نشریه سنجش از دور و GIS  ایران

نشریه سنجش از دور و GIS ایران

ارزیابی پویا مکانی-زمانی تغییرات پهنه آبی تالاب‌ها با سنجش‌ازدور: تحلیل روندهای فصلی و بلندمدت غیرپارامتریک در تالاب میانکاله

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
1 کارشناسی ارشد-دانشکده نقشه برداری، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی
2 دانشکده عمران، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل
3 دانشکده نقشه برداری، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی
چکیده
ارزیابی پویایی مکانی-زمانی تغییرات پهنه‌های آبی تالاب‌ها با استفاده از سنجش از دور: تحلیل صریح روندهای فصلی و چارچوبی غیرپارامتریک برای سری‌های زمانی بلندمدت

چکیده

سابقه و هدف: تالاب‌ها به عنوان اکوسیستم‌هایی بسیار حساس، پویا و حیاتی، نقش کلیدی در حفظ تنوع زیستی، تنظیم چرخه‌های اقلیمی، بهبود کیفیت آب و ترسیب کربن ایفا می‌کنند. این زیست‌بوم‌ها همچنین زیستگاه گونه‌های متعدد گیاهی و جانوری بوده و در کاهش اثرات سیلاب و تثبیت خاک نیز مؤثر هستند. با این حال، تحت تأثیر تغییرات اقلیمی، خشکسالی‌های مکرر و فعالیت‌های انسانی نظیر برداشت بی‌رویه آب و توسعه ناپایدار، با کاهش سطح آب و تخریب گسترده مواجه شده‌اند. بنابراین، شناسایی و تحلیل روندهای بلندمدت تغییرات تالاب‌ها، به‌ویژه در سامانه‌هایی با نوسانات فصلی شدید، برای برنامه‌ریزی و مدیریت پایدار منابع آبی امری ضروری است.

مواد و روش ها: در این مطالعه روند تغییرات پهنه‌ی آبی تالاب میانکاله در ایران طی سال‌های ۲۰۱۳ تا ۲۰۲۵ با بهره‌گیری از داده‌های ماهواره‌ای لندست ۸، لندست ۹ و سنتینل-۲ مورد بررسی قرار گرفت. در گام نخست، تمام تصاویر ماهواره‌ای موجود پس از اعمال پیش‌پردازش‌های لازم شامل تصحیح اتمسفری و حذف تصاویر با پوشش ابری بیش از ۵ ٪، انتخاب گردید. سپس مساحت پهنه‌های آبی با استفاده از شاخص MNDWI و آستانه‌گذاری خودکار Otsu استخراج شد و به منظور افزایش دقت، عملیات پاک‌سازی پس‌پردازشی برای حذف نویزهای ناشی از ابر، سایه و خطاهای طبقه‌بندی اعمال گردید. در ادامه، داده‌های حاصل از منابع مختلف ترکیب و یک سری زمانی یکپارچه ایجاد شد و صحت آن با استفاده از معیار Relative RMSE ارزیابی گردید. در نهایت، به منظور تحلیل روند بلندمدت و بررسی اثرات فصلی، از روش‌های غیرپارامتریک شیب سن فصلی و آزمون من-کندال فصلی اصلاح‌شده استفاده شد. نتایج این رویکرد، امکان ارائه تحلیلی دقیق و قابل اعتماد از تغییرات بلندمدت تالاب‌های با پویایی فصلی بالا را فراهم می‌سازد.

تایج: نتایج نشان داد که مساحت پهنه‌های آبی تالاب میانکاله طی دوره مورد مطالعه روندی کاهشی و قابل توجه داشته است (شیب سن ≈ 0.045- کیلومتر مربع در روز، τ = 0.714- و 0.001> p) که بیانگر یک روند منفی قوی و از نظر آماری معنادار است. بر اساس این نرخ، مساحت تالاب به طور متوسط سالانه حدود 16 کیلومتر مربع کاهش یافته است. نتایج اعتبارسنجی نیز با مقادیر Relative RMSE کمتر از ۱۰٪ برای هر سه سنجنده، دقت بالای استخراج پهنه‌های آبی با استفاده از شاخص MNDWI و آستانه‌گذاری Otsu را تأیید می‌کند. بررسی سری‌های زمانی نشان داد که اگرچه هر سه منبع داده روند کاهشی مشابهی را ثبت کرده‌اند، اما داده‌های سنتینل-۲ جزئیات بیشتری از نوسانات فصلی و کوتاه‌مدت را آشکار می‌سازد. همچنین، کاهش شدیدتر مساحت در سال‌های پایانی، به‌ویژه از 2022 به بعد، نشان‌دهنده تشدید روند تخریب تالاب است. تحلیل‌های فصلی نشان داد که این روند کاهشی با نوسانات زمانی قابل توجهی همراه بوده است، به‌طوری‌که بیشترین شدت کاهش در برخی دوره‌ها در فصل زمستان رخ داده، در حالی که فصول بهار و تابستان عموماً کاهش‌های تدریجی‌تر اما پیوسته‌تری را تجربه کرده‌اند. در مجموع، اگرچه نوسانات کوتاه‌مدت و بهبودهای مقطعی مشاهده می‌شود، اما روند غالب بلندمدت، کاهشی و نگران‌کننده است.

