نشریه سنجش از دور و GIS  ایران

نشریه سنجش از دور و GIS ایران

نقشه برداری مناطق مستعد فرسایش خاک مبتنی بر همدوسی تداخل سنجی راداری ماهواره سنتینل-1 و یادگیری ماشین (مطالعه موردی: استان خوزستان)

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
1 گروه سنجش از دور و GIS، دانشکده جغرافیا، دانشگاه تهران، تهران، ایران
2 دانشگاه تهران - دانشکده جغرافیا - گروه سنجش از دور و GIS
چکیده
در این پژوهش، محدوده‌ای از استان خوزستان به عنوان یکی از نواحی متاثر از فرسایش خاک شدید، جهت پیاده‌سازی رویکرد پیشنهادی انتخاب گردید. در مرحله اول، با بکارگیری یک سری زمانی تقریبا 5 ساله (از انتهای 2015 تا ابتدای 2020) از داده‌های ماهواره سنتینل-1 با تفکیک زمانی 24 روزه، پردازش‌های InSAR به منظور تولید تصاویر چندزمانه کوهرنس انجام شدند. الگوریتم زیرمجموعه خط مبنای کوچک (SBAS) به منظور انتخاب زوج تصاویر با خط مبنای مکانی و زمانی کوتاه جهت تولید تصاویر کوهرنس به کار گرفته شد. در مرحله دوم، داده‌های مکانی از پارامترهای موثر بر فرسایش شامل بافت خاک، ارتفاع، شیب و پوشش گیاهی تولید و آماده‌سازی شدند. به منظور واردسازی روند تغییرات پوشش گیاهی به عنوان عاملی بسیار موثر بر فرسایش خاک به مدلسازی، از تصاویر چندطیفی ماهواره لندست 8 بصورت شاخص پوشش گیاهی تفاضلی نرمال‌شده (NDVI) استفاده گردید. پس از آماده‌سازی پارامترهای ورودی مدل، در مرحله سوم با استفاده از نقشه معتبر فرسایش خاک منطقه، نمونه‌های تعلیمی و اعتبارسنجی تهیه شدند. در مرحله چهارم، طبقه‌بندی‌کننده ماشین بردار پشتیبان (SVM) با استفاده از پارامترهای ورودی و نمونه‌های تعلیمی، بر اساس کرنل‌های مختلف آموزش داده شد. در نهایت، به ازای هر کرنل یک نقشه استعداد فرسایش خاک تولید و اعتبارسنجی گردید.

از طریق انتخاب جفت‌تصاویر با خط‌مبناهای مکانی و زمانی کوتاه، تاثیرات ناهمبستگی زمانی ناشی از اتمسفر و نیز ناهمبستگی مکانی ناشی از جابجایی خیلی زیاد مدار ماهواره در گذرهای متوالی تا حد امکان کاهش یافته است. بنابراین الگوهای تغییرات موجود در تصاویر کوهرنس به احتمال زیاد ناشی از تغییر خصوصیات فیزیکی سطح زمین هستند که می-توانند به مدلسازی فرسایش خاک کمک کنند. علاوه بر عرض جغرافیایی، پارامترهای اقلیمی تا حد زیادی تابعی از ویژگی-های توپوگرافی محلی نیز هستند. مناطق مرتفع در قیاس با اراضی پست میزان بارش بیشتری دریافت می‌کنند. از طرف دیگر، در ارتفاعات تنوع شیب زمین بیشتر است. عامل شیب به طور قابل توجهی می‌تواند تسریع‌کننده و تشدید‌کننده فرآیند از هم گسیختگی و فرسایش ذرات خاک توسط آب و باد واقع گردد. بر اساس نقشه معتبر فرسایش خاک منطقه، بخشی زیادی از نمونه‌های تعلیمی مربوط به کلاس‌های استعداد متوسط تا بسیار زیاد، منطبق بر الگوی توپوگرافی منطقه هستند. مناطق پوشیده از آب و گیاه به دلیل اینکه به شدت پویا هستند در تصاویر کوهرنس واریانس و تغییراتی زیادی نشان می-دهند. اما لزوما تغییرات زیاد به معنی فرسایش خاک شدید نیست و این موضوع از طریق واردسازی سری زمانی NDVI به مدلسازی، در نظر گرفته شده است. به منظور پیاده‌سازی کرنل‌های مختلف طبقه‌بندی‌کننده SVM شامل خطی (Linear)، چندجمله‌ای (Polynomial)، تابع پایه شعاعی (RBF) و سیگموئید (Sigmoid)، تعداد 112 ویژگی شامل 95 تصویر کوهرنس، 12 تصویر میانگین NDVI ماهیانه، سه تصویر مربوط به خصوصیات بافت خاک و دو تصویر مربوط به خصوصیات توپوگرافی مورد استفاده قرار گرفتند. نقشه‌های استعداد فرسایش تولیدی توسط کرنل‌های مختلف الگوهای مکانی فرسایش متفاوتی نشان می‌دهند. این تفاوت‌ها، نشان‌دهنده کارایی متفاوت کرنل‌ها با توجه به منطق آنها جهت مدل کردن پیچیدگی-های موجود در داده‌های ورودی است. بر این اساس، کرنل‌های RBF و Sigmoid به ترتیب با صحت کلی برابر با 44/80 % و 52 % بهترین و بدترین عملکرد را در پیش‌بینی کلاس‌های مختلف استعداد فرسایش خاک ارائه دادند.

