منیژه رجب پور رحمتی
-
آگاهی از ارتفاع تاج پوشش جنگل به منظور ارزیابی سلامت و پویایی بوم سازگان جنگل، پایش و مدل سازی چرخه کربن و تنوع زیستی، امری ضروری است. اندازه گیری ارتفاع تاج پوشش جنگل مستلزم صرف هزینه و زمان زیاد است. از سال 2018 میلادی، ماهواره ICESat-2 که سنجنده لیزری ATLAS را حمل می کند، امکان اندازه گیری مستقیم ارتفاع درختان را فراهم کرده است. هرچند که ICESat-2 به طور خاص برای برآورد ارتفاع یخ های قطبی طراحی شده است، اما داده های ارتفاعی قابل توجهی از پوشش گیاهی سطح کره زمین را نیز ارائه می دهد. از این رو، هدف از این پژوهش بررسی قابلیت سنجنده ATLAS این ماهواره در برآورد دقیق ارتفاع تاج پوشش جنگل های شمال ایران است. برای این منظور، داده های ارتفاعی پوشش گیاهی سنجنده ATLAS (ATL08) در جنگل آموزشی-پژوهشی خیرود مورد ارزیابی قرار گرفت. برای بررسی میزان صحت ارتفاع برآورد شده تاج پوشش درختان توسط سنجنده ATLAS، داده های ارتفاعی حاصل از ماهواره با حداکثر ارتفاع اندازه گیری شده در 121 لکه زمینی مقایسه و آماره های RMSE و rRMSE محاسبه شدند. همچنین با استفاده از آزمون t، میانگین این داده ها از نظر آماری مقایسه شدند. مقادیر RMSE، rRMSE و R2 به ترتیب 0/87 متر و 2/7 درصد و 0/98 نشان دهنده دقت بالای سنجنده در اندازه گیری ارتفاع تاج پوشش جنگل بود. نتایج آزمون t نیز نشان داد که میانگین این داده ها از نظر آماری اختلاف معنی داری ندارد (0/05<P). نتایج این پژوهش نشان داد که حتی باوجود بیش برآورد ارتفاع تاج پوشش جنگل در مناطقی با درختان کم ارتفاع، این ماهواره ارتفاع تاج پوشش جنگل در مناطق جنگلی شمال ایران را با صحت بسیار خوبی برآورد می کند.
کلید واژگان: ارتفاع تاج پوشش جنگل, سنجنده ATLAS, لایدار فضایی, Icesat-2Knowing the forest canopy height is essential for evaluating the health and dynamics of forest ecosystems, as well as for monitoring and modeling the carbon cycle and biodiversity. However, measuring canopy height through ground surveys is costly and time-consuming. Since 2018, the ICESat-2 satellite, equipped with the ATLAS laser sensor, has enabled the direct measurement of tree height. Although ICESat-2 is specifically designed to estimate ice height, it also provides significant data on vegetation height on the Earth's surface. This study aims to investigate the ability of the ATLAS sensor to accurately estimate forest canopy height in northern Iran. For this purpose, the vegetation height data from the ATLAS sensor (ATL08) was evaluated in the Kheyroud experimental forest. To validate the accuracy of the estimated forest canopy height by ATLAS, the forest height data obtained from the satellite were compared with the maximum tree height measured in 121 plots collocated with LiDAR footprints. The estimated forest canopy height by ATLAS and the maximum measured height of trees were compared using a t-test. The RMSE, rRMSE, and R2 values were 0.87 m, 2.7%, and 0.98, respectively, indicating the high accuracy of the ATLAS sensor in forest canopy height estimation. The results of the t-test showed that the mean difference between the measured maximum height of trees in the plots and the corresponding values extracted from ICESat-2 satellite data is not statistically significant (P > 0.05). This study demonstrates that the satellite estimates forest canopy height with very good accuracy in the forests of northern Iran, with a slight overestimation in areas with low-height trees.
