پهنه‌بندی رطوبت خاک سطحی با استفاده از تصاویر لندست 8 (مطالعه موردی: حومه شهر سمنان)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری بیابان‌زدایی، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

2 دانشیار بیابان‌زدایی، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

چکیده

پایش رطوبت سطحی خاک، به‌عنوان عامل مهم در چرخة آب و انرژی در مدیرت منابع آب‌وخاک بسیار مهم تلقّی می‌شود. این فاکتور مهم، به­دلیل تغییرپذیری ویژگی‌های خاک، توپوگرافی، پوشش گیاهی و پویایی آب‌وهوا در زمان و مکان، به‌شدّت تغییر می­کند. رطوبت خاک اثر فوری روی رواناب، فرسایش خاک و تولید گیاهان دارد؛ همچنین عامل مهم در رشد گیاهان محسوب می­شود؛ از طرفی کاهش رطوبت خاک، عاملی برای افزایش ریزگردها در مناطق بیابانی محسوب می­شود. روش‌های سنجش‌ازدور قادرند اطّلاعات رطوبت خاک را در گسترة وسیع با فواصل زمانی کوتاه، با دقّت قابل قبول ارائه دهند. در پژوهش حاضر با استفاده از دادة ماهوارة لندست 8، روش‌های مختلف برآورد رطوبت سطحی خاک مورد آزمون قرار گرفت. به‌منظور ارزیابی دقّت هرکدام از روش‌ها، از داده­های میدانی واقعی استفاده شد. 80 نمونه از رطوبت حجمی خاک سطحی در مناطق حومة سمنان در تاریخ گذر ماهواره از منطقه گرفته شد. برخی شاخص‌هایی که در این پژوهش استفاده شد عبارت‌اند از شاخص گیاهی تفاضلی نرمال­شده، شاخص تفاضلی نرمال­شدة کشاورزی، شاخص تفاضلی نرمال­شدة رطوبت، شاخص عمودی رطوبت خاک، دمای سطح و شاخص رطوبت خاک باند کوتاه مادون قرمز. در گام بعدی، با استفاده از مدل­های رگرسیونی چندمتغیّره اقدام به تهیّة مدل رطوبت خاک سطحی با استفاده از شاخص‌های مورد مطالعه شد. شاخص رطوبت خاک باند کوتاه مادون قرمز با ضریب همبستگی 78/0 و ضریب تبیین مدل رگرسیونی 61/0 شاخص مناسبی برای پهنه‌بندی رطوبت سطحی خاک در مناطق خشک و بیابانی ارزیابی گردید. سه شاخص رطوبت خاک باند کوتاه مادون قرمز، شاخص تفاضلی نرمال­شدة کشاورزی و شاخص تفاضلی نرمال‌شدة رطوبت با تفاوت اندک، شاخص­های مناسبی هستند. یافته‌های این پژوهش نشان از برتری مدل رگرسیونی هم‌زمان در تهیّة نقشة رطوبت خاک سطحی دارد.
 

