بررسی مقایسه‌ای تغییرات کاربری اراضی با استفاده از مدل زنجیره‌ی مارکوف و سلول‌های خودکار(CA- Markov) در حوزه‌ی آبخیز خیاوچای مشگین‌شهر

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه علوم و مهندسی آبخیزداری، دانشکده‌ی منابع طبیعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، هیران

چکیده

یکی از مهم‌ترین مراحل به سمت توسعة پایدار حفاظت از تمامیت اراضی است؛ به طوری که سالیانه بخشی از اراضی، به دلایل متعدد، تغییر کاربری می‌یابند و خروج این گونه اراضی از مسیر تولید لطمات جبران ناپذیری را در پی دارد. از آنجا که تغییرات کاربری اراضی در حوزه آبخیز خیاوچای به دلیل شرایط خاص این حوزه از اهمیت زیادی برخوردار است لذا بررسی تغییرات مکانی و زمانی کاربری اراضی اطلاعات خوبی را به طراحان، برنامه‌ریزان و مدیران جهت برنامه‌ریزی دقیق ارائه می‌دهد. جهت مدل‌سازی تغییرات کاربری اراضی منطقه مورد مطالعه از تصاویر ماهواره‌ی لندست5 با سنجنده‌ی TM و لندست 8 با سنجنده‌ی OLI-TIRS استفاده گردید. با اعمال تصحیحات اتمسفری و بهره‌گیری از روش طبقه بندی نظارت شده، الگوریتم حداکثر احتمال، کاربری‌های موجود در منطقه در 6 کلاس طبقه‌بندی شدند. جهت تولید نقشه‌ی پیش‌بینی روند تغییرات کاربری‌اراضی سال 2023، نقشه‌های کاربری‌اراضی سالهای 1989 و 2007 به عنوان نقشه‌های پایه و پیشرو جهت انجام فرآیند پیش‌بینی تغییرات کاربری سال 2023 وارد مدل زنجیره‌ی مارکوف گردید. پس از انجام مدل‌سازی، تصاویر احتمال شرطی، ماتریس مساحت انتقال و ماتریس احتمال انتقال کاربری‌ها تولید گردید. در نهایت با استفاده از ابزار STCHOICE نقشه‌ی پیش‌بینی برای سال 2023 استخراج گردید. مشکل اساسی زنجیره‌ی مارکوف در تهیه‌ی نقشه‌های پیش‌بینی کاربری اراضی عدم ارائه‌ی اطلاعات مکانی در مدل‌سازی می‌باشد. بدین ترتیب برای اضافه کردن عنصر مکانی به مدل از سلول‌های خودکار(CA_Markov) استفاده گردید. بنابراین با ترکیب مدل سلول‌های خودکار و مدل مارکوف، معرفی نقشه‌ی کاربری اراضی پایه مربوطه به سال 1989، ماتریس مساحت انتقال و تصاویر احتمال شرطی، نقشه‌ی پیش‌بینی مربوط به سال 2023 به همراه مؤلفه‌ی مکانی تولید گردید. درنهایت، با استفاده از نقشه‌ی کاربری اراضی مربوط به سالهای 1989 و 2023، نقشه‌ی کاربری اراضی برای سه دهه‌ی آینده(2033، 2043 و 2053) پیش‌بینی گردید. دقت نقشه‌ها براساس ضریب کاپا و دقت کلی و صحت نقشه‌ها براساس میزان پارامترهای توافق و عدم توافق مورد ارزیابی قرار گرفت. تصاویر ماهواره‌ای سال‌های 1989، 2007 و 2023 منطقه‌ی مورد مطالعه با استفاده از روش حداکثر احتمال طبقه‌بندی و نقشه‌ی کاربری اراضی استخراج گردید. مشخص شد بیشترین مساحت مربوط به کاربری‌های مرتع، خاک لخت و کشاورزی دیم می‌باشد. ارزیابی دقت طبقه‌‌بندی تصاویر ماهواره‌ای بوسیله‌ی ماتریس خطا مورد بررسی قرار گرفت و ضریب کاپا و دقت کلی به ترتیب برای سال 1989، %72، %82.87 سال 2007، 83%، 88.40% و سال 2023، 88%، 92.32% محاسبه گردید. طبق نتایج بدست آمده می‌توان بیان نمود که دقت طبقه‌بندی تصاویر در سطح مطلوبی انجام شده است. بررسی تغییرات کاربری اراضی در منطقه مورد مطالعه نشان می‌دهد که مساحت 119.7 هکتار از کاربری شهری، 354.42 هکتار از کاربری کشاورزی آبی، 1039.05 هکتار از کاربری کشاورزی دیم، 2024.73 هکتار از کاربری خاک لخت، 3829.95 هکتار از کاربری مرتع و 458.01 هکتار از پوشش برفی در بازه‌ی زمانی 1989 تا 2007 و نیز مساحت 123.12 هکتار از کاربری شهری، 383.04 هکتار از کاربری کشاورزی آبی، 1282.32 هکتار از کاربری کشاورزی دیم، 2294.64 هکتار از کاربری خاک لخت، 3704.04 هکتار از کاربری مرتع و 806.22 هکتار از پوشش برفی در بازه‌ی زمانی 2007 تا 2023 بدون تغییر مانده است. میزان مساحت کاربری‌های موجود در نقشه‌ی پیش‌بینی شده‌ی سال2023 نشان داد کاربری شهری 4.3 درصد، کاربری کشاورزی آبی 5.7 درصد، کاربری کشاورزی دیم 15.7 درصد، کاربری خاک لخت 23.2 درصد، کاربری مرتع 42.9 درصد و پوشش برفی 8.2 درصد از مساحت منطقه‌ی مورد مطالعه را به خود اختصاص داده‌اند. نتایج ارزیابی صحت مدل نشان داد که توافق بین نقشه‌ی پیش‌بینی شده و واقعی برابر 0.84 و عدم توافق بین نقشه‌ی پیش‌بینی شده و واقعی برابر 0.16 و ضریب کاپا برابر 0.88می‌باشدکه بیانگر قابلیت نسبتاً بالای مدل جهت انجام فرآیند پیش‌بینی تغییرات می‌باشد. با مقایسه‌ی نقشه‌های کاربری اراضی سال‌های 2033، 2043 و 2053 با نقشه‌ی کاربری اراضی سال 2023 مشخص گردید که در سه دهه‌ی آینده به ترتیب کاربری شهری با 45.9%، 46.9% و 47.5% و کاربری مرتع با 10.9%، 7.6% و 4.5% دارای روندی افزایشی و کاربریهای کشاورزی آبی با 27.9%، 21.1% و 14.9%، کشاورزی دیم با 13.4%، 11.23% و 9.3%، خاک لخت با 2.2%، 2.6% و 3.3% و پوشش برفی با 32.9%، 19.4% و 5.1% دارای روندی کاهشی نسبت به سال 2023، خواهند بود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A Comparative Study of Land Use Changes Using Markov Chain and Cellular Automata (CA-Markov) Model in the Khiyav-Chai Watershed of Meshgin Shahr

