ارزیابی و پیش بینی تغییرات پهنه های آبی در دریاچه های هامون با استفاده از تصاویر لندست و مدل زنجیره مارکوف

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

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

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

چکیده

مقدمه

دریاچه های هامون در چند دهه اخیر، به علت وقوع خشکسالی و مدیریت غیراصولی منابع آب (سدسازی، گسترش کشاورزی و انحرافات نظام مند آب)، تقریباً خشک شده اند. این مساله، با توجه به اهمیت این دریاچه ها در منطقه سیستان، منجر به وقوع معضلات زیست محیطی و اقتصادی اجتماعی متعددی از جمله طوفان های گردوغبار در این منطقه شده است. لذا ضرورت بررسی تغییرات این پهنه های آبی و تأثیرگذاری این تغییرات بر محیط پیرامونی از گذشته تا به حال حس می شود. بر این اساس، برآوردی از چشم انداز آینده تغییرات پوشش/ کاربری زمین از ابزارهای کلیدی و پایه ای جهت برنامه ریزی و مدیریت پایدار منابع سرزمینی و تصمیم گیری برای رفع چالش های منتج شده به حساب می آید. در این راستا، بررسی ادبیات پژوهش نشان می دهد بهره گیری از تصاویر چند طیفی ماهواره های سنجش از دور به دلیل پوشش مکانی – زمانی وسیع و عدم وابستگی به کارهای میدانی پرهزینه، کاربرد گسترده ای پیدا کرده است. رویکردهای مختلفی به منظور مدلسازی تغییرات پوشش/ کاربری زمین و پیش بینی روندهای آینده استفاده شده است که در این میان نتایج مدل زنجیره مارکوف قابلیت اطمینان بالاتری دارد. علی رغم مطالعات بسیاری که در زمینه پایش تغییرات پوشش/ کاربری زمین در محدوده دریاچه های هامون صورت گرفته، اما تمرکز آنها بیشتر بر روی کلاس های کشاورزی و پوشش گیاهی بوده و مسئله خشک شدن دریاچه ها و ابعاد مختلف آن به خوبی تبیین نشده است. از طرف دیگر، با در نظر گرفتن تغییرات سریع دریاچه های هامون در دو دهه اخیر، به نظر می رسد بایستی بر پیش بینی وضعیت دریاچه ها در آینده نزدیک تمرکز گردد که در مطالعات گذشته به این مسئله نیز چندان توجه نشده است.



روش شناسی

هدف اصلی مطالعه حاضر، پیش بینی تغییرات پهنه های آبی دریاچه های هامون واقع در جنوب شرقی ایران است. بدین منظور، از تصاویر ماهواره های لندست 5 سنجنده TM برای سال 1370 و لندست 8 سنجنده OLI برای سال 1401 استفاده گردید. در ابتدا با بهره گیری از طبقه بندی کننده ماشین بردار پشتیبان (SVM) نقشه های پوشش/ کاربری زمین برای سال های مذکور تولید شدند. مزیت اصلی این روش، توانایی حل مسائل طبقه بندی پیچیده با تعداد ویژگی های زیاد و نمونه های آموزشی کم است که منجرشده این روش گزینه ای مناسب جهت طبقه بندی تصاویر سنجش از دوری باشد. سپس تغییرات مساحت پهنه های آبی دریاچه های هامون برای سال 1409، مبتنی بر مدل زنجیره مارکوف پیش بینی گردید. آنالیز زنجیره مارکوف ابزاری مناسب جهت مدل سازی تغییرات پوشش/ کاربری زمین است.

نتایج

طبقه بندی کننده SVM بهترین عملکرد را برای کرنل تابع پایه شعاعی (RBF) به دست داد. این کرنل بالاترین (حداکثر 98/3%) و کمترین (حداقل 86/3%) میزان صحت درون کلاسی را به ترتیب در تفکیک کلاس های آب و مناطق ساخته شده در سال های موردبررسی داشته است. حصول صحت کلی طبقه بندی برابر با بیش از 93% برای کرنل RBF حاکی از کارایی قابل قبول طبقه بندی کننده SVM و اعتمادپذیری نتایج آن است. نتایج حاکی از کاهش مساحت دریاچه ها و تالاب های منطقه به ترتیب برابر با 88% و 94% در سال 1401 نسبت به سال 1370 است. در بازه زمانی موردبررسی مساحت شوره زارها تقریباً دو برابر شده و عمده از دست رفت مساحت کلاس های مرتبط با آب و پوشش گیاهی به شکل تبدیل به این کلاس بوده است. پیش بینی تغییرات پوشش/ کاربری زمین با استفاده از مدل زنجیره مارکوف حاکی از آن است که در کمتر از یک دهه آتی پهنه های آبی شامل دریاچه های هامون پوزک و صابری و تالاب ها کاملا خشک و به شوره زار تبدیل خواهند شد.