در این پژوهش، کارایی داده‌های کوهرنس InSAR در تلفیق با داده‌های اپتیک جهت نقشه‌برداری مناطق مستعد فرسایش خاک مبتنی بر قابلیت‌های یادگیری ماشین مورد ارزیابی قرار گرفت. به منظور بهبود صحت و کارایی مدلسازی، از شاخص‌ گیاهی NDVI نیز استفاده گردید. در واقع با بکارگیری الگوهای زمانی NDVI، سیگنال‌های تغییرات کوهرنس شدید ناشی از تغییرات فنولوژیکی گیاهان و پهنه‌های آبی، از سیگنال‌های فرسایش خاک شدید مدلسازی و تشخیص داده شدند. نتایج حاصل از اعتبارسنجی کرنل‌های مختلف طبقه‌بندی‌کننده SVM برای نقشه‌برداری مناطق مستعد فرسایش خاک، نشان-دهنده تاثیر بسزای نوع مدل طبقه‌بندی بر صحت نتایج است. در این میان، کرنل RBF با صحت کلی برابر با 44/80 % بالاترین عملکرد را در مقایسه با سایر کرنل‌ها به دست داد. بطورکلی یافته‌های پژوهش حاضر بر کارایی قابل قبول داده‌های کوهرنس InSAR مبتنی بر تصاویر ماهواره سنتینل-1 جهت مدلسازی فرسایش خاک تاکید دارد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Soil erosion susceptibility mapping using Sentinel-1 interferometric SAR coherence and machine learning (Study area: Khuzestan province)

نویسندگان English

Masoud Soleimani 1
Najmeh Samani Neysani 2
Sara Attarchi 1
Ali Darvishi Boloorani 1
1 Department of Remote Sensing and GIS, Faculty of Geography, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Department of Remote Sensing and GIS - Faculty of Geography - University of Tehran
چکیده English

Here, a subset of Khuzestan province was selected as one of the areas affected by severe soil erosion to implement the proposed approach. In the first step, InSAR processes were applied to produce multi-temporal coherence images using a nearly 5-year time series (2015-2020) of Sentinel-1 satellite data with a temporal resolution of 24 days. The Small BAseline Subset (SBAS) algorithm was used to select SAR image pairs with short spatial and temporal baselines to generate coherence images. The second step was to obtain geospatial data on parameters that affect erosion, such as soil texture, elevation, slope, and vegetation. Landsat 8 multispectral imagery was used as the normalized difference vegetation index (NDVI) to incorporate the patterns of vegetation change, a highly effective factor in soil erosion, into the modeling. After preparing the input parameters of the model, in the third step, training and validation samples were prepared using the valid soil erosion map of the study area. In the fourth step, the support vector machine (SVM) classifier was implemented using input parameters and training samples based on different kernels. Finally, a soil erosion susceptibility map was generated and validated for each kernel.

By selecting image pairs with short spatial and temporal baselines, the effects of temporal decorrelation due to the atmosphere and spatial decorrelation due to satellite orbital displacement were minimized. Therefore, the patterns of change in the coherence images are most likely caused by changes in the physical properties of the Earth's surface, which can help model soil erosion. In addition to latitude, climatic parameters are largely a function of local topographic features. Highlands receive more rainfall than lowlands. In the highlands, on the other hand, the variety of slopes is greater. The slope factor can significantly accelerate and intensify the detachment of soil particles by water and wind. According to the valid soil erosion map of the region, a large part of the training samples corresponds to the medium to high soil erosion susceptibility classes, in accordance with the topographic pattern of the region. Because the areas covered by water and vegetation are highly dynamic, they show high variance and change in the coherence images. However, large changes do not necessarily mean severe soil erosion, and this issue has been addressed by incorporating NDVI time series into the modeling. To implement different SVM classifier kernels including linear, polynomial, radial basis function (RBF) and sigmoid, the number of 112 features including 95 coherence images, 12 average monthly NDVI images, 3 images of soil texture characteristics, and 2 images related to topographic characteristics were used. Soil erosion susceptibility maps generated by different kernels show different spatial patterns of erosion. These inconsistencies indicate the different effectiveness of the kernels according to their logic for modeling the complexity in the input data. Accordingly, RBF and Sigmoid kernels provided the best and worst performance in predicting different classes of soil erosion susceptibility with overall accuracies of 80.44% and 52%, respectively.

This research evaluated the effectiveness of InSAR coherence data combined with optical data for mapping areas susceptible to soil erosion based on machine learning capabilities. To improve the accuracy of the modeling, NDVI was also considered. In fact, by taking advantage of NDVI temporal patterns, signals of strong coherence variability caused by the phenological behavior of plants and water body changes have been modeled and detected from severe soil erosion signals. The results obtained from the validation of different kernels of SVM classifiers for mapping areas susceptible to soil erosion show the significant impact of the type of classification model on the accuracy of the outputs. Meanwhile, the RBF kernel achieved the highest performance compared to other kernels with an overall accuracy of 80.44%. Our results highlight the acceptable effectiveness of InSAR coherence data based on Sentinel-1 satellite imagery for modeling soil erosion.

کلیدواژه‌ها English

Soil Erosion
Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR)
Coherence
Remote Sensing
Support Vector Machine
Sentinel-1

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 21 تیر 1405