پایش تغییرات پوشش زمین در شمال‌غرب ایران با استفاده از روش انتقال‌ نمونه‌های آموزشی

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری گروه سنجش از دور و GIS، دانشکده جغرافیا، دانشگاه تهران

2 دانشیار گروه سنجش از دور و GIS، دانشکده جغرافیا، دانشگاه تهران

3 مدیر بخش فناوری اکتشاف، مرکز هلمهولتز درسدن-روسندورف، موسسه فناوری منابع هلمهولتز فرایبرگ، فرایبرگ، آلمان

4 استاد گروه سنجش از دور و GIS، دانشکده جغرافیا، دانشگاه تهران

چکیده

نقشه پوشش زمین به‌عنوان یکی از پارامترهای اساسی در تحلیل‌های جغرافیایی و برنامه‌ریزی‌های مکانی محسوب می‌شود. به‌طور کلی، تصویر ماهواره‌ای، الگوریتم طبقه‌بندی و نمونه‌ آموزشی سه پارامتر اصلی در تهیه نقشه‌های پوشش زمین محسوب می‌شوند و مهم‌ترین نقش را در صحت، هزینه و منابع محاسباتی مورد نیاز برای تهیه این نقشه‌ها ایفا می‌کنند. کیفیت نمونه آموزشی، تأثیر قابل توجهی بر صحت نتایج طبقه‌بندی دارد. از طرفی، هزینه و زمان‌بر بودن تهیه نمونه‌های آموزشی، موجب محدودیت دسترسی به نمونه‌های آموزشی با کیفیت و به‌هنگام به‌منظور تهیه نقشه‌های پوشش زمین شده است. یکی از روش‌هایی که در سال‌های اخیر به‌منظور رفع این مشکل و تهیه نمونه‌های آموزشی با کیفیت مطرح شده است استفاده از روش انتقال نمونه‌های آموزشی می‌باشد. بر این اساس هدف اصلی از این پژوهش، تهیه نمونه‌های آموزشی معتبر با استفاده از روش انتقال نمونه‌های آموزشی برای پایش تغییرات پوشش زمین در شمال‌غرب ایران بین سال‌های 2002 تا 2022 می‌باشد.

منطقه مورد مطالعه با مساحتی بالغ بر 7653 کیلومترمربع در شمال‌غرب ایران واقع شده است. از لحاظ جغرافیایی محدوده مورد نظر در مختصات ´´35 ´59 °44 تا ´´25 ´01 °46 طول شرقی و ´´46 ´02 °38 تا ´´47 ´48 °38 عرض شمالی واقع شده است. داده‌های مورد استفاده در این پژوهش شامل تصاویر ماهواره‌ای و داده‌های مرجع زمینی می‌باشد. تصاویر مورد استفاده در این پژوهش شامل تصاویر ماهواره‌ای سری لندست می‌باشد.

روش انجام پژوهش شامل پنج مرحله کلی می‌باشد. در مرحله اول تصاویر ماهواره‌ای لندست 5 و 8 از سایت سازمان زمین‌شاسی آمریکا اخذ شده و مراحل پیش‌پردازش تصاویر (تصحیح رادیومتریک و هندسی) بر روی آن‌ها انجام شد. در مرحله دوم با استفاده از تصاویر با قدرت تفکیک مکانی بالا (تصاویر سامانه Google Earth) و برداشت زمینی، نمونه‌های آموزشی مورد نظر تهیه شدند. مرحله سوم شامل انتقال نمونه‌های آموزشی می‌باشد. برای این کار در ابتدا بررسی شباهت طیفی نمونه‌های آموزشی در سال‌های مرجع و هدف با استفاده از دو پارامتر فاصله اقلیدسی و فاصله زاویه طیفی انجام شد. در ادامه با تعیین آستانه مورد نظر، نمونه‌های آموزشی انتقال‌یافته از نمونه‌های انتقال‌نیافته تفکیک شدند. در انتهای مرحله سوم، ارزیابی صحت نمونه‌های آموزشی انتقال‌یافته انجام شد، برای این‌کار از داده‌های مرجع تهیه شده از سامانه Google Earth استفاده شد. در مرحله چهارم با استفاده از نمونه‌های آموزشی انتقال‌یافته، طبقه‌بندی تصاویر ماهواره‌ای در سال‌های مختلف انجام شد و در نهایت در مرحله پنجم با استفاده از شاخص‌های حاصل از ماتریس خطا، ارزیابی صحت تصاویر طبقه‌بندی شده انجام شد.

نتایج به‌دست آمده نشان داد، آستانه 0/9 تا 1/1 (اختلاف انحراف معیار از میانگین) مناسب‌ترین آستانه برای تفکیک نمونه‌های آموزشی انتقال‌یافته از نمونه‌های آموزشی انتقال‌نیافته در سال‌های مختلف می‌باشد. بر این اساس می‌توان گفت یک رابطه معکوس بین صحت نمونه‌های آموزشی انتقال‌یافته و درصد نمونه‌های آموزشی انتقال‌یافته وجود دارد و با افزایش درصد نمونه‌های آموزشی انتقال‌یافته از صحت آن‌ها کاسته می‌شود.