Keywords: ATLAS Sensor, Forest Canopy Height, Icesat-2, Space-Borne Lidar -
سابقه و هدف
آگاهی از موقعیت مکانی تیپ های جنگلی، اطلاعات ارزشمندی را برای برنامه ریزی و مدیریت پایدار جنگل ها فراهم می کند. استفاده از فناوری سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی در تهیه این قبیل اطلاعات به ویژه در مناطق کوهستانی و صعب العبور، مورد توجه بسیاری از محققان و مجریان طرح های جنگلداری است. به همین منظور تحقیق حاضر با هدف بررسی قابلیت داده های ماهواره های لندست8 و سنتینل2 در تهیه نقشه تیپ جنگل های هیرکانی در حوضه آبخیز کجور انجام شد.
مواد و روش هاپس از بررسی کیفیت داده ها، به منظور استخراج هر چه بهتر اطلاعات پردازش هایی مانند تهیه شاخص های گیاهی، تبدیل تسلدکپ، تحلیل مولفه های اصلی و ادغام بر روی تصاویر ماهواره ای صورت گرفت. به منظور تهیه نقشه واقعیت زمینی از اطلاعات موجود (شهریور 1392 و اردیبهشت 1393) و همچنین برداشت های میدانی انجام شده در شهریور 1397 (در مجموع 60 قطعه نمونه)، استفاده گردید. تعیین تیپ تمامی قطعه نمونه ها براساس روش گرجی بحری انجام شد. در ادامه پس از بررسی میزان تفکیک پذیری تیپ ها و تعیین تعداد طبقات (راش خالص، راش آمیخته، راش- ممرز، ممرز آمیخته، لور خالص و لور-اوری)، نقشه های تیپ جنگل با استفاده از داده های ماهواره ای و به کارگیری الگوریتم های ماشین بردار پشتیبان، جنگل تصادفی، شبکه عصبی مصنوعی و حداکثر تشابه تهیه شد. به-منظور ارزیابی دقیق تر عملکرد روش های طبقه بندی از دو دسته نمونه تعلیمی با تعداد پیکسل های متفاوت برای آموزش در الگوریتم های طبقه بندی استفاده شد.
یافته هانتایج این تحقیق نشان داد که داده های ماهواره سنتینل2 از قابلیت بیشتری در مقایسه با داده های ماهواره لندست8 برای تهیه نقشه تیپ جنگل برخوردار هستند، به ویژه وقتی که تعداد تیپ ها زیاد باشد. از سوی دیگر یافته های این تحقیق نشان داد با به کارگیری روش ادغام مناسب برای داده های هر یک از ماهواره ها، می توان نقشه تیپ جنگل دقیق تری تولید کرد. ارزیابی عملکرد الگوریتم های مختلف طبقه بندی نیز نشان داد که میزان نمونه های تعلیمی در نتایج تاثیر دارد، به طوری که با استفاده از نمونه های تعلیمی کمتر، روش-های ماشین بردار پشتیبان و حداکثر تشابه در بیشتر حالت ها بهترین عملکرد را ارایه کردند، اما با افزایش 100 درصدی تعداد نمونه های تعلیمی، بهترین نتایج در تمامی حالت ها با استفاده از روش جنگل تصادفی حاصل گردید.
نتیجه گیریبر اساس یافته های این پژوهش و با توجه به نتایج با ثبات تر روش های ماشین بردار پشتیبان و جنگل تصادفی در حالت-های مختلف طبقه بندی، الگوریتم های مذکور برای تهیه نقشه تیپ قابلیت بالاتری نسبت به دو روش دیگر دارند. با توجه به صحت طبقه-بندی ها، می توان بیان داشت که داده های ماهواره های لندست8 و سنتینل2 از قابلیت متوسطی (صحت کلی حدود 75% در طبقه بندی با چهار تیپ) برای تهیه نقشه تیپ جنگل های هیرکانی برخوردار هستند. برای ارزیابی دقیق تر این داده ها، پیشنهاد می شود تحقیقات تکمیلی در سایر رویشگاه های جنگل های هیرکانی ضمن در نظر گرفتن ویژگی های فنولوژیکی و شرایط توپوگرافی منطقه انجام شود.
