نشریه سنجش از دور و GIS  ایران

نشریه سنجش از دور و GIS ایران

نقشه‌برداری مکانی تراکم تاج‌پوشش مانگروهای ماهشهر با تلفیق داده‌های سنتینل-2 و الگوریتم جنگل تصادفی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 پژوهشکده علوم محیطی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
2 پژوهشکده علوم محیطی دانشگاه شهید بهشتی تهران ایران
10.48308/gisj.2026.246124.1368
چکیده
سابقه و هدف: پایش ویژگی‌های ساختاری جنگل‌های مانگرو برای شناخت وضعیت رویشگاه و برنامه‌ریزی حفاظت و مدیریت این بوم‌سازگان‌ها اهمیت ویژه‌ای دارد. تراکم تاج‌پوشش یکی از سنجه‌های مهم ساختار درون‌توده‌ای و وضعیت استقرار مانگروهاست. اندازه‌گیری میدانی این ویژگی در محیط‌های جزرومدی با محدودیت‌هایی مانند دشواری دسترسی، گستردگی رویشگاه و هزینه بالای نمونه‌برداری همراه است. تصاویر چندطیفی سنتینل-۲ امکان پایش گسترده این رویشگاه‌ها را فراهم می‌کنند؛ بااین‌حال، عملکرد نقشه‌برداری به وضوح مکانی، ویژگی‌های طیفی و ساختار لکه‌های مانگرو وابسته است. هدف اصلی پژوهش، پهنه‌بندی تراکم تاج‌پوشش جنگل‌های مانگروی ماهشهر با استفاده از تصاویر سنتینل-۲ و الگوریتم جنگل تصادفی بود. برای این منظور، عملکرد مدل در وضوح‌های مکانی ۱۰ و ۲۰ متر مقایسه شد و مؤثرترین باند‌ها و شاخص‌های طیفی در تفکیک طبقات کم‌تراکم، متوسط و پرتراکم بررسی شدند.

مواد و روش‌ها: منطقه مورد مطالعه در رویشگاه‌های مانگروی ماهشهر، واقع در محدوده خور موسی و منطقه ویژه اقتصادی پتروشیمی ماهشهر، قرار دارد. برای انجام پژوهش، تصویر بازتاب سطحی سنتینل-۲ با سطح پردازش Level-2A مربوط به ۲۶ ژوئن ۲۰۲۳، با پوشش ابری اندک و هم‌زمان با شرایط جزر، انتخاب شد. محدوده مانگروها از نقشه پوشش و کاربری اراضی سال ۲۰۲۳ استخراج و به‌عنوان ماسک مکانی مشترک استفاده شد. نه باند طیفی و چهار شاخص شامل شاخص تفاضل نرمال شده پوشش گیاهی (NDVI)، شاخص تفاضل نرمال آب-2 (NDWI2)، شاخص پوشش گیاهی مانگرو (MVI) و شاخص ترکیبی شناسایی مانگرو (CMRI) تهیه و به‌عنوان متغیرهای پیش‌بین وارد مدل جنگل تصادفی شدند. برای ارزیابی اثر مقیاس مکانی بر عملکرد مدل، دو مجموعه داده در وضوح‌های ۱۰ و ۲۰ متر تهیه شد.

داده‌های مرجع با تفسیر بصری تصاویر Google Earth Pro مربوط به تاریخ ۲۶ ژوئن ۲۰۲۳ تهیه شدند. دایره‌هایی با شعاع ۳۰ متر برای تعیین درصد تاج‌پوشش به کار رفت و طبقات کمتر از ۳۰ درصد، ۳۰ تا ۷۰ درصد و بیش از ۷۰ درصد به‌ترتیب کم‌تراکم، متوسط و پرتراکم تعریف شدند. از مجموع ۳۱۰ نمونه گردآوری‌شده، پس از تطبیق با محدوده ماسک مانگرو، ۲۸۰ نمونه معتبر شامل ۵۹ نمونه کم‌تراکم، ۱۴۷ نمونه متوسط و ۷۴ نمونه پرتراکم برای آموزش مدل استفاده شدند.

برای هر وضوح، مدل جنگل تصادفی با ۱۵۰۰ درخت آموزش داده شد و عملکرد آن بر اساس نمونه‌های خارج از کیسه ارزیابی گردید. دقت کلی، ماتریس خطا و اهمیت متغیرها بر اساس معیار کاهش میانگین دقت استخراج شد. پس از انتخاب مدل مناسب، نقشه اولیه با تفسیر تصاویر دارای وضوح مکانی بسیار بالا پالایش شد.

نتایج و بحث: نتایج نشان داد که مدل جنگل تصادفی در وضوح ۲۰ متر عملکرد بهتری از مدل ۱۰ متر داشت. دقت کلی خارج از کیسه