بررسی صحت نمونه‌های آموزشی انتقال‌یافته بر اساس هر یک از پارامترها (فاصله زاویه طیفی و فاصله اقلیدسی) نشان داد نمونه‌های آموزشی انتقال‌یافته بر اساس پارامتر فاصله زاویه طیفی از صحت بیشتری نسبت به نمونه‌های آموزشی انتقال‌یافته بر اساس پارامتر فاصله اقلیدسی برخوردار می‌باشند. همچنین استفاده از نمونه‌های انتقال‌یافته بر اساس هر دو پارامتر باعث افزایش 10/45 درصدی صحت نسبت به حالتی شده است که از پارامتر فاصله اقلیدسی برای انتقال نمونه‌های آموزشی استفاده شده است و افزایش 5 درصدی صحت نسبت به حالتی شده است که از پارامتر فاصله زاویه طیفی برای انتقال نمونه‌های آموزشی استفاده شده است.

بررسی درصد انتقال نمونه‌های آموزشی در کلاس‌های کاربری مختلف نشان داد به‌طور میانگین 80/6 درصد از نمونه‌های آموزشی کلاس آب، 75/4 درصد از نمونه‌های آموزشی کلاس اراضی بایر، 71/2 درصد از نمونه‌های آموزشی کلاس اراضی انسان‌ساخت، 64/6 درصد از نمونه‌های آموزشی کلاس مرتع، 60/2 درصد از نمونه‌های آموزشی کلاس اراضی زراعی و 54/4 درصد از نمونه‌های آموزشی کلاس تالاب از سال مرجع (1401) به هر یک از سال‌های هدف (1381، 1387، 1392 و 1396) انتقال پیدا کرده‌اند. همچنین ارزیابی صحت نمونه‌های آموزشی انتقال‌یافته در کلاس‌های کاربری مختلف نشان داد کلاس‌های آب، اراضی انسان‌ساخت، اراضی بایر، مرتع، اراضی زراعی و تالاب، به‌ترتیب از بیشترین صحت در نمونه‌های آموزشی انتقال‌یافته برخوردار بودند.

طبقه‌بندی تصاویر ماهواره‌ای با استفاده از تصاویر لندست بین سال‌های 1381 تا 1401 انجام شد. بر این اساس، پوشش‌های سطحی زمین در شش کلاس کاربری مختلف طبقه‌بندی شد. نتایج ارزیابی صحت طبقه‌بندی نشان داد صحت کلی تصاویر طبقه‌بندی شده در سال‌های 1401، 1396، 1392، 1387 و 1381 به‌ترتیب 94/95، 91/93، 90/74، 89/45 و 88/94 درصد است. بررسی صحت طبقه‌بندی کلاس‌های کاربری مختلف بر اساس دو پارامتر صحت تولیدکننده و صحت کاربر نشان داد، کلاس آب از بیشترین صحت تولید‌کننده و کاربر در میان کلاس‌های مختلف برخوردار است، به‌طوری‌که صحت تولیدکننده و کاربر آن در تصویر طبقه‌بندی شده سال 1401 به‌ترتیب 98/2 و 99/34 درصد می‌باشد. از طرفی کمترین صحت تولیدکننده و کاربر در کلاس تالاب به‌دست آمد؛ به‌طوری‌که، صحت تولیدکننده و کاربر آن در تصویر طبقه‌بندی شده سال 1401 به‌ترتیب 90/1 و 91/25 درصد است.

بررسی تغییرات پوشش زمین بین سال‌های 1381 تا 1401 نشان داد، روند تغییرات مساحت کلاس‌های اراضی بایر، آب و تالاب از سال 1381 تا 1401 کاهشی و روند تغییرات مساحت اراضی انسان‌ساخت در این بازه زمانی افزایشی بوده است، همچنین کلاس‌های مرتع و اراضی زراعی دارای روند تغییرات ثابت در این بازه زمانی نبوده و روند تغییرات آن‌ها در سال‌های مختلف متفاوت بوده است. اما در حالت کلی مساحت این دو کلاس‌ در سال 1401 نسبت به سال 1381 افزایش یافته است. بررسی تغییرات مساحت اراضی انسان‌ساخت در این بازه زمانی نشان‌دهنده افزایش محسوس مساحت این کلاس کاربری می‌باشد؛ به‌طوری که مساحت آن از 20/38 کیلومتر مربع در سال 1381 به 123/98 کیلومتر مربع در سال 1401 افزایش یافته است.

