نقشه‌برداری و پایش شوری خاک در بخش مرکزی استان خوزستان با استفاده از مدل‌های سنجش از دور مبتنی بر فضای ویژگی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری گروه مهندسی علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز، خوزستان، ایران

2 استاد تمام گروه مهندسی علوم خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید چمران اهواز، خوزستان، ایران

3 استاد تمام مدرسه محیط زیست، کالج کشاورزی آنتاریو، دانشگاه گوئلف، آنتاریو، کانادا

چکیده

سابقه و هدف: شوری خاک یکی از عوامل اصلی تخریب اکوسیستم‌های طبیعی مناطق خشک و نیمه ‌‌خشک به شمار می‌رود. پایش و نقشه‌برداری به موقع و مؤثر شوری خاک برای جلوگیری از تخریب اراضی و ارتقای مدیریت پایدار خاک ضروری است. داده‌های سنجش از دور به ‌عنوان ابزاری کارآمد و دقیق برای شناسایی شوری خاک شناخته می‌شوند. استان خوزستان، یکی از مناطق مهم کشاورزی ایران، با چالش‌های شوری مواجه است. بنابراین، هدف این پژوهش، نقشه ‌برداری و پایش شوری خاک در شهرستان باوی در استان خوزستان با استفاده از مدل‌های سنجش از دور مبتنی بر فضای ویژگی است.



مواد و روش‌ها: ابتدا موقعیت جغرافیایی 350 نقطه به روش ابر مکعب لاتین مشروط (cLHS) تعیین شده و هدایت الکتریکی (EC) خاک در اعماق 10-0، 20-10 و 30-20 سانتی‌متر اندازه‌گیری شد. در این مطالعه، از داده‌های لندست 9 برای استخراج شاخص‌های اپتیکی و از داده‌های سنتینل 1 برای استخراج شاخص‌های راداری استفاده شد. پس از اعمال تصحیحات اولیه بر روی تصاویر ماهواره‌ای، شاخص‌ها با استفاده از ابزار محاسبه رستری در محیط نرم‌افزار ArcGIS 10.8.2 محاسبه و نرمال‌سازی شدند. در مرحله بعد، ارزش‌های رقومی (DN) پیکسل‌های متناظر از هر شاخص استخراج شده و رابطه رگرسیون خطی بین شاخص‌ها به دست آمد. بر این اساس، تعداد 12 مدل‌ فضای ویژگی دو بعدی متشکل از شاخص‌های اپتیکی و راداری در محیط نرم‌افزار SAGAGIS 9.5 ساخته شد. از مدل طبقه‌بندی خطی شوری‌ Hong و همکاران (2022) برای تهیه نقشه‌های شوری خاک استفاده شد. در نهایت، نقشه‌های شوری بر اساس طبقه‌بندی Brown و همکاران (1954) و الگوریتم ماشین بردار پشتیبان (SVM) در محیط نرم‌افزار ENVI 5.6 به پنج کلاس شوری خاک تفکیک شده و با استفاده از پارامترهای صحت کلی، ضریب کاپا و بایاس اعتبارسنجی شدند.



نتایج و بحث: نتایج آمار توصیفی داده‌های میدانی نشان‌دهنده کاهش میانگین شوری و تغییرپذیری آن با افزایش عمق خاک بود. بررسی روابط رگرسیونی بین شاخص‌های سنجش از دور در مدل‌های فضای ویژگی، ضرایب تبیین (R²) بالایی را نشان داد (0/814 تا 0/973 در مدل‌های اپتیکی و 0/790 تا 0/794در مدل‌های راداری). همچنین، شاخص‌های سنجش از دور در مدل‌های فضای ویژگی اپتیکی، ارتباط قوی‌تری نسبت به مدل‌های فضای ویژگی راداری داشتند. پس از ایجاد نمودارهای پراکندگی و تعیین معادله بهترین خط برازش شده برای هر مدل فضای ویژگی، شیب خط عمود بر خط مستقیم برازش شده (K) محاسبه شد. متعاقباً، معادلات خطی برای تعیین سطح شوری خاک در مدل‌های فضای ویژگی استخراج شدند. بر اساس این معادلات، نقشه‌های شوری خاک برای هر مدل با استفاده از نرم‌افزار ArcGIS 10.8.2 تولید شدند. سپس، نقشه‌های شوری خاک به‌ دست ‌آمده از مدل‌های فضای ویژگی اپتیکی و راداری، در پنج کلاس طبقه‌بندی شدند: خاک‌های غیرشور (2-0 d/Sm)، خاک‌های کمی شور (4-2 d/Sm)، خاک‌های شور (8-4 d/Sm)، خاک‌های شدیداً شور (16-8 d/Sm) و خاک‌های فوق‌العاده شور (16< d/Sm). نتایج طبقه‌بندی نقشه‌های شوری خاک با استفاده از الگوریتم ماشین بردار پشتیبان نشان داد که مدل فضای ویژگی اپتیکی SI-Albedo در عمق 10-0 سانتی‌متر و مدل‌های فضای ویژگی راداری NRPB-RVI و RVI-NDPI به ترتیب در اعماق 20-10 و 30-20 سانتی‌متر، بهترین عملکرد را در برآورد شوری خاک داشتند. تخمین‌های انجام شده توسط این مدل‌ها درجاتی از بیش‌برآوردی شوری را در عمق‌های مورد مطالعه نشان دادند.