کلید واژگان: نقشه تیپ جنگل, لندست8, سنتینل2, ماشین بردار پشتیبان, جنگل تصادفیBackground and ObjectivesInformation on forest types and their spatial distribution are valuable for sustainable forest management and planning. The use of remote sensing technology and geographic information system for providing such fundamental information specially in mountainous and remote areas, has been considered by many researchers and forest managers. The current study aims to investigate the capability of Landsat-8 and Sentinel-2 satellite data to generate forest type map in the Kojur watershed of Hyrcanian forests. The performance of some parametric and non-parametric classification methods was also compared.
Materials and MethodsFollowing quality assessment, some preprocessing techniques including vegetation indices (VI) extraction, tasseled cap transformation (TCT), principal component analysis (PCA) and fusion were applied on the satellite imagery. Field information collected in September 2018 plus available field data from September 2013 and May 2014, in total 60 sample plots, were used to produce a ground truth map. Forest type was determined through Gorji Bahri approach in each plot. Based on forest types separability, six types were identified (pure beech, mixed beech, beech-hornbeam, mixed hornbeam, pure eastern hornbeam, and eastern hornbeam-Persian oak) to be classified using satellite data. The performance of some classifiers like support vector machine (SVM), random forest (RF), artificial neural network (ANN) and maximum likelihood (ML) was analyzed using two different training datasets.
ResultsThe results indicated that the sentinel-2 dataset performed better than Landsat-8 for producing forest type map specially when the number of classes increases. It was also found that image fusion methods on sentinel-2 and landsat-8, appropriately improved the result of classifications. This research confirms the effectiveness of number of training samples on the performance of classifiers. Respecting the accuracy assessment criterion, the SVM and RF algorithms showed better result while only 22% of field data was used as training samples. By increasing the number of training samples to 50% of field measurements, the highest accuracy was obtained using RF algorithm applying on all datasets from two satellites.
ConclusionThe Landsat-8 and Sentinel-2 satellite data have moderate capability (overall accuracy around 75% for four-class classification) for mapping forest types in the Hyrcanian forest. The SVM and RF produced more stable and accurate results in comparison with two other algorithms, ANN and ML. Complementary studies are recommended in different forest sites while considering phenology of species and topographic attributes.
Keywords: Forest type map, Landsat-8, Sentinel-2, Support vector machine, Random Forest -
اندازه گیری موجودی سرپای جنگل یکی از متغیرهای کمی مهم است که نقش بسیاری در برنامه ریزی و مدیریت جنگل دارد. در این تحقیق، تلاش شد تا این ویژگی در بخشی از جنگل های کوهستانی شمال ایران (نوشهر)، با استفاده از داده های لیدار فضایی برآورد شود. بدین منظور، طی پیش پردازش های اولیه روی داده های ICESat/GLAS از دو ماموریت متفاوت (L3K و L3I)، ضمن حذف داده های نامطلوب، سنجه های گوناگونی همچون گستره شکل موج (Wext)، گستره لبه پیشتاز (Hlead)، گستره لبه پشتی (Htrail) و سنجه های ارتفاع در چارک های انرژی (25H، 50H، 75H و 100H) از شکل موج ها (waveform) استخراج شد. همچنین، با استفاده از روش تحلیل مولفه های اصلی (PCA) روی شدت سیگنال های شکل موج، ضمن حذف نویزها و فشرده سازی اطلاعات، مولفه های جدیدی تولید و به کار گرفته شد. با توجه به کوهستانی و شیب دار بودن منطقه و تاثیر آن در ویژگی های شکل موج، از مدل رقومی ارتفاع برای استخراج شاخص زمینی (TI) که بیانگر اطلاعات مربوط به توپوگرافی زمین است، استفاده شد. به منظور توسعه مدل های رگرسیونی و اعتبارسنجی آنها، حجم سرپا در 60 قطعه نمونه زمینی به قطر هفتاد متر اندازه گیری شد. سپس مدل های رگرسیون چندگانه و شبکه عصبی مصنوعی براساس دو دسته متغیر شامل سنجه های استخراج شده از شکل موج و مولفه های