بررسی سطح جنگل با استفاده از ماشین بردار پشتیبان و ارائه مدل پیش بینی سطح تغییرات

پیشینه و هدف:

 با توجه به تخریب فزاینده در سطح اکوسیستم‌های طبیعی، تعیین میزان و موقعیت وقوع تغییرات کاربری اراضی و پیش‌بینی روند آن در آینده می‌تواند اطلاعات ارزنده‌ای را به‌برنامه‌ریزان و مدیران ارایه دهد. در این تحقیق به‌منظور پایش تغییرات در حال حاضر و پیش‌بینی آن در آینده در محدوده سیاهکل ارزیابی و پیش‌بینی تغییرات با تصاویر لندست انجام شد. روش‌های گوناگونی برای پیش‌بینی تغییرات کاربری اراضی وجود دارد. فرایندهای پیش‌بینی و مدل‌سازی تغییرات کاربری اراضی، از قبیل رشد و توسعه شهری، جنگل‌زدایی و غیره به‌عنوان ابزاری توانمند در مدیریت منابع طبیعی و پایش تغییرات زیست‌محیطی به شمار می‌آیند. این تغییرات نشان‌دهنده چگونگی تعاملات بشر با محیط‌زیست خود بوده و مدل‌سازی آن در تصمیم‌گیری‌ها و برنامه‌ریزی‌های و مدل‌سازی آن در تصمیم‌گیری‌ها و برنامه‌ریزی‌های کلان، تاثیرگذار است. در این تحقیق نیز با توجه به توانمندی‌های بالای سنجش از‌دور و ابزارهای مدل‌سازی و پیش‌بینی تغییرات با استفاده از سلول‌های خودکار-زنجیره مارکوف در جنگل‌ها در شمال ایران پرداخته شد.

مواد و روش‌ها :

در تحقیق حاضر، از تصاویر لندست 5، سنجنده  TMسال 2000 و لندست 7 سنجنده ETM+ سال 2010 و لندست 8 سنجنده OLI سال 2018 استفاده شد. در مرحله پیش‌پردازش خطاهای موجود بر روی داده‌های خام از قبیل خطاهای رادیومتری، اتمسفری، و هندسی تصحیح می‌گردد. توجه به بررسی‌های صورت گرفته و انطباق راه‌های ارتباطی استخراج شده از نقشه توپوگرافی سازمان نقشه‌برداری با تصویر ماهواره‌ای، این تصاویر فاقد خطای هندسی قابل‌توجهی بود، اما دارای خطای رادیومتریک بود که ابتدا تصحیح رادیومتریک بر روی تصویر ماهواره‌ای با تبدیل DN به رادیانس و سپس انعکاس با استفاده از الگوریتم فلاش در نرم افزار ENVI  صورت گرفت رفع گردید. برای تهیه نمونه‌های تعلیمی از برداشت‌های زمینی، نقشه‌های توپوگرافی با مقیاس 1/25000 سازمان نقشه‌برداری استفاده گردید. 84 نقطه برای کاربری جنگل، 76 نقطه برای کاربری جنگل تنک، 31 نقطه برای کاربری کشاورزی و 21 نقطه برای کاربری شهری برداشت شد. تکنیک‌های طبقه‌بندی برای گروه‌بندی پیکسل‌ها به‌کار می‌روند تا بتوانند جزییات پوشش‌زمین را نشان دهند. پوشش زمین  در پنج کلاسه جنگل  متراکم، جنگل نیمه متراکم، جنگل تنک، منطقه شهری و منطقه کشاورزی طبقه‌بندی گردید. نرم‌افزار سنجش از دور ENVI  چهار نوع کرنل (Kernel) برای ماشین‌بردار پشتیبان چندین روش طبقه‌بندی وجود دارد؛ خطی، چندجمله‌ای، شعاعی و پیچشی، که با توجه به مطالعات بهترین کرنل برای طبقه‌بندی کاربری اراضی روش کرنل شعاعی (RBF) استفاده گردید. از طبقه‌بندی ترکیب باندی مناسبی که بتواند این کلاس‌ها را برای تفسیر بصری از هم جدا کند توسط پلات میانگین طیفی انتخاب شد. این عمل توسط شاخص ترکیب باندی OIF صورت پذیرفت. پس از استخراج کاربری های اراضی  به روش مورد نظر نتایج به دست آمده  دقت سنجی شدند. نقشه‌های تهیه‌شده کاربری اراضی، با نقاط GPS زمینی، نقشه وضع موجود منطقه مقایسه و با استفاده از ماتریس خطای تشکیل‌شده ضریب کاپا و دقت کلی آن به دست آمد، که از 200 نقطه به صورت تصادفی بر روی تصاویر ایجاد شد و کاربری این نقاط توسط بازدیدهای صحرایی و نقشه‌های توپوگرافی سازمان نقشه‌برداری مشخص شد. نقشه‌های طبقه‌بندی کاربری‌های تهیه‌شده، جهت مدل‌سازی و پایش تغییرات کاربری اراضی وارد نرم‌افزار Idrisi شد تا تغییرات کاربری‌ها در سال‌های موردمطالعه مدل‌سازی گردد. درجهت انجام مدل‌سازی تغییرات کاربری اراضی از مدل LCM در محیط نرم‌افزار Idrisi استفاده شد. مدل Markov-CA تلفیقی از سلول‌های خودکار، زنجیره  مارکوف و تخصیص چندمنظوره اراضی است. مدل مارکوف همچنین موقعیت هر کاربری را با تولید مجموعه‌ای از تصاویر احتمال وضعیت از ماتریس احتمال انتقال نشان می‌دهد. در مرحله آخر از مدل‌سازی با استفاده از ماتریس مساحت انتقال در مدل CA مارکوف می‌توان نقشه شبیه‌سازی شده از کاربری اراضی در آینده را به دست آورد. در پژوهش حاضر، از نقشه کاربری اراضی سال 2010 و 2018 استفاده شد تا نقشه سال 2028 پیش‌بینی شود. به منظور بررسی دقت پیش‌بینی توسط CA مارکوف با استفاده از نقشه کاربری سال 2000 و 2010، نقشه سال 2018 را پیش‌بینی کرده و با نقشه‌ای که از طریق طبقه‌بندی نظارت شده برای این سال به دست آمده است مقایسه شد.

