ریزمقیاس‌گردانی نقشة رطوبت خاک با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای راداری سنتینل و تحلیل پراکندگی در غرب ایران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه جغرافیا، دانشکده علوم انسانی، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران

چکیده

رطوبت سطحی خاک، متغیّر کلیدی برای توصیف خشک‌سالی، تبادلات آب و انرژی بین زمین و هواکره است که به­دلیل ثابت­نبودن شرایط مکانی و زمانی، پارامترهای محیطی تأثیرگذار بر آن به‌شدّت تغییرپذیر و تولید نقشة آن با استفاده از داده‌های زمینی با مسائل زیادی همراه است. هدف از نوشتا پیش رو ریزمقیاس­گردانی و استخراج نقشة پراکندگی رطوبت خاک با قدرت تفکیک بالا و تحلیل فضایی آن در غرب ایران است. با استفاده از باندهای پس پراکنش پلاریزاسیون­های VV و VH و همچنین باند زاویة برخورد (𝜃) مستخرج از تصاویر راداری سنتینل 1 و کاربری اراضی مستخرج از سنجندة مادیس، یک لایة آموزشی ایجاد شده و میانگین بلندمدّت رطوبت هر پیکسل از سامانة جهانی ادغام داده‌های زمین در محدودة مورد مطالعه با استفاده از الگوریتم ماشین بردار پشتیبان ریزمقیاس­گردانی شده و نقشة پراکندگی رطوبت حجمی خاک باقدرت تفکیک بالا بین 18/0 تا 46/0 برآورد شد. به­منظور صحّت­سنجی نقشة خروجی از داده­های میدانی برداشت‌شدة 38 مزرعة نمونة مرکز تحقیقات کشاورزی کردستان استفاده شد که 5012/0 =  R2محاسبه شد. نتایج نشان داد بیضوی سه­برابر انحراف استاندارد مکانی جهت شمال غربی به جنوب شرقی دارد که نشان می‌دهد بیش از 99% پراکندگی رطوبت به­تبعیت از آرایش مکانی ارتفاعات در این راستا گسترش دارد. آمارة 3978/0 شاخص موران و پی ولیو مقدار 0000/0 خودهمبستگی مکانی رطوبت خاک را نشان داد. نقشة لکّه‌های داغ نیز نشان داد رطوبت سطحی خاک به‌صورت هسته‌ای درراستای شمال غرب و به جنوب شرق و بیشتر در ارتفاعات بالای 2000 متر است. تحلیل لکّه‌های داغ نیز نشان داد که رطوبت به‌شدّت به­سمت شرق و داخل کشور الگوی خوشه‌بندی پیدا کرده است. با استفاده نتایج تحلیل مکانی به‌دست‌آمده، می‌توان مناطق کم یا پررطوبت خاک را درراستای شناسایی پتانسیل‌ها محیطی و بهبود فرایند تصمیم‌گیری، تخصیص و توزیع مکانی ارائة خدمات شناسایی کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


ابریفام، محمدرضا (1389). تحلیل سینوپتیک توده‌های هوای ورودی به غرب ایران در سال ۸۴۱۹۸۳. پایان­نامة کارشناسی ارشد آب­وهواشناسی، دانشگاه رازی کرمانشاه.
باباییان، ابراهیم؛ همایی، مهدی؛ نوروزی، علی‌اکبر (1392). برآورد رطوبت خاک سطحی با استفاده از تصاویر رادار ENVISAT/ASAR. پژوهش آب در کشاورزی، 27 (4)،611-622.
خانمحمدی، فاطمه؛ همایی، مهدی؛ نوروزی، علی‌اکبر (1393). برآورد رطوبت خاک به­کمک شاخص‌های پوشش گیاهی و دمای سطح خاک و شاخص نرمال­شدة رطوبت با استفاده از تصاویر MODIS. حفاظت منابع آب‌وخاک، 4 (2)، 37-45.
رنجبر، صادق؛ آخوندزاده هنزائی، مهدی (1398). برآورد رطوبت سطح خاک با استفاده از روش‌های رگرسیون بردار پشتیبان و شبکة عصبی مصنوعی. مهندسی فنّاوری اطّلاعات مکانی، 7 (4)، 215-232.
عساکره، حسین؛ سیفی­پور، زهره (1391). مدل‌سازی مکانی بارش سالانه ایران. فصلنامة جغرافیا و توسعه، 10 (29)، 15-30.
عساکره، حسین؛ شادمان، حسن (1394). شناسایی روابط فضایی روزهای گرم فراگیر در ایران‌زمین. فصلنامه تحقیقات جغرافیایی، 30 (1)، 53-69.
علیجانی، بهلول (1381). اقلیم‌شناسی سینوپتیک. تهران: سمت.
علیجانی، بهلول (1394). تحلیل فضایی. نشریة تحلیل فضایی مخاطرات محیطی، 2 (3)، 1-14.