حاصل از PCA برای برآورد حجم سرپا توسعه داده شدند و به روش اعتبارسنجی متقابل پنج گردشی ارزیابی شدند. به طورکلی، هر دو روش رگرسیون چندگانه و شبکه عصبی مصنوعی نتایج تقریبا مشابهی داشتند. در این میان، روش شبکه عصبی مصنوعی براساس مولفه های حاصل از PCA قادر بود موجودی سرپای جنگل را با m3/ha9/119=RMSE و 73/0= برآورد کند (6/26=RMSE%). یکی از نکات مثبت این مدل درمقایسه با دیگر مدل ها، وابسته نبودن متغیرهای ورودی به کاررفته (1PC، 2PC، 3PC و Wext)، به شناسایی صحیح قله زمین است که در مناطق شیب دار مشکل و با خطا همراه است. نیاز نداشتن به داده کمکی (مدل رقومی ارتفاع) و برآورد صحیح تر حجم جنگل در قطعه نمونه های تنک با موجودی سرپای کم از دیگر نکات مثبت این مدل است.کلید واژگان: حجم سرپای جنگل, لیدار فضایی, ICESat GLAS, رگرسیون چندگانه, شبکه عصبی مصنوعیEstimation of Forest Stand Volume Using ICESat/GLAS Data in Mountainous Forests in the North of IranForest volume as an important factor in forest management was aimed to be measured in mountainous forests in the North of Iran using spaceborne LiDar. Two missions of GLAS (L3K and L3I) were preprocessed to remove inappropriate waveforms. Several waveform metrics including waveform extent (Wext), lead edge extent (Hlead), trail edge extent (Htrail) and quartile heights (H25, H50, H75 and H100) were extracted. Principal component analysis (PCA) was also applied to reduce noises from waveform signals and produce new components (PCs). In order to decrease the effect of terrain slope on waveforms, terrain index (TI) describing topographic information was extracted from a digital elevation model (DEM). Forest stand volume was measured on 60 circle plots with diameter of 70 m for developing volume models and their validation. Multiple regression and artificial neural network models were built based on two sets of variables including waveform metrics and PCs. Generally, both multiple regression and neural network methods produced approximately the same result. A neural network combining three first PCs of PCA and Wext estimated forest volume with an RMSE and of 119.9 m and 0.73, respectively (RMSE%=26.6). Interesting points regards to this model is employing PCs and Wext as input variables which are not affected by terrain slope, achieving slightly better accuracy without adding any ancillary data (DEM), and showing better performance in short sparse stands in comparison with other developed models.Keywords: Forest stand volume, Spaceborne LiDar, ICESat GLAS, Multiple regression, Artificial neural network
-
اندازه گیری ارتفاع تاج پوشش در جنگل مستلزم صرف زمان و هزینه زیاد است. در مقابل داده های لیدار سنجنده GLAS ماهواره ICESat امکان اندازه گیری ارتفاع را از طریق اندازه گیری فاصله سنجنده تا پدید یا سطح مورد دید فراهم می آورد. از این رو، هدف از این پژوهش بررسی قابلیت این داده ها برای برآورد ارتفاع تاج پوشش در جنگل های شمال ایران است. به این منظور یک نوار شمالی- جنوبی از داده های ICESat-GLAS در شرق جنگل آموزشی- پژوهشی خیرود تجزیه وتحلیل شد. سنجه های گستره شکل موج، گستره لبه پیشتاز و گستره لبه پشتی شکل موج ها محاسبه شد. همچنین شاخص زمینی براساس مدل رقومی زمین در محل لکه های زمینی لیدار محاسبه شد. برای برآورد حداکثر ارتفاع تاج پوشش جنگل، روش مستقیم (اختلاف بین سیگنال آغازین و قله زمین) و مدل های رگرسیونی مختلفی آزمون شد. به منظور توسعه مدل های رگرسیونی و اعتبارسنجی آنها، ارتفاع 330 درخت از بلندترین درختان در 33 قطعه نمونه زمینی دایره ای به قطر 70 متر در محل لکه های زمینی لیدار در جنگل اندازه گیری شد. ارتفاع برآورد شده به روش مستقیم دارای و RMSE به ترتیب 0/56 و 10/32 متر بود، اما مدل های رگرسیونی براساس سنجه ها و مدل رقومی زمین، نتایج بهتری ارائه داد. بهترین مدل با کمترین مقدار معیار اطلاعاتی آکائیکه (204/55) با استفاده از گستره شکل موج و شاخص زمینی دارای و RMSE به ترتیب 0/82 و 6/16 متر بود. نتایج این پژوهش نشان داد که با استفاده از داده های لیدار فضایی می توان حداکثر ارتفاع تاج پوشش را در مناطق شیب دار با دقت رضایت بخش به ویژه در سطوح وسیع برآورد کرد. امید است با به کارگیری دیگر روش های آماری و یافتن الگوریتم هایی در جهت کاهش اثر شیب بر داده های لیدار، بتوان برآوردی دقیق تر از ارتفاع به عمل آورد.