نتیجه‌گیری: طبقات شوری خاک در نقشه مدل‌های SI-Albedo، NRPB-RVI و RVI-NDPI نشان داد که خاک‌های فوق‌العاده شور با EC بیشتر از 16 دسی زیمنس بر متر، بیشترین فراوانی را در منطقه مطالعاتی داشته و غالباً در نواحی غربی منطقه قرار گرفته‌اند. این مطالعه نشان داد که استفاده از مدل‌های فضای ویژگی اپتیکی و راداری، رویکردی کارآمد در پایش تغییرات مکانی شوری خاک در مناطق خشک و نیمه‌ خشک است. نقشه‌های سطوح شوری خاک را می‌توان برای بهینه‌سازی الگوهای آبیاری، توسعه سیستم‌های زهکشی، کشت گیاهان مقاوم به شوری، احیای پوشش‌ گیاهی و برنامه‌ریزی کاربری زمین در مناطق آسیب‌ دیده استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Mapping and Monitoring of Soil Salinization in the Central Part of Khuzestan Province Using Remote Sensing Feature Space Based Models

نویسندگان [English]

  • Mohammad Abiyat 1
  • Saeid Hojati 2
  • Ahmad Landi 2
  • Asim Biswas 3
1 Ph.D. student, Department of Soil Science, Faculty of Agriculture, Shahid Chamran University of Ahvaz, Khuzestan, Iran
2 Full Professor, Department of Soil Science, Faculty of Agriculture, Shahid Chamran University of Ahvaz, Khuzestan, Iran
3 Full Professor, School of Environmental Science, Ontario Agricultural College, University of Guelph, Guelph N1G2W1, Ontario, Canada
چکیده [English]

Introduction: Soil salinity significantly contributes to the degradation of natural ecosystems in arid and semi-arid regions. Timely and effective monitoring and mapping of soil salinity are essential to prevent land degradation and promote sustainable soil management. Remote sensing data is recognized as an effective and accurate tool for identifying soil salinity. Khuzestan Province, one of Iran's agriculturally significant areas, is facing salinity challenges. Therefore, the objective of this research is to map and monitor soil salinity in Bavi County, located in Khuzestan Province, using feature space models based on remote sensing.



Materials and Methods: First, the locations of 350 sample points were determined using the conditioned Latin Hypercube Sampling (cLHS) method, and the electrical conductivity (EC) of the soil was measured at depths of 0–10, 10–20, and 20–30 cm. In this study, Landsat-9 data were used to extract optical indices and Sentinel-1 data were used to extract radar indices. After initial corrections were applied to the satellite images, the indices were calculated and normalized using raster calculation tool in ArcGIS 10.8.2 software. In the next step, the Digital Number (DN) values of the corresponding pixels were extracted from each index and the linear regression relationship between the indices was obtained. Accordingly, 12 two-dimensional feature space models consisting of optical and radar indices were constructed in SAGAGIS 9.5 software. The linear classification model of salinization of Hong et al. (2022) was used to prepare soil salinity maps. Finally, the salinity maps were separated into five soil salinity classes based on the classification of Brown et al. (1954) and the Support Vector Machine (SVM) algorithm in ENVI 5.6 software and were validated using the Overall Accuracy, Kappa Coefficient, and Bias parameters.



Results and Discussions: Descriptive statistics for the field data indicated a decrease in both the mean salinity and its variability with increasing soil depth. Analysis of the regression relationships between remote sensing indices within the feature space models revealed high coefficients of determination (R²), ranging from 0.814 to 0.973 for optical models and from 0.790 to 0.794 for radar models. Additionally, remote sensing indices in optical feature space models exhibited a stronger correlation compared to those in radar feature space models. After creating the density scatter plots and determining the equation of the best-fit line for each feature space model, the slope of the line perpendicular to the fitted straight line (K) was calculated. After creating the density scatter plots and determining the equation of the best-fit line for each feature space model, the slope of the line perpendicular to the fitted straight line (K) was calculated. Subsequently, linear equations for to determine soil salinity levels in feature space models were derived. Based on these equations, soil salinity maps for each model were generated using ArcGIS 10.8.2. The soil salinity maps obtained from the optical and radar feature space models were then classified into five categories: Non-Saline soils (0-2 dS/m), Slightly Saline soils (2-4 dS/m), Saline soils (4-8 dS/m), Strongly Saline soils (8-16 dS/m), and Extremely Saline soils (>16 dS/m). The classification results of the soil salinity maps using the Support Vector Machine algorithm demonstrated that the optical SI-Albedo feature space model performed best at the 0–10 cm depth, while the radar NRPB-RVI and RVI-NDPI feature space models performed best at the 10–20 cm and 20–30 cm depths, respectively, for estimating soil salinity. The estimations made by these models showed some level of overestimation for EC values through the study area.



Conclusions: The salinity classes in the maps generated from the SI-Albedo, NRPB-RVI, and RVI-NDPI models indicated that extremely saline soils, with EC greater than 16 dS/m, were the most frequent and predominantly located in the western parts of the study area. This study demonstrated that using optical and radar feature space models are an effective approach for monitoring soil salinity in arid and semi-arid regions. The maps of soil salinity levels can be utilized to optimize irrigation patterns, develop drainage systems, cultivate salt-tolerant plants, rehabilitate vegetation cover, and plan land use in the affected areas.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bavi County
  • Optical Data
  • Radar Imagery
  • Soil Salinity
  • Support Vector Machine