کلیدواژه‌ها


آذرنیوند، حسین؛ جعفری، محمد؛ مقدم، محمدرضا، جلیلی، عادل؛ زارع چاهوکی، محمدعلی (1381) بررسی تأثیر خصوصیات خاک و تغییرات ارتفاع بر پراکنش دو گونه درمنه (مطالعة موردی: مراتع مناطق وردآورد، گرمسار و سمنان)، منابع طبیعی ایران، 56 (1 و 2)، صص. 100-93.
بابازاده، حسین، نوروزی اقدم، الناز، عقیقی، حسین، شمس­نیا، سید امیر، خدادادی دهکردی، داوود (1391) تخمین رطوبت لایة سطحی خاک اراضی مرتعی مناطق خشک و نیمه‌خشک با استفاده از شاخص دما و پوشش گیاهی (مطالعة موردی: استان خراسان)، تحقیقاتمرتعوبیابانایران، 19 (1)، صص. 132-120.
بابائیان، ابراهیم؛ همایی، مهدی؛ نوروزی، علی­اکبر (1392) برآورد رطوبت خاک سطحی با استفاده از تصاویر رادار ENVISAT/ASAR، پژوهش آب در کشاورزی، 27 (4)، صص. 622-611.
خانمحمدی، فاطمه؛ همایی، مهدی؛ نوروزی، علی­اکبر (1393) برآورد رطوبت خاک به کمک شاخص‌های پوشش گیاهی و دمای سطح خاک و شاخص نرمال شده رطوبت با استفاده از تصاویر MODIS، حفاظت منابع آب‌وخاک، 4 (2)، صص. 45-37.
دادرسی سبزوار، ابوالقاسم؛ آخوندعلی، علی­محمد؛ رادمنش، فریدون؛ نوروزی، علی­اکبر (1396) تخمین توزیع مکانی رطوبت سطحی خاک در مناطق خشک و نیمه­خشک با استفاده از داده­های دورسنجی، تحقیقات مرتع و بیابان، 24 (2)، صص. 382-370.
زارع چاهوکی، محمدعلی؛ خلاصی اهوازی، لیلا؛ آذرنیوند، حسین (1392) مدل­سازی پراکنش گونه­های گیاهی براساس عوامل خاک و توپوگرافی با استفاده از روش رگرسیون لوجستیک در مراتع شرق سمنان، مرتع و آبخیزداری، 67 (1)، صص. 59-45.
فراستی، معصومه؛ رحمانی، مهسا (1395) ارزیابی دقّت دستگاه انعکاس­سنجی حوزه زمانی در خاک‌های رسی و شنی شور، دانش آب‌وخاک، 26 (2)، صص. 52-43.
فرح­بخشی، ملودی؛ علیجانی، بهلول؛ فتاحی، ابراهیم (1394) تحلیل سینوپتیکی مخاطرة گردوغبار (10تا 12 مرداد 1392) ایران، دانش مخاطرات، 2 (1)، صص. 20-5.
فیاض، محمد؛ عامری، حسین؛ یزدان­شناس، حبیب؛ یگانه، حسن (1394) بررسی ارزش رجحانی گونه­های مرتعی برای شتر در مراتع ییلاقی و قشلاقی سمنان طی سه سال متوالی، پژوهش­های گیاهی (مجلّة زیست­شناسی ایران)، 28 (4)، صص. 802-794.
کوه­بنانی، حمیدرضا؛ دشتی امیرآباد، جمال؛ نیکو، شیما؛ تایا، علی (1396) پهنه­بندی شدّت بیابان­زایی با استفاده از رویکرد منطق فازی (مطالعة موردی: دیهوک طبس)، پژوهش­های فرسایش محیطی، 25 (1)، صص. 49-35.
کوه­بنانی، حمیدرضا؛ یزدانی، محمدرضا (1397) واسنجی مدل سبال به­منظور اندازه­گیری تبخیر و تعرّق از روی سنجندة LDCM، مرتع و آبخیزداری، 71 (1)، صص. 283-269.
نامدار خجسته، داوود؛ شرفا، مهدی؛ اسکندری، ذبیح­الله؛ فاضلی سنگانی، محمود (1391) تأثیر میزان رس و شوری خاک در رطوبت حجمی اندازه­گیری­شده با انعکاس­سنجی زمانی، پژوهش‌های خاک، 25 (2)، صص. 112-103.
Adegok, J. O., Carleton, A. M. (2002) Relations between Soil Moisture and Satellite Vegetation Indices in the U.S. Corn Belt, American Meteorological Society, 3, pp. 395-405.
Amani, M., Parsian, S., Mirmazloumi, S., Aienh, O. (2016) Two New Soil Moisture Indices Based on the NIR-Red Triangle Space Oflandsat-8 Data, International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 50, pp. 176-186.
Bandara, R., Walker, J. P.,  Ruediger, Ch. (2014) Towards Soil Property Retrieval from Space:Proof of Concept Using in Situ Observations, Hydrology, 512, pp. 27-38.
Fabre, S., Briottet, X., lesaignoux, A. (2015) Estimation of Soil Moisture Content from the Spectral Reflectance of Bare Soils in the 0.4-2.5 μm Domain, Sensors, 15, pp. 3262-3281.
Farrar, T. J., Nicholson, S. E., Lare, A. R. (1994) The Influence of Soil Type on the Relationships between NDVI, Rainfall, and Soil Moisture in Semiarid Botswana. II. NDVI Response to Soil Moisture, Remote Sensing of Environment, 50, pp. 121-133.
Gao, Z., Xu, X., Wang, J., Yang, H., Huang, W., Feng, H. (2013) A Method of Estimating Soil Moisture Based on the Linear Decomposition of Mixture Pixels, Math Comput Modell, 58 (3), pp. 606-613.
Ghulam, A., Qin, Q., Teyip, T., Li, Z. L. (2007) Modified Perpendicular Drought Index (MPDI): a Real-Time Drought Monitoring Method. ISPRS J, Photogramm Remote Sens, 62 (2), pp. 150-164.
Jiang, L., Islam, S. A. (2001) Estimation of Surface Evaporation Map Over Southern Great Plains Using Remote Sensing Data, Water Resources Research, 37, pp. 329-340.
Li, B., Ti, C., Zhao, Y., Yan, X. (2016) Estimating Soil Moisture with Landsat Data and Its Application in Extracting the Spatial Distribution of Winter Flooded Paddies, Remote Sensing, 8, pp. 38-52
Li, Z., Tan, D. (2013) The Second Modified Perpendicular Drought Index (MPDI1): A Combined Drought Monitoring Method with Soil Moisture and Vegetation Index, Indian Society Remote Sensing, 41 (4), pp. 873-881.
Lobell, D. B., Gregory P., Asner, G. P. (2002) Moisture Effects on Soil Reflectance, SOIL SCI, SOC. AM. J, 66, pp. 112-127.
Milfred, C. J.,  Kiefer, R. W. (1976) Analysis of Soil Variability with Repetitive Aerial Photography, America Journal of Soil Science Society, 40 (4), pp. 553-557.
Moran, M. S., Clarke, T. R., Inoue, Y., Vidal, A. (1994) Estimating Crop Water Deficit Using the Relation between Surface-Air Temperature and Spectral Vegetation Index, Remote Sens Environ, (49), pp. 246-263.
Pengxin, W., Zhengming, W., Jianya, G., Xiaowen, L., Jindi, W. (2003) Advances in Drought Monitoring by Using Remotely Sensed Normalized Difference Vegetation Index and Land Surface Temperature Products. Adv, Earth Science, 18 (4), pp. 527-533.
Petropoulos, G. P., Ireland, G., Barrett, B. (2015) Surface Soil Moisture Retrievals from Remote Sensing: Current Status, Products & Future Trends, Physics and Chemistry of the Earth, 83 (84), pp. 36-56.
Qasim, S., Gul, S., Hussain Shah, M., Hussayn, F., Ahmad, S., Islam, M., Rehman, G., Yaqoob, M., Qasim Shah, S. (2017) Influence of Grazing Exclosure on Vegetation Biomass and Soil Quality, International Soil and Water Conservation Research, 5 (1), pp. 62-68.
Rahimzadeh, B. P., Berg, A. A., Champagne, C., Omasa, K. (2013) Estimation of Soil Moisture Using Optical/Thermal Infrared Remote Sensing in the Canadian Prairies, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 83, pp. 94-103.
Sandholt, I., Rasmussen, K., Andersen, J (2002) A Simple Interpretation of the Surface Temperature/Vegetation Index Space for Assessment of Soil Moisture Status, Remote Sensing of Environment, 79, pp. 213-224.
Shafian, S., Maas, S. (2015 A) Improvement of the Trapezoid Method Using Raw Landsat Image Digital Count Data for Soil Moisture Estimation in the Texas (USA) High Plains, Sensors, 15 (1), pp. 1925-1944.
Shafian, S., Maas, S. J. (2015 B) Index of Soil Moisture Using Raw Landsat Image Digital Count Data in Texas High Plains, Remote Sensing, 7(3),2352-2372.
Sharifi, F., Safarpour, Sh., Ayoubzadeh, S. A., Vakilpour, J. (2004) An investigation of factors affecting runoff generationi in arid and semi-arid area using simulation and rainfall runoff data. Natural Resources, 57 (1), pp. 33-45.
Sun, L., Sun, R., Li, X., Liang, S ., Zhang, R. (2012) Monitoring Surface Soil Moisture Status Based on Remotely Sensed Surface Temperature and Vegetation Index Information, Agricultural and Forest Meteorology, 166-167, pp. 175-187.
Van Rooy, M. P. (1965) A Rainfall Anomaly Index Independent of Time and Space, Notos, 14 (43), pp. 6-13.
Vereecken, H., Huisman, J. A., Pachepsky, Y., Montzka, C., Van Der Kruk, C., Bogena, H., Weihermüller, H., Herbst, M., Martinez, G and vanderborght, J. (2014) On the Spatio-Temporal Dynamics of Soil Moisture at the Field Scale, Hydrology, 516, pp. 76-96.
Wang, J. (2000) Relations between Productivity, Climate, and Normalized Difference Vegetation Index in the central Great Plains, Lawrence: University of Kansas (PhD dissertation). Advisor: Alexander, H.M.
Xing, G., Zhao, X., Xiong, Z., Yan, X., Xu, H., Xie, Y., Shi, S. (2009) Nitrous Oxide Emission from Paddy Fields in China, Acta Ecologica Sinica, 29 (1), pp. 45-50.
Xu, B. C., Gichuki, P., Shan, L., Li, F. M. (2006) Aboveground Biomass Production and Soil Water Dynamics of Four Leguminous Forages in Semiarid Region, Northwest China, South African Journal of Botany, 72 (4), pp. 507-516.
Zhang, J., Zhou, Z., Yao, F., Yang, L., Hao, C. (2015) Validating the Modified Perpendicular Drought Index in the North China Region Using in Situ Soil Moisture Measurement, IEEE Geoscience Remote Sensing Letters, 12 (3), pp. 542-546.