نویسندگان [English]

  • vahid Norouzi Kaleh Sar
  • Karim Solaimani
  • Fatemeh Shokrian
Dep of Watershed Management Science and Engineering, Faculty of Natural Resources, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University,Sari, Iran
چکیده [English]

One of the most important steps towards sustainable development is to protect the integrity of the land. Every year, a portion of the land changes, and removing such land from the production cycle causes irreparable damage. Since land use changes in the Khiav-Chai watershed are of great importance due to the specific conditions of this area, studying the spatial and temporal changes in land use provides valuable information to planners and managers for precise planning. Unplanned and unprincipled land use changes are considered significant and fundamental challenges for any country, and in turn, have highly destructive impacts on natural resources. Therefore, it is crucial to study and predict changes in land use. To model the land use changes in the study area, satellite images were used from Landsat 5 with the TM sensor and Landsat 8 with the OLI-TIRS sensor. By applying atmospheric corrections and using the supervised classification method with the maximum likelihood algorithm, the existing land uses in the region were classified into 6 categories. To generate the predicted land use change map for the year 2023, the land use maps of 1989 and 2007 were used as base and forward maps, respectively, and were input into the Markov chain model to predict the land use changes in 2023. Conditional probability plots, area transition matrix, and land use transition probability matrix were generated after modelling. Finally, the predicted map for the year 2023 was extracted using the STCHOICE tool. A fundamental limitation of the Markov chain in producing land use prediction maps is its inability to incorporate spatial information into the modelling process. To address this, cellular automata (CA_Markov) were integrated into the model to add the spatial element. The predicted map for 2023, including the spatial component, was generated by combining the cellular automata model with the Markov model and introducing the 1989 base land use map, the transition area matrix, and the conditional probability images. Then, land use maps for the next three decades (2033, 2043, and 2053) were predicted using the 1989 and 2023 land use maps. The accuracy of the maps was evaluated using the kappa coefficient and overall accuracy, while the validity of the maps was evaluated using the agreement and disagreement parameters. The satellite images of the years 1989, 2007, and 2023 for the study area were classified using the maximum likelihood method, and the land use map was extracted. It was found that the largest areas were occupied by rangeland, bare soil, and dry farming. The accuracy of satellite image classification was evaluated using an error matrix, and the kappa coefficient and overall accuracy were calculated as 72% and 82.87% for 1989, 83% and 88.40% for 2007, and 88% and 92.32% for 2023, respectively. Based on these results, it can be concluded that the classification accuracy of the images was acceptable. The analysis of land use changes in the study area showed that 119.7 ha of urban land, 354.42 ha of irrigated agriculture, 1039.05 ha of dryland agriculture, 2024.73 ha of bare soil, 3829.95 ha of rangeland, and 458.01 ha of snow cover remained unaffected between 1989 and 2007. Similarly, 123.12 hectares of urban land, 383.04 hectares of irrigated agriculture, 1282.32 hectares of dry agriculture, 2294.64 hectares of bare soil, 3704.04 hectares of rangeland, and 806.22 hectares of snow cover remained unchanged between 2007 and 2023. The area of land use in the predicted map for 2023 showed that urban land occupied 4.3%, irrigated agriculture 5.7%, dry farming 15.7%, bare soil 23.2%, rangeland 42.9%, and snow cover 8.2% of the study area. The accuracy evaluation results of the model showed an agreement of 0.84 and a disagreement of 0.16 between the predicted and actual maps, with a kappa coefficient of 0.88, demonstrating the model's relatively high ability to predict changes. Comparing the land use maps for 2033, 2043, and 2053 with the land use map for 2023, it was determined that over the next three decades, urban land use would increase by 45.9%, 46.9%, and 47.5%, and rangeland would increase by 10.9%, 7.6%, and 4.5%, respectively. In contrast, irrigated agriculture would decrease by 27.9%, 21.1%, and 14.9%, and dryland agriculture would decrease by 13.4%, 11.23%, and 9.3%, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Land use change
  • prediction
  • Markov chain
  • autonomous cells
  • Land Change Modeler