جمع بندی

نرخ تغییرات بسیار زیاد در روند پوشش/ کاربری زمین حاکی از وضعیت بسیار بحرانی منطقه از لحاظ از دست رفت منابع آب و گیاه و گسترش اراضی بیابانی است. از این رو، باید بر آینده نزدیک تمرکز گردد و هدف گذاری به منظور تحقق مدیریت سرزمینی پایدار در این منطقه مبتنی بر افق های زمانی کوتاه مدت با اولویت بسیار زیاد صورت پذیرد. بطورکلی یافته های پژوهش حاضر بر بحرانی بودن وضعیت منابع آب سطحی در منطقه موردمطالعه و ضرورت توجه ویژه جهت مدیریت معضلات منتج شده از آن تاکید دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Assessment and forecasting of surface water changes in the Hamoun Lakes using Landsat imagery and CA-Markov model

نویسندگان [English]

  • Fatemeh Amiri 1
  • Meysam Argany 2
1 PhD student, 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, Tehran, Iran
چکیده [English]

Introduction

In recent decades, the Hamoun Lakes have almost dried up due to drought and unsustainable management of water resources (construction of dams, expansion of agricultural lands and systematic diversion of water). This issue, considering the importance of these lakes in the Sistan region, has caused many environmental and socio-economic challenges, including dust storms in this region. Therefore, it seems necessary to study the changes of water areas and their effects on the surrounding environment. Accordingly, the forecasting/projection of the future perspective of land use/cover (LULC) changes is considered as one of the key and fundamental tools for planning and sustainable management of territorial resources and decision-making to address the resulting challenges. In this regard, the literature shows that the use of multispectral remote sensing satellite imagery has found widespread use due to its wide spatial-temporal coverage and lack of dependence on costly field work. Various approaches have been used to model LULC changes and project future trends, among which the results of the CA-Markov model are more reliable. Despite the many studies that have been conducted to monitor LULC changes in the Hamoun Lakes, their focus has mostly been on agriculture and vegetation classes, and the issue of lake drying and its different dimensions have not been well understood. On the other hand, considering the rapid changes of the Hamoun lakes in the last two decades, it seems that we should focus on projecting the state of the lakes in the near future, which has not been given much attention in previous studies.

Methodology

The main objective of this study is to forecast the changes in the water areas of Hamoun Lakes located in southeastern Iran. For this purpose, the Landsat 5-TM and Landsat 8-OLI images were used for the years 1991 and 2022, respectively. Initially, the support vector machine (SVM) classifier was used to produce LULC maps for these years. The main advantage of SVM is its ability to solve complex classification problems with a large number of features and few training samples, making it a suitable option for classifying remote sensing images. Then, the changes in the water areas of the Hamoun Lakes for the year 2030 were forecasted taking advantage of the CA-Markov model. The CA-Markov analysis is a suitable tool for modeling LULC changes.

Results and discussion

The SVM classifier gave the best performance for the Radial Basis Function (RBF) kernel. This kernel has the highest (maximum 98.3%) and lowest (minimum 86.3%) intra-class accuracy in detecting water body and built-up classes, respectively, in the years studied. Achieving an overall classification accuracy of more than 93% for the RBF kernel indicates the acceptable performance of the SVM classifier and the reliability of its results. The findings show that the area of lakes and wetlands in the region has decreased by 88% and 94%, respectively, in 2022 compared to 1991. During the study period, the area of salty lands has almost doubled, and the greatest loss of area corresponds to water and vegetation classes that have been transformed into this class. Forecasting of the LULC changes using the CA-Markov model indicates that in less than the upcoming decade, water areas including Hamoun Puzak and Saberi lakes and wetlands will become completely dried up and transformed into salty lands.

Conclusion

The very high rate of LULC change in the study area indicates the very critical situation of the region in terms of the loss of water and plant resources and the expansion of desert lands. Therefore, it is necessary to focus on the near future and target setting to achieve sustainable territorial management in this region based on short-term time horizons with high priority. In general, the results of the current research emphasize the critical situation of the surface water resources in the study area and the need for special attention to manage the resulting problems.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Land use/cover
  • Image classification
  • Remote sensing
  • Support vector machine
  • Hamoun Lakes