کلید واژگان: حداکثر ارتفاع تاج پوشش, لیدار فضایی, گستره شکل موج, گستره لبه پشتی, گستره لبه پیشتاز, ICESat, _ GLASForest canopy height is an important input variable to derive a set of essential parameters of forest stands, which is yet costly and time consuming when measured based on ground surveys. The satellite-based laser scanner data from ICESat-GLAS provide a 3D representation of gorund objects by measuring the distance from spacecraft to the objects on the earth surface. By means of these data, this study aims to estimate forest canopy height in a portion of mountainous Kheyroud experimental forests in north of Iran. An ICESat-GLAS dataset was analyzed. Several metrics including waveform extent, lead-edge extent and trail-edge extent were extracted from waveform data, and a terrain index was additionally calculated based on a digital elevation model at the location of all laser footprints. Forest canopy height was retrieved by calculating difference between signal begin and ground peak (direct estimation) and regression models (indirect estimation). For fitting the regression, a number of 330 highest trees were measured in 33 circular plots (70 meter diameter) which were collocated with LiDAR footprints. The directly estimated height produced and RMSE values of 0.56 and 10.32 m, respectively. Compared to this, regression models based on combined waveform metrics and digital elevation model provided better results. Best model fit with lowest AIC= 204.55 was achieved using waveform extent and terrain index variables (=0.82; RMSE= 6.16m). The ICESat-GLAS therefore concluded to be able to retrieve a relatively accurate estimate of maximum forest canopy height in such steep mountainous area, especially on small scales. Better results are assumed to be achieved using other statistical methods, as well as by an improved waveform processing techniques.Keywords: Maximum canopy height, waveform extent, trail, edge extent, lead, edge extent, space, borne LiDAR, ICESat, GLAS -
به منظور بررسی قابلیت تصاویر سنجنده SPOT5–HRG در تهیه نقشه انبوهی جنگلهای خزری، داده های این سنجنده با اندازه تفکیک مکانی 5 و 10 متر مربوط به سال 1381 مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. این مطالعه در منطقه ای به وسعت 10000 هکتار در جنوب غربی شهرستان املش در استان گیلان انجام شد. پردازش رقومی داده های ماهواره ای به روش های مناسبی چون نسبت گیری، ادغام و تبدیل PCA انجام شد و تعداد زیادی باند مصنوعی همراه با باندهای اصلی، در تجزیه و تحلیل ها مورد استفاده قرار گرفت. برای ارزیابی صحت نتایج طبقه بندی، یک نقشه واقعیت زمینی نمونه ای در سطحی حدود 2500 هکتار از منطقه مورد مطالعه با استفاده از 7 قطعه عکس هوایی 1:40000 مربوط به سال 1380 تهیه گردید. بدین منظور بعد از تهیه ارتوفتوموزائیک رقومی عکس هوایی، تعداد 2520 قطعه نمونه یک هکتاری در کل سطح منطقه پیاده شد و درصد تاج پوشش در هر قطعه نمونه با استفاده از شبکه نقطه چین 45 نقطه ای، محاسبه گردید. طبقه بندی داده های ماهواره ای با استفاده از الگوریتم های طبقه بندی نظارت شده حداقل فاصله از میانگین و حداکثر تشابه در ابتدا با 6 طبقه انبوهی انجام شد. به دلیل تفکیک پذیری کم بین برخی طبقه