کاربرد تصاویر ماهواره ای در تهیه نقشه شوری خاک با استفاده از روش طیفی

کاهش توان تولیدی خاک ها یکی از مشکلات کشور است این کاهش تحت تأثیر عوالی نظیر فرسایش خاک به ویژه فرسایش سطحی است خروج بیش از ۲ میلیارد تن مواد رسوبی در سال از حوزه های آبخیز کشور عمق فاجعه را نشان می دهد از دیگر عواملی که نقش عمده ای در کاهش حاصلخیزی خاک های کشور دارد, عامل شور شدن اراضی است

●مقدمه

کاهش توان تولیدی خاک‌ها یکی از مشکلات کشور است. این کاهش تحت‌تأثیر عواملی نظیر فرسایش خاک به‌ویژه فرسایش سطحی است. خروج بیش از ۲ میلیارد تن مواد رسوبی از حوزه‌های آبخیز کشور عمق فاجعه را نشان می‌دهد. از دیگر عواملی که نقش عمده‌ای در کاهش حاصلخیزی خاک‌های کشور را دارد، عامل شور شدن اراضی است. این پدیده در عرصه‌های منابع طبیعی (اراضی پست) و نیز اراضی زراعی (با زهکشی نامناسب و مدیریت غیراصولی) رخ می‌دهد. مشکل شوری مناطق وسیع نظیر کویر لوت و کویر نمک به‌عنوان یک واقعیت طبیعی قابل تحمل است ولیکن این مشکل در محدوده اراضی زراعی غیرقابل تحمل است. شوری خاک به دو صورت شوری اولیه و شوری ثانویه در طبیعت صورت می‌گیرد.

پدیده شوری ثانویه در اثر دخالت انسان است و این مشکل بهترین اراضی زراعی را به‌ویژه در مناطق خشک کشورمان مورد تهدید قرار می‌دهد.

این پدیده به‌صورت پدیدار شدن لکه‌های شوری در مناطق زراعی عرصه‌های منابع طبیعی کشور را در معرض خطر قرار داده، و در حالت پیشرفته در سطح وسیعی از اراضی مجاور گسترش پیدا می‌کند. وظیفه محققین این است که از توسعه اراضی شور مناطق وسیع کشور جلوگیری کرده و این اراضی را در محدوده فعلی خود نگهدارند و از سوی دیگر از پدیده شوری ثانویه که اراضی زراعی و یا قابل کشت را مورد تهدید قرار می‌دهند، جلوگیری نمایند. متوقف نمودن توسعه مناطق شور در محدوده‌های مجاور، خودکار بسیار عظیمی است، تا چه رسد به اینکه درصدد اصلاح خاک‌های شور باشیم.

تهیه نقشه شوری یکی از گام‌های اولیه در جهت شناسائی این اراضی خواهد بود. روش‌های مختلفی در خصوص تهیه نقشه شوری مناطق وجود دارد، که هر یک از آنها با توجه به امکانات موجود در خور توجه می‌باشند، ولیکن اخیراً با توسعه فن‌آوری سنجش از دور استفاده از تصاویر ماهواره‌ای (داده‌های ماهواره‌ای) روشی بروز و کارآمد می‌باشد. براساس مرور سابقه تحقیقات انجام شده کاربرد تصاویر ماهواره‌ای مورد بررسی قرار گرفته است.

علوی پناه و همکاران در سال ۱۳۷۸ طی تحقیقی، ابتدا به جمع‌آوری نقشه‌های موردنیاز (توپوگرافی، خاک و پوشش) و تهیه اطلاعات ماهواره لندست TM قابل دسترس پرداخته و در مرحله بعدی که شامل تعیین درجات مختلف شوری و مطالعه شوری‌های اراضی، و بررسی پوشش گیاهی می‌گردید، با انجام نمونه‌برداری نسبت به تعیین درجات مختلف شوری خاک و بررسی پوشش گیاهی منطقه اقدام نموده و در نهایت پس از پردازش داده‌های ماهواره‌ای نقشه شوری منطقه را تهیه کرده، و تغییرات پوشش گیاهی در ارتباط با درجات شوری خاک را مشخص ساخته‌اند. و نیز ایشان در سال ۱۳۸۰ در تحقیقی دیگر از روش تجزیه و تحلیل مؤلفه‌های اصلی (PCa) برای کاهش تعداد باندهای طیفی و متغیرهای مکانی از طریق پیدا کردن ترکیب خطی متغیرهائی که بیشترین تغییرات را دارند، استفاده نمود.