نتایج و بحث:

 ارزیابی صحت طبقه‌بندی با استفاده از شاخص ضریب کاپا و دقت کلی به دست آمد. ضریب کاپا و دقت کلی برای تصویر سال 2000، به ترتیب 0.88 و 0.89 و برای تصویر 2010، 0.91 و 0.92 و برای تصویر سال 2018، 0.93 و 0.95 به‌دست آمد. تصاویر طبقه‌بندی شده وارد نرم افزار ایدریسی شده و به پایش تغییرات با LCM پرداخته شد. پایش تغییرات در مدل LCM نشان داد در طی سال‌های 2000 تا 2018، بیشترین تغییرات مربوط به تبدیل کاربری جنگل نیمه‌متراکم با مساحت 4104.27 هکتار بوده است. تغییرات کاربری شهری نیز در دوره مطالعه زیاد و به مقدار 148.14 هکتار افزایش داشته است. جدول احتمال تغییرات کاربری‌ها در مدل مارکوف تولید و با نقشه تولیدی در این مرحله، برای سال‌های مطالعاتی پیش‌بینی با مارکوف برای سال‌های 2018 و 2028 نشان داد در سال 2028 مساحت کلاس شهری به 21293.1 هکتار افزایش یافته و مساحت کاربری با ارزش جنگل متراکم به 2189.97 هکتار کاهش می‌یابد.

نتیجه‌ گیری:

 جهت جلوگیری از گسترش بی‌رویه شهرها، مناطق مسکونی و تخریب عرصه‌های جنگلی و پوشش‌گیاهی باید اقدامات مدیریتی انجام شود و تصمیمات مدیریتی اتخاذ گردد. مقدار سطح جنگل‌های متراکم و نیمه‌متراکم در مناطق با شیب زیاد تا سال 2028 کاهش  بیشتری می‌یابد. تغییرات کاربری شهری نیز در دوره مطالعه به مقدار 148.14 هکتار افزایش داشته است. نتایج بررسی مساحت کلاس‌های پیش‌بینی نشان داد در سال 2028 مساحت کلاس شهری به 21293.1 هکتار افزایش یافته و مساحت کاربری با ارزش جنگل متراکم به 2189.97 کاهش می‌یابد. قابلیت مدل ماشین‌بردار در تعیین پوشش/کاربری زمین، پوشش گیاهی و پوشش جنگلی در مناطق مختلف به اثبات رسیده است. ابزار سنجش از‌دور می‌تواند به‌عنوان یک بازوی مهم در تولید اطلاعات درمدیریت منابع‌طبیعی باشد.