کوه­بنانی، حمیدرضا؛ یزدانی، محمدرضا (1397). پهنه‌بندی رطوبت خاک سطحی با استفاده از تصاویر لندست 8 مطالعة موردی حومة شهر سمنان. جغرافیا و پایداری محیط، 8 (28)، 65-77.
گنجی، محمدحسن (1382). تقسیمات اقلیمی ایران. بولتن مرکز ملّی اقلیم‌شناسی، 3 (1)، 41.
مجرد، فیروز؛ معصوم­پور، جعفر (1392). برآورد حداکثر بارش محتمل به­روش سینوپتیکی در استان کرمانشاه. مطالعات جغرافیایی مناطق خشک، 4 (13)، 1-14.
میری، مرتضی؛ عزیزی، قاسم؛ محمدی، حسین؛ پورهاشمی، مهدی (1396). معرّفی و ارزیابی مدل جهانی همسان‌سازی داده‌های زمینی با داده‌های مشاهده‌ای در ایران. سپهر، 26 (104)، 5-17.
References
Abrifam, M. R. (20110 (. The Synoptic Analysis of Entranced Air Masses to the West of Iran (2004-2005), Supervisor: Gholamreza Barati. Master of Science in Climatology, Razi University of Kermanshah. (In Persian)
Adamowski, J. & Chan, H. F. (2011). A wavelet neural network conjunction model for groundwater level forecasting. Journal of Hydrology, 407 (1-4), 28-40.
Alijani, B. (2012). Synoptic climatology. Tehran: Samt Publications. (In Persian)
Alijani, B. (2015). Spatial Analysis. Journal of Spatial Analysis of Environmental Hazards, 2 (3), 1-14. (In Persian)
Askareh, H. & Seifipour, Z. (2012). Spatial modeling of annual rainfall in Iran. Geography and Development Quarterly, 10 (29), 15-30. (In Persian)
Askareh, H. & Shadman, H. (2015). Identifying the Spatial Relationships of Warm Days in Iran. Quarterly Journal of Geographical Research, 30 (1), 53-69. (In Persian)
Babaeian, E., Homaee, M. & Norouzi, A. (2013). Estimation of surface soil moisture using ENVISAT / ASAR radar images. Water Research in Agriculture, 27 (4), 622-611. (In Persian)
Bai, J., Cui, Q., Zhang, W. & Meng, L. (2019). An Approach for Downscaling SMAP Soil Moisture by Combining Sentinel-1 SAR and MODIS Data. Remote Sensing, 11, 1-20.
Chul Jung, H., Kang, D., Kim, E., Getirana, A., Yoon, Y., Kumar, S., Peters-lidard, C. & Hwang, E. (2020). Towards a Soil Moisture Drought Monitoring System for South Korea. Journal of Hydrology, 125176.
Dai, X., Guo, Z. & Zhang, L. D. (2010). Spatio-temporal exploratory analysis of urban surface temperature field in Shanghai. Environ Res Risk Assess, 24, 247-257.
Falloon, P., Bebber, D., Bryant, J., Bushell, M., Challinor, A. J., Dessai, S. & Koehler, K. (2015). Using climate information to support crop breeding decisions and adaptation in agriculture. World Agriculture, 5 (1), 25-43.
Fischer. M. & Manfred. M. (2006). Spatial Analysis and Geocomputation. Germany: Springer.
Foody, G. M., Mathur, A., Sanchez-Hernandez, C. & Boyd, D. (2006). Training set size requirements for the classification of a specific class. Remote Sensing of Environment, 104 (1), 1-14.
Gail, M., Krickeberg, K., Samet, J., Tsiatis, A. & Wong, W. (2007). Statistics for Biology and Health. USA: Springer.
Ganji, M. H. (2003). Climatic faults of Iran. Bulletin of the National Center for Climatology, 3 (1), 41. (In Persian)
Ghamisi, P. & Benediktsson, A. (2014). Feature selection based on hybridization of genetic algorithm and particle swarm optimization. Geoscience and remote sensing letters, 12(2):309-313.
Greifeneder, F., Khamala, E., Sendabo, D., Wagner, W., Zebisch, M., Farah, H. & Notarnicola, C. (2019). Detection of soil moisture anomalies based on Sentinel-1, Physics and Chemistry of the Earth, 112, 75-82.
Greifeneder, F., Notarnicola, C. & Wagner, W. (2016).Using machine learning and SAR data for the upscaling of large scale modelled soil moisture in the Alps, in 11th European Conference on Synthetic Aperture Radar, 1108-1111.
Haining, R. (2004). Spatial Data Analysis: Theory and Practice. UK: Cambridge University Press.
Hornacek, M., Wagner, W., Sabel, D., Truong, H., Snoeij, P., Hahmann, T., Diedrich, E. & Doubkova, M. (2012). Potential for High Resolution Systematic Global Surface Soil Moisture Retrieval via Change Detection Using Sentinel-1, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 5 (4), 1303-1311.