براساس نتایج حاصل از این تحقیق، روش (PCa) برای اطلاعات طیفی و مکانی مختلف و کمک به طراحی نمونه‌برداری، به‌منظور صرفه‌جوئی در وقت و هزینه می‌تواند به‌کار رود.

فریفته و فرشاد در سال ۲۰۰۲ مطالعه‌ای تحت عنوان سنجش از دور و مدل کردن خصوصیات سطح خاک به‌منظور ارزیابی تخریب زمین انجام داده و نتایج کار خود را طی مقاله‌ای ارائه نموده‌اند. با توسعه سامانه‌های برداشت‌کننده، داده‌های ماهواره‌ای در مطالعه همه موارد سطح زمین کاربرد دارند. نتایج نشان می‌دهد که ما قادر به تهیه مدلی هستیم که هر یک از خصوصیات خاک با مشخصه‌های طیفی خود قابل پیش‌بینی است. داده‌های حاصله از این مرحله ممکن است در مدلی کردن ساختمان خاک و تأثیر شور شدن سطح خاک قابل استفاده باشد. در سطح منطقه‌ای داده‌های چندطیفی و قدرت تفکیک چندمکانی و داده‌های به‌دست آمده از مراحل قبلی در تشخیص مناطق دارای خاک شور قابل استفاده هستند.

ایزدپناه در سال ۱۹۷۸ مطالعه‌ای را در سطح ۵۰۰۰ کیلومترمربع در شمال مرکزی ایران و در دشت قزوین به‌منظور ارزیابی قابلیت تصاویر ماهواره‌ای لندست برای تهیه نقشه خاک‌های شور انجام داده است. نقشه به‌دست آمده را با نقشه خاک‌های شور تهیه شده از روی عکس‌های هوای سال ۱۹۵۵ مقایسه کرده و علل توسعه خاک‌های شور در این دشت مورد بحث قرار گرفته است. در این بررسی علاوه بر ارزیابی کاربرد تصاویر ماهواره‌ای لندست برای تعیین بافت خاک و طبقه‌بندی و مرزهای خاک‌های شور در طل ۲۰ سال (۱۹۵۵ تا ۱۹۷۵) تعیین و سطح گسترش این خاک‌ها مشخص گردیده است.

رودی گوسن و اریک وان رانست در سال ۱۹۹۸ مطالعاتی به‌منظور تهیه نقشه خاک‌های گچدار با استفاده از سنجش از راه دور در ایالت اسمعیلیه کشور مصر انجام داده‌اند. نتیجه اینکه با استفاده از داده‌های ماهواره‌ای تصویر لندست TM و هفت باند آن و انجام طبقه‌بندی نظارتی (Supervised classification) قادر به جدا کردن خاک‌های شور از خاک‌های دارای املاح گچی و سایر خاک‌ها خواهیم شد.

زهتابیان و طباطبائی در سال ۱۳۷۹ به‌منظور بررسی روند بیابان‌زائی، طرح تحقیقاتی تحت عنوان بررسی روند بیابان‌زائی در استان خوزستان با استفاده از پردازش تصاویر ماهواره‌ای (IP) و سیستم اطلاعات جغرافیائی (GIS) را به مرحله اجراء درآورده‌اند، که در این تحقیق به کمک پردازش داده‌های ماهواره‌ای لندست TM سال ۱۳۷۰، تفسیر استریوسکوپی نگاره‌های هوائی به مقیاس ۱:۲۰۰۰۰ سال ۱۳۴۳ و سایر داده‌های مرجع زمینی منطقه و همچنین با استفاده از فنون موجود در GIS اراضی تخریب شده منطقه شناسائی و گسترش آنها مورد بررسی قرار گرفته است.

خراسانی و ایزدپناه در سال ۱۳۷۱ مطالعه‌ای تحت عنوان بررسی حوزه آبخیز کویر مرکزی و ارزیابی تغییرات شوری در یکی از زیرحوزه‌های آن با استفاده از ماهواره لندست انجام داده‌اند. نتایج حاصله نشان می‌دهد که بررسی‌های انجام شده با استفاده از اطلاعات ماهواره‌ای می‌تواند در برنامه‌های طویل‌المدت و مدیریت منابع زمینی مناطق خشک و نیمه‌خشک مناسب باشد.

مسعودی در سال ۱۳۸۰ مطالعه‌ای را تحت عنوان بررسی قابلیت تصاویر ماهواره‌ای در طبقه‌بندی خاک‌های تحت‌تأثیر شوری و قلیائیت انجام داده است که نتایج حاصله به‌شرح زیر است:

۱. خاک‌های شور معمولاً از بازتاب بیشتری نسبت به خاک‌های غیرشور برخوردارند.