بحث و نتیجه گیری: تحلیل فصلی در این پژوهش امکان تفکیک اثرات دوره‌ای و خودهمبستگی داده‌ها را فراهم کرده و نشان داد که این رویکرد نسبت به تحلیل‌های غیر فصلی، دقت بیشتری در شناسایی روند واقعی بلندمدت دارد. همچنین، تفاوت پاسخ تالاب در فصول مختلف به‌خوبی آشکار شد و اهمیت در نظر گرفتن نوسانات فصلی در تحلیل‌ها را برجسته کرد. نتایج نشان می‌دهد که نادیده گرفتن این مؤلفه‌ها می‌تواند به تفسیر نادرست روندها منجر شود. در مجموع، استفاده از روش‌های فصلی برای پایش دقیق‌تر تالاب‌های پویا ضروری بوده و یافته‌های این مطالعه می‌تواند مبنایی علمی برای بهبود مدیریت، حفاظت و احیای تالاب‌های حساس فراهم سازد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Dynamic Spatiotemporal Assessment of Wetland Water-Area Changes Using Remote Sensing: Analysis of Seasonal and Long-Term Trends in Miankaleh Wetland

نویسندگان English

Arman Ebrahimi 1
Abbas Kiani 2
Hamid Ebadi 3
Nima Arij 3
1 M.Sc. , Department of Photogrammetry and Remote Sensing, Faculty of Surveying Engineering, K. N. Toosi University of Technology,
2 Babol Noshirvani University of Technology
3 Department of Photogrammetry and Remote Sensing, Faculty of Surveying Engineering, K. N. Toosi University of Technology
چکیده English

Background and Objective: Wetlands are highly sensitive, dynamic, and vital ecosystems that play a key role in biodiversity conservation, climate regulation, water quality improvement, and carbon sequestration. These ecosystems also provide habitats for a wide range of plant and animal species and contribute to flood mitigation and soil stabilization. However, they are increasingly affected by climate change, recurrent droughts, and human activities such as excessive water extraction and unsustainable development, leading to significant water loss and degradation. Therefore, identifying and analyzing long-term trends in wetland dynamics, particularly in systems with strong seasonal variability, is essential for sustainable water resource management and planning.

Materials and Methods: This study investigated changes in the water surface area of the Miankaleh Wetland in Iran from 2013 to 2025 using Landsat 8, Landsat 9, and Sentinel-2 satellite data. Initially, all available images were preprocessed through atmospheric correction and cloud filtering (less than 5% cloud cover). Water bodies were then extracted using the Modified Normalized Difference Water Index (MNDWI) combined with Otsu automatic thresholding. Post-processing steps were applied to reduce noise caused by clouds, shadows, and classification errors. The resulting datasets were integrated into a unified time series, and accuracy was evaluated using Relative RMSE. Finally, Seasonal Sen’s slope and the Modified Seasonal Mann–Kendall test were applied to assess long-term trends and seasonal effects.

Materials and Methods: This study investigated changes in the water surface area of the Miankaleh Wetland in Iran from 2013 to 2025 using Landsat 8, Landsat 9, and Sentinel-2 satellite data. Initially, all available images were preprocessed through atmospheric correction and cloud filtering (less than 5% cloud cover). Water bodies were then extracted using the Modified Normalized Difference Water Index (MNDWI) combined with Otsu automatic thresholding. Post-processing steps were applied to reduce noise caused by clouds, shadows, and classification errors. The resulting datasets were integrated into a unified time series, and accuracy was evaluated using Relative RMSE. Finally, Seasonal Sen’s slope and the Modified Seasonal Mann–Kendall test were applied to assess long-term trends and seasonal effects.

Materials and Methods: This study investigated changes in the water surface area of the Miankaleh Wetland in Iran from 2013 to 2025 using Landsat 8, Landsat 9, and Sentinel-2 satellite data. Initially, all available images were preprocessed through atmospheric correction and cloud filtering (less than 5% cloud cover). Water bodies were then extracted using the Modified Normalized Difference Water Index (MNDWI) combined with Otsu automatic thresholding. Post-processing steps were applied to reduce noise caused by clouds, shadows, and classification errors. The resulting datasets were integrated into a unified time series, and accuracy was evaluated using Relative RMSE. Finally, Seasonal Sen’s slope and the Modified Seasonal Mann–Kendall test were applied to assess long-term trends and seasonal effects.

Results: The results indicated a significant decreasing trend in the wetland’s water surface area (Sen’s slope ≈ −0.045 km²/day, τ = −0.714, p < 0.001), representing a strong and statistically significant decline. This corresponds to an average annual loss of approximately 16 km². Validation results confirmed high accuracy of the extracted water areas, with Relative RMSE below 10% for all sensors. Although all datasets showed a consistent declining trend, Sentinel-2 provided more detailed seasonal and short-term variations. The most pronounced decrease occurred in the later years, especially after 2022. Seasonal analysis revealed that the decline was not uniform throughout the year; the strongest reductions were generally observed in winter, while spring and summer exhibited more gradual but persistent decreases. Overall, despite short-term fluctuations and occasional temporary increases, the long-term trend remained strongly negative and concerning.

Discussion and Conclusion: Seasonal analysis enabled the separation of periodic effects and autocorrelation, demonstrating that seasonal approaches provide more reliable detection of true long-term trends compared to non-seasonal methods. It also highlighted distinct seasonal responses of the wetland, emphasizing the importance of accounting for seasonal variability in trend analysis. Ignoring these components may lead to misinterpretation of results. Overall, seasonal methods are essential for accurate monitoring of dynamic wetlands, and the findings of this study provide a scientific basis for improving the management, conservation, and restoration of vulnerable wetland ecosystems.

کلیدواژه‌ها English

Seasonal Sen’s slope
Seasonal modified Mann–Kendall
Landsat
Google Earth Engine
trend analysis

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 20 مرداد 1405