Khanmohammadi, F., Homaee, M. & Noroozi, A. (2015). Soil moisture estimating with NDVI and land surface temperature and normalized moisture index using MODIS images. Journal of Soil and Water Resources Conservation, 4 (2), 37-45. (In Persian)
Koohbanani, H. & Yazdani, M. (2018). Mapping the Moisture of Surface Soil Using Landsat 8 Imagery (Case study: Suburb of Semnan City). Geography and Sustainability of Environment, 8 (3), 65-77. (In Persian)
Liu, Y. Y., McCabe, M. F., Evans, J. P., Van Dijk, A. I., de Jeu, A. M. & Su, H. (2009). Comparison of soil moisture in GLDAS model simulations and satellite observations over the Murray Darling Basin, Newham (Eds.) 18th World IMACS Congress and MODSIM09International Congress on Modelling and Simulation, 2798-2804.
Mekonnen, D. F. (2009). Satellite remote sensing for soil moisture estimation: Gumara catchment. Ethiopia Satellite remote sensing for soil moisture estimation: Gumara catchment, Ethiopia.Thesis of Geo-information Science and Earth Observation, Specialisation: (Integrated Watershed Modelling and Management). WREM Department of ITC the Netherlands.
Miri, M., Azizi, Q., Mohammadi, H. & Pourhashemi, M. (2016). Introduction and evaluation of the global model of matching ground data with observational data in Iran. Sepehr, 26 (104), 5-17. (In Persian)
Mojarad, F. & Masoompour, J. (2013). Estimation of maximum probable precipitation by synoptic method in Kermanshah province. Geographical studies of arid regions, 4 (13), 1-14. (In Persian)
Morbidelli, R., Saltalippi, C., Flammini, A., Corradini, C., Brocca, L. & Govindaraju, R. S. (2016). An investigation of the effects of spatial heterogeneity of initial soil moisture content on surface runoff simulation at a small watershed scale. Hydrolgy, 539, 589-598.
Morecroft, M. D., Taylor, M. E. & Oliver, H. R. (1998). Air and soil microclimates of deciduous woodland compared to an open site. Agricultural and Forest Meteorology, 90, 141–156.
Pasolli, L., Notarnicola, C., Bertoldi, G., Bruzzone, L., Remelgado, R., Greifeneder, F., Niedrist, G., Della, S. & Chiesa, U. (2015). Tappeiner, and M. Zebisch, Estimation of Soil Moisture in Mountain Areas Using SVR Technique Applied to Multiscale Active Radar Images at C-Band, Earth Obs Remote Sens, 8, 1, 262-283.
Ranjbar, S. & Akhundzadeh Hanzaei, M. (2018). Estimation of soil surface moisture using support vector regression methods and artificial neural network. Journal of Spatial Information Technology Engineering, 7 (4), 215-232. (In Persian)
Rodell, M., Houser, P. R., Jambor, U., Gottschalck, J., Mitchell, K., Meng, C. J., Arsenault, K., Cosgrove, B., Radakovich, J., Bosilovich, M., Entin, J. K., Walker, J. P., Lohmann, D. & Toll, D. (2004). The Global Land Data Assimilation System. Bulletin of the American Meteorological Society. 85(3), 381-394.
Tabatabaeenejad, A., Burgin, M., Duan, X. & Moghaddam, M. (2014). P-band radar retrieval of subsurface soil moisture profile as a second-order polynomial: First AirMOSS results. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 53(2), 645-658.
Taruvinga, K. (2008).Gully mapping using Remote Sensing: Case Study in KwaZulu-Natal, South Africa. M.Sc. Ontario Canada, University of Waterloo.
Tu, L. (2019). Downscaling SMAP Soil Moisture Data Using MODIS Data. Faculty of the Louisiana State University Department of Geography and Anthropology.
Ulaby, S. & Batlivala, P. (1978). Microwave Backscatter Dependence on Surface 320 Roughness Soil Moisture and Soil Texture: Part 1I-Bare Soil. Geosci. Electron, 16 (4), 286-295.
Vereecken, H., Huisman, J. A., Pachepsky, Y., Montzka, C., Van Der Kruk, J., Bogena, H. & Vanderborght, J. (2014). On the spatio-temporal dynamics of soil moisture at the field scale. Journal of Hydrology, 516, 76-96.
Xu, G., Zhang, Y., Sun, J. & Shao, H. (2016). Negative interactive effects between biochar and phosphorus fertilization on phosphorus availability and plant yield in saline sodic soil. Sci Total Environ, 568,910-915.
Yoshioka, M., Takakura, S., Ishizawa, T. & Sakai, N. (2015). Temporal changes of soil temperature with soil water content in an embankment slope during controlled artificial rainfall experiments. Journal of Applied Geophysics, 114, 134-145.