۲. بهترین تصاویر برای مطالعات شوری و قلیائیت خاک‌ها، تصاویری می‌باشند که در زمان اخذ و تصویربرداری آنها سطح خاک دارای حداقل پوشش گیاهی باشد.

۳. طبقه‌بندی خاک‌های تحت‌تأثیر نمک با دو روش طبقه‌بندی چشمی و رفومی امکان‌پذیر می‌باشد.

●مواد و روش‌ها

نگاره ۱

به‌منظور آماده‌سازی تصاویر ماهواره‌ای لندست - ۵ سال ۱۹۸۷ و لندست - ۷ سال ۲۰۰۰ میلادی برای انجام مرحله‌ای مطالعه و تحقیق از کلیه باندهای تصاویر تصحیح زمین مرجعی شده، با استفاده از برنامه Sub Map در Rasterap operation براساس سطر یا ستون و یا مختصات جغرافیائی محدوده مطالعاتی بر روی تصویر را مشخص و نسبت به تهیه آن از تصویر تصحیح شده اقدام گردید، که با نام Sb۱, Sb۲, Sb۳, ... Sb۷ در محیط GIS مشخص شدند. این محدوده حدود ۳۵۰۲۴۳ هکتار وسعت دارد که کلیه عملیات و مراحل تهیه نقشه شوری و تفکیک آن از اراضی غیرشور در این محدوده صورت گرفت (نگاره ۱).

نگاره ۲

جهت نمونه‌برداری از خاک دشت قزوین، بر روی نقشه منابع زراعی دشت، یک شبکه ۱۰۰۰ هکتاری به ابعاد ۵/۲٭۴ کیلومتر (به تعداد ۲۳۶ شبکه که سطحی معادل ۲۳۶۰۰۰ هکتار را فرا می‌گرفت) گذاشته شد. سپس این شبکه بر روی نقشه منابع اراضی از سمت شمال به جنوب به‌صورت نوازی شماره‌گذاری شد، که بالغ بر ۱۳ نوار گردید. نمونه‌برداری خاک به ترتیب از نوار شماره یک تا نوار شماره ۱۳ از عمل ۱۰ سانتی‌متری سطح خاک انجام گرفت.

نمونه‌های خاک پس از ارائه به آزمایشگاه از نظر بافت خاک، درصد گچ، T.N.V,EC,PH اندازه‌گیری شده و در تجزیه و تحلیل طرح مورد استفاده قرار گرفتند.

●کار در محیط سامانه اطلاعات جغرافیائی (GIS)

کارهای صورت گرفته در این قسمت عبارتند از:

▪وارد کردن داده‌ها (Data input)

با استفاده از نقشه‌های توپوگرافی با مقیاس ۱:۵۰۰۰۰ نقشه‌های عوارض، روستاها، جاده‌ها، منابع اراضی، شبکه آبراهه‌ای و نیز مناطق شور در محیط GIS وارد گردید.

پس از رقومی کردن نقشه‌ها، نقشه‌های موقعیت جغرافیائی عرصه تحقیق، منابع اراضی، شبکه‌ آبراهه‌ای، شبکه هزار هکتاری ویژه نمونه‌برداری خاک، نقشه خطوط کنتور در محیط GIS تهیه و آماده برای چاپ شدند. داده‌های رقومی ماهواره‌ای مربوط به تصاویر ماهواره‌ای لندست - TM ۵ و نیز لندست ـ ETM ۷ در محیط GIS در نرم ILWIS به‌منظور پردازش و تفسیر وارد شدند.

جدول ۱ ـ مختصات نقاط کنترل زمینی با استفاده از دستگاه GPS

تصحیحات زمین مرجعی (Geometric correction)

جدول ۲ ـ همبستگی بین باند‌هاید طیفی ماهواره‌ای در دشت قزوین

سپس با استفاده از مختصات جغرافیائی نقاط کنترلی نسبت به تصحیح هندسی مجدد تصویر ماهواره‌ای ETM سال ۲۰۰۰ و به‌منظور افزایش دقت مطابقت سطر و ستون تصویر با مختصات جغرافیائی اقدام و با انجام برنامه Resampling، تصویر مزبور تصحیح و کوردینت‌دار گردید. برنامه نمونه‌گیری مجدد Resampling از طریق روش استفاده از نزدیکترین همسایه Nearest Neighboring انجام گرفت.

▪بارزسازی تصاویر (Image Enhancement)

قبل از انجام بارزسازی تصاویر بین باندهای مختلف جدول ماتریس همبستگی تشکیل و مشخص شد که باندهای ۷ و ۴ و ۱ و ۲ به ترتیب از درجه واریانس (انحراف معیار) بالائی برخوردارند. در نتیجه همبستگی بین باندهای مزبور بسیار کم بوده و بازتاب‌های طیفی در این باندها از تیاین (Contrast) بهتری برخوردار هستند، که بهترین تصویر ترکیب مجازی رنگی (FCC) از این باندها قبل تهیه است. در بارزسازی تصاویر کارهای بسط داده‌ها (Strechting)، بارزسازی لبه (Edge Enhancement) فیلترگذاری (Filtering) نسبت باندی (Band Ratio) ترکیب کاذب رنگی (False Colore Composite) به‌منظور داشتن تصویری روشن و مشخص در پردازش و تفسیر انجام گرفت.

●تهیه نقشه شوری خاک

▪روش طیفی

در این روش پس از تهیه ترکیب کاذب رنگی (FCC) برای هر دو تصویر ماهواره‌ای قدیم TM سال ۱۹۸۷ و جدید ETM سال ۲۰۰۰ با توجه به رابطه همبستگی بین باندهای آنها، از باندهای ۷ و ۴ و ۲ به ترتیب قرمز سبز آبی (۲، ۴ و ۷) RGB، با اجراء برنامه Sample set نسبت به نمونه‌گیری از ارزش طیفی پیکسل‌های تصاویر با توجه به بازتاب طیفی که بر روی تصاویر با رنگ‌های متفاوت از هم مشخص می‌شوند و براساس شناخت و اطلاعات لازم از منطقه مورد تحقیق با نظر کارشناسی اقدام گردید. از آنجا که کلیه باندهای تصاویر ماهواره‌ها در برنامه Maplist موجود می‌باشند، به‌هنگام نمونه‌گیری طیفی با استفاده از امکانات برنامه که میانگین طیفی، انحراف معیار، تعداد پیکسل‌ غالب، از تعداد پیکسل‌های نمونه‌گیری شده را به‌صورت زیر نشان می‌دهد، همزمان با نمونه‌گیری پارامترهای فوق نیز به‌ دقت کنترل می‌گردید، تا پیکسل‌های انتخابی نزدیک به میانگین بازتاب طیفی تصویر بوده و انحراف معیار نیز بسیار کم باشد، یعنی ارزش طیفی نمونه‌های انتخابی بسیار نزدیک به میانگین ارزش طیفی بوده و یا در محدوده قابل قبول ۹۵% منحنی نرمال قرار گیرند. برای افزایش دقت نمونه‌گیری طیفی در سطح ۹۵% از فرمول زیر استفاده شده است:

N=۴pq/E۲

P=%۹۵ سطح اطمینان

q=۱-p=۱-%۹۵=۰/۰۵

E= ۰/۰۵

تعداد پیکسل= N

N=۴*۰/۹۵*۰/۰۵/(۰/۰۵)^۲ = ۷۰

بنابراین با انتخاب ۷۰ پیکسل برای هر یک از نمونه‌های ارزش طیفی هر کلاس دقت عمل ۹۵% افزایش می‌یابد که برای ضریب اطمینان بالا و کاهش خطا و افزایش دقت به‌هنگام نمونه‌گیری طیفی ده برابر این تعداد یعنی حدود ۷۰۰ پیکسل برای هر یک از نمونه‌ها، انتخاب گردید.

●طبقه‌بندی (Classification)

در ابتدای کار، طبقات کلاس‌ها براساس بازتاب‌های طیفی مجموعه پیکسل‌ها در کلاس‌های زیر قرار گرفتند:

۱. اراضی مسکونی

۲. اراضی زراعی

۳. زراعت آبی آبیاری شده

۴. زراعت آبی با پوشش گیاهی کم

۵. زراعت آبی با پوشش متوسط

۶. زراعت آبی با پوشش گیاهی انبوه

۷. زراعت آبی براشت شده ۱

۸. زراعت آبی برداشت شده ۲

۹. زمین آماده کشت

۱۰. آیش ۱

۱۱. آیش ۲

۱۲. اراضی درختچه‌ای حاشیه رود

۱۳. اراضی زراعی رهاشده

۱۴. اراضی ماندابی

۱۵. اراضی آبراهه‌ای فصلی

۱۶. اراضی ته ماهوری

۱۷. اراضی غیرزراعی

۱۸. اراضی بدون شوری ۱

۱۹. اراضی بدون شوری ۲

۲۰. اراضی شوره‌زار باتلاقی

۲۱. شوری کم

۲۲. شوری کم با پوشش گیاهی انبوه

۲۳. شوری متوسط

۲۴. شوری زیاد

۲۵. شوری زیاد با پوشش گیاهی انبوه

۲۶. شوری زیاد باسله سطحی

۲۷. شوری خیلی زیاد

۲۸. شوری خیلی زیاد باسله سطحی

سپس از روش طبقه‌بندی حداقل فاصله به‌دلیل اعمال دقت لازم با توجه به مطابقت آن با مشاهدات صحرائی، استفاده شد. بعد از انجام طبقه‌بندی کلاس‌ها برای هر دو تصویر ماهواره‌ای قدیم و جدید، دقت طبقه‌بندی مورد ارزیابی قرار گرفت.

علی عبدی

عضو هیئت علمی مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی استان زنجان

منابع:

۱. پاک‌پرور، مجتبی و همکاران، ۱۳۷۸، استفاده از اطلاعات ماهواره‌ای و GIS در تعیین مناطق تحت اثر بیابان‌زائی، گزارش نهائی طرح تحقیقاتی، بخش تحقیقات بیابان، مؤسسه تحقیقات جنگل‌ها و مراتع کشور، معاونت تحقیقات و آموزش، وزارت جهادسازندگی.

۲. خراسانی، نعمت‌الله و ایزدپناه علی، ۱۳۷۱، بررسی حوضه‌‌ آبریز کویر مرکزی و ارزیابی تغییرات شوری در یکی از زیرحوزه‌های آن با استفاده از ماهواره لندست. مجموعه مقالات بررسی مسائل مناطق بیابانی و کویری ایران - مرکز تحقیقات مناطق کویری و بیابانی ایران - یزد - ۳ تا ۲۷ اردیبهشت‌ماه ۱۳۷۱، انتشارات دانشگاه تهران.

۳. زهتابیان، غلامرضا، سید محمود رضا، طباطبائی، ۱۳۷۹، بررسی روند بیابان‌زائی در استان خوزستان با استفاده از پردازش تصاویر ماهواره‌ای (IP) و سیستم اطلاعات جغرافیائی (GIS)، خلاصه مقالات همایش منطقه‌ای توسعه پایدار در زیست بوم‌های بیابانی، یزد، ایران.

۴. علوی‌پناه، سیدکاظم، ۱۳۸۰، مطالعه پدیده‌های طبیعی با استفاده از روش تجزیه و تحلیل مؤلفه‌ها اصلی جمله منابع طبیعی ایران، جلد ۵۴، شماره ۳ سال ۱۳۸۰، شماره استاندارد بین‌المللی ۱۳۱۶-۱۰۲۵، نشریه علمی - پژوهشی دانشکده صنایع طبیعی دانشگاه تهران.

۵. علوی‌پناه و همکاران ۱۳۷۸، مطالعه شوری خاک و پوشش گیاهی متأثر از شوری در منطقه رودخانه شور کرج براساس اطلاعات ماهواره‌ای، مرکز تحقیقات مناطق کویری، دانشگاه تهران، وزارت علوم تحقیقات و فناوری، چکیده تازه‌های تحقیق در دانشگاه و مراکز تحقیقاتی ایران، دوره ۸ شماره ۴، زمستان ۱۳۷۹، مرکز اطلاعات و مدارک علمی ایران.

۶. مسعودی، مسعود، ۱۳۸۰، بررسی قابلیت تصاویر ماهواره‌ای در طبقه‌بندی خاک‌های تحت‌تأثیر شوری و قلیائیت، تحقیقات مرتع و بیابان ایران (۴)، مؤسسه تحقیقات جنگل‌ها و مراتع.

۷. Farifteh Janshid&Farshad Abbas (۲۰۰۲), Remote sensing and modeling topsoil properties, a clud for assessing and degradafion. International jnstitue for Geoinformation science and Earth observation (ITC).P.O.Box۶,۷ ۵۰۰ AA Enschede, The Nether lands.۱۷ th WCSS, ۱۴-۲۱ August ۲۰۰۲. Thailand.

۸. Izadpanah, A, ۱۹۸۷.Monitoring saline soils encroachment in semi-arid regions using satellite imagery Qazvin Plain test site. Arid Lands sciences workshop Tehran, Iran.

۹. Rudi Goossens & Eric Van Ranst, ۱۹۹۸. Theuse of remote Sensing Gypsiferous Soils in the Ismailia Provinc Egypt) Elsevier, ۱۹۹۸, p۴۷-۵۶).

---