمسفری (جوی) از همبستگی بین تصویر هایپریون مورد استفاده قرار گرفت.
طیفهایی که از طریق طیف سنجی میدانی یا آزمایشگاهی از هدفها (عوارض) همانطور که در شکل((3 دیده میشود، روند منحنیهای طیفی به گونهای است
زمینی به دست میآید و میزان ارزش طیفی همان اهداف بر روی تصویر که پیک (نوک تیز) واضحی در طول موج حدود 570 نانومتر دارند، که به
استفاده میکند. تدریج با افزایش طول موج کاهش مییابد. از طول موج حدود 750 نانومتر به
در واقع تصویر را با مقادیر طیفی اهداف زمینی جمعآوری شده با طیفسنجی بعد منحنیها تنوع کمتری را نشان میدهند. با توجه به مطالعات و تحقیقهای
زمینی که تاثیرات اتمسفر در آن دخالت ندارد، تطبیق میدهد ( Baugh, صورت گرفته در این زمینه، پیک (نوک تیز) بازتاب در 570 نانومتر ممکن است
.(2008 برای این منظور، ابتدا با استفاده از دستگاه طیفسنج فیلداسپک با نام به علت جذب کم رنگدانه جلبک یا پراکندگی مواد معلق غیرآلی و سلولهای
FieldSpec®3 موجود در گروه سنجش از دور و GIS دانشگاه شهید چمران فیتوپلانکتونی باشد. گودی جذب در 650 تا 685 نانومتر ممکن است به سبب
به تهیه طیف عوارض (خاک، گیاه ذرت و برنج و غیره) از سطح زمین پرداخته جذب بالای کلروفیل-a در باند قرمز باشد. پیک بازتاب در طول موج حدود
شد، سپس طیفهای برداشته شده پس از تصحیحات لازم در نرمافزار SAMS 700 نانومتر به علت فلوئورسانس (تابش ماهتابی) کلروفیل میباشد ( Ma,
به فرمت نرمافزار ENVI4.7 درآمد و روش Empirical Line جهت تصحیح .( Bennet, 1973 , 2005 , Gitelson 1992
اتمسفری به کار رفت.
تجزیه و تحلیل منحنی بازتاب
در این تحقیق با توجه به اینکه پارامترهای انتخاب شده (کدورت و (SDD
جزء پارمترهای فعال نوری بوده و در محدوده VNIR تصویر هایپریون خود را
بهتر نمایش میدهند و از طرفی دیگر به دلیل نسبت سیگنال به نویز مناسب
×شکل.3 منحنی طیفهای استخراج شده از تصویر هایپریون رودخانه کارون مقطع شهر اهواز
102
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته
همبستگی دادههای سنجش از دور و پارامترهای کیفیت آب(کدورت و (SDD
بازتاب تک باند
تجزیه و تحلیل همبستگی پیرسون به طور جداگانه بین پارامترهای کدورت و SDD با باندهای محدوده 426 تا 900 نانومتر که شامل 48 باند می-باشد انجام گرفت. بر این اساس بیشترین همبستگی بین پارامترهای کدورت و SDD با 48 باند، به ترتیب با باندهای 528/5690) 18نانومتر) و 32 671/0228) نانومتر) تصویر هایپریون مشاهده گردید، که در سطح 5 درصد معنیدار بودند. هنگامیکه کدورت و SDD متغیر وابسته و باندهای محدوده VNIR تصویر هایپریون متغیرهای مستقل در نظر گرفته شدند، مدلهای رگرسیون ارائه شده در این حالت برای کدورت و SDD به ترتیب با R2=0/49 و R2=0/56 به صورت زیر بدست آمد.
Turbidity= 685.672*B18 - 69.854
SDD=-12.818*B32 + 1.685
همچنین رگرسیون خطی چندگانه مرحلهای، برای جستجوی ارتباط بین باندهای محدوده VNIR تصویر هایپریون با کدورت و SDD مورد استفاده قرار گرفت. با فرض متغیرهای وابسته و مستقل فوق، بهترین مدل از ترکیب باندهای 16و 508/2185) 18 و528/5690نانومتر) با R2=0/76 و ترکیب باندهای 32 و 671/0228) 33 و 681/1983 نانومتر) با R2=0/80 به ترتیب برای کدورت و SDD به صورت زیر بدست آمد (رنگزن، .(1389
742.15 Turbidity=1402.86*B18 - 889.09*B16 -
561.1 SDD= -38.009*B32 + 31.598*B33 +
نسبت بازتاب
در نسبتگیری طیفی، مقادیر درجه روشنایی یک باند طیفی به باند طیفی قابل انطباق دیگر تقسیم میشود، که با هدف متمایز ساختن تفاوتهایی که توسط تغییرات روشنایی در تک باندها ممکن نیست به کار میرود. نسبت-گیری، تغییرات شیب منحنی بازتابهای طیفی بین دو باند را به تصویر می-کشد. این شیب منحنی بسته به وضعیت منطقه و باندهای مختلف متفاوت است (علوی پناه، .(1388 در این مطالعه، 40 و50 حالت متفاوت نسبت باندی از باندهای محدوده 426 الی 900 نانومتر به ترتیب برای SDD و کدورت محاسبه و به کار گرفته شد. تجزیه و تحلیل همبستگی پیرسون بین نسبتهای باندی و کدورت، نسبتهای باندی و SDD محاسبه و به ترتیب بیشترین
همبستگی با 660.8477 R1 و 2 2 8 1.0 6 7 R2 که در سطح 5 درصد
671.0228 9 8 3 1.1 6 8
معنیدار بودند، مشاهده گردید. با فرض اینکه کدورت و SDD متغیر وابسته و نسبتهای باندی استخراجی از محدوده VNIR تصویر هایپریون متغیرهای مستقل باشند، روابط رگرسیون زیر با R2=0/52 و R2=0/66 به ترتیب برای کدورت و SDD بدست آمد.
Turbidity=-87.174*R1 + 106.955
SDD= -3.676*R2 + 4.297
همچنین رگرسیون خطی چندگانه مرحلهای، برای جستجوی ارتباط بین نسبتهای باندی محاسبه شده از محدوده VNIR تصویر هایپریون با کدورت و SDD مورد استفاده قرار گرفت. با فرض متغیرهای وابسته و مستقل فوق،
×تابستان 91، شماره 4، جلد 1
بهترین مدل از ترکیب 660.8477 R1 و 508.2185 R2 با R2=0/75
671.0228 467.5172
و ترکیب 671.0228 R3 و 4 6 4 0.1 6 2 R4 با R2=0/84 به ترتیب
681.1983 9 5 9 9.7 5 9
برای کدورت و SDD به صورت زیر بدست آمد.
Turbidity=-126.417*R1+57.041*R2+90.771
SDD= -3.658*R3-1.597*R4+5.707