پیشنهاد می‌شود در مطالعات آتی از سایر تصاویر ماهواره‌ای (از جمله تصاویر ماهواره‌ای سنتینل-2) نیز به‌منظور انتقال نمونه‌های آموزشی استفاده شود تا تأثیر باندهای طیفی و تصاویر ماهواره‌ای مختلف در انتقال نمونه‌های آموزشی مورد ارزیابی قرار گیرد. همچنین بررسی اثربخشی روش انتقال نمونه‌های آموزشی در انتقال نمونه‌های آموزشی سایر پوشش‌های زمینی می‌تواند از جمله موضوعات پژوهشی در مطالعات بعدی محسوب شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Monitoring Land Cover Changes in Northwestern Iran Using Training Samples Migration Method

نویسندگان [English]

  • Meysam Moharrami 1
  • Sara Attarchi 2
  • Richard Gloaguen 3
  • Seyed Kazem Alavipanah 4
1 Ph.D. Candidate, Department of Remote Sensing and GIS, Faculty of Geography, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Associate Professor, Department of Remote Sensing and GIS, Faculty of Geography, University of Tehran
3 Head department Exploration Technology, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Helmholtz Institute Freiberg for Resource Technology (HiF), Freiberg, Germany
4 Professor, Department of Remote Sensing and GIS, Faculty of Geography, University of Tehran
چکیده [English]

Land cover maps are one of the fundamental parameters in geographical analysis and spatial planning. The accuracy and efficiency of land cover maps depend on three factors, including: satellite imagery, classification algorithms and training samples. The quality of the training data set has a significant impact on the accuracy of classification results. However, availability to up-to-date and high-quality training samples for land cover mapping is restricted due to the time and expense involved in preparing them. Using training sample migration techniques is one of the recently suggested alternatives. Accordingly, the primary objective of this study is to create reliable training samples using the training sample migration technique in order to track changes in the region's land cover in northwest Iran between 2002 and 2022.

The study area is located in northwestern Iran with an area of 7653 square kilometers. The study area lies between 44°35′59′′ to 46°01′25′′ longitude and 38°38′46′′ to 38°47′48′′ latitude. This study used satellite images and ground truth data.

The research methodology consists of five main steps. The initial step involved obtaining satellite images and performing pre-processing steps (radiometric and geometric correction). In the second step, training samples were collected using high-resolution satellite images (Google Earth images) and ground surveys. The third step involved the migration of training samples. To do this, the spectral similarity of the training samples from the reference and target years was first calculated using two parameters: Euclidean distance (ED) and spectral angle distance (SAD). Then, adopting the specified threshold, the migrated training samples were separated from the non-migrated samples. Furthermore, the accuracy of the migrated training samples was evaluated using reference data prepared from the Google Earth. In the fourth step, using the migrated training samples, the classification of satellite images in different years was performed. Finally, using the indices obtained from the confusion matrix, the accuracy of the classified images was evaluated.

The results showed that the threshold of 0.9 to 1.1 is the optimal threshold for separating migrated training samples from non-migrated training samples in different years. We also found a reverse correlation between the accuracy of the migrated training samples and the percentage of the migrated training samples, with higher percentages resulting in lower accuracy.

The accuracy assessment of the migrated training samples based on each parameter (SAD and ED) showed that the migrated training samples using the SAD parameter have higher accuracy than the migrated training samples using the ED parameter. Moreover, employing the migrated samples considering both parameters has increased the accuracy by 10.45% compared to using the ED parameter to migrate the training samples, and by 5% compared to using the SAD parameter to migrate the training samples.

The analysis of the percentage of migrated training samples in different land cover classes showed that, on average, 80.6% of the training samples of the water class, 75.4% of the bare land, 71.2% of the built-up, 64.6% of the grassland, 60.2% of the cropland, and 54.4% of the wetland were migrated from the reference year (2022) to each of the target years (2002, 2007, 2012, and 2017). The accuracy assessment of the migrated training samples in different land cover classes also showed that the water, built-up, bare land, grassland, cropland, and wetland classes had the highest accuracy in the migrated training samples, in that order.

The classification of satellite images was performed using Landsat images between 2002 and 2022. Accordingly, satellite images were classified into six different land cover classes. The accuracy assessment results showed that the overall accuracy of the classified images in 2022, 2017, 2012, 2007, and 2002 was 94.95%, 91.93%, 90.74%, 89.45%, and 88.94%, respectively. The accuracy assessment of different land cover classes based on two parameters, producer accuracy and user accuracy, showed that the water class has the highest producer and user accuracy among different classes (98.2% and 99.34%, respectively in 2022). In contrast, the wetland class had the lowest producer and user accuracy (90.1% and 91.25%, respectively in 2022).

The analysis of land cover changes between 2002 and 2022 showed that the area of bare land, water, and wetland classes decreased from 2002 to 2022, while the area of built-up class increased during this period. Furthermore, the grassland and cropland classes did not exhibit a constant trend of change during this time period, and their trends varied by year. However, the area of these two classes increased in 2022 compared to 2002. The analysis of the changes in the area of built-up class throughout this period shows a significant increase in the area of this land cover, which has increased from 20.38 square kilometers in 2002 to 123.98 square kilometers in 2022.

It is suggested that in future studies, other satellite images, like Sentinel-2, be used to migrate training samples in order to evaluate the effect of different spectral bands and satellite images on the migration of training samples. In addition, investigating the effectiveness of the training sample migration method in migration training samples of other land covers can be one of the research topics in future studies.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Training Samples Migration
  • Land Cover
  • Spectral Similarity
  • Classification
  • Landsat