ها، این طبقات در هم ادغام شدند. در نهایت طبقه بندی با 3 طبقه انبوهی (1 تا 10، 10 تا 50 و 50 تا 100 درصد) و یک طبقه غیرجنگل با روش حداکثر تشابه، بهترین نتیجه را در بر داشت. در این طبقه بندی، صحت کلی و ضریب کاپا به ترتیب 74 درصد و 33/0 برآورد شد. بیشترین صحت تولیدکننده و کاربر (به ترتیب 95 و 82 درصد) مربوط به طبقه 3 انبوهی (50 تا 100 درصد) و کمترین آنها (به ترتیب 11 و 32 درصد) مربوط به طبقه یک انبوهی (1 تا 10 درصد) بود. هرچند که صحت کلی 74 درصد برای طبقه بندی 4 طبقه ای را می توان نسبتا خوب ارزیابی کرد، ولی با توجه به ضریب کاپای کم (33/0)، در مجموع نتایج طبقه بندی را نمی توان چندان مطلوب ارزیابی نمود. بنابراین برای کسب نتایج بهتر، آزمون قابلیت سنجنده هایی با توان تفکیک طیفی بهتر و روش هایی مانند طبقه بندی شیء- پایه پیشنهاد می شود.
کلید واژگان: ماهواره SPOT5, واقعیت زمینی, عکس های هوایی, نقشه انبوهی جنگل, طبقه بندی, صحتIn order to investigate the capability of SPOT5-HRG data for forest density mapping in Caspian forests, the data of this sensor with 5 and 10 spatial resolutions dated 2002 were analyzed. The study area with 10000 ha is located in south western of Amlash city in Guilan province. In addition to original bands, some synthetic bands using ratio, fusion and transformation methods were created and used. In order to accuracy assessment of classification results, a ground truth map covering 26% of total area was prepared based on seven aerial photos (1:40000) dated 2001. The aerial photos were orthorectified and mosaiced. A total of 2520 circle sample plots with one ha area were selected on the digital orthophotomosaic. Canopy closure percent of each plot was interpreted using a 45 dot grid. Satellite data were classified by supervised classification methods including minimum distance to mean (MD) and maximum likelihood (ML). The highest overall accuracy and kappa coefficient equal to 74% and 0.33 were obtained by maximum likelihood classifier with four classes (1-10%, 10-50%, 50-100% and non-forest). Third density class (50-100%) represented highest producer and user accuracy, 95% and 82%, respectively. Lower producer and user accuracy were related to first density class 11% and 32%, respectively. It could be concluded that due to low kappa coefficient (0.33), even if reaching to pretty good overall accuracy (74%), the result of classification was not desirable. To obtain a better result, it is suggested to test other classification methods like object-based. Using higher spectral resolution data are also offered.Keywords: SPOT5 satellite, ground truth, aerial photos, forest density map, classification, accuracy
- در این صفحه نام مورد نظر در اسامی نویسندگان مقالات جستجو میشود. ممکن است نتایج شامل مطالب نویسندگان هم نام و حتی در رشتههای مختلف باشد.
- همه مقالات ترجمه فارسی یا انگلیسی ندارند پس ممکن است مقالاتی باشند که نام نویسنده مورد نظر شما به صورت معادل فارسی یا انگلیسی آن درج شده باشد. در صفحه جستجوی پیشرفته میتوانید همزمان نام فارسی و انگلیسی نویسنده را درج نمایید.
- در صورتی که میخواهید جستجو را با شرایط متفاوت تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مطالب نشریات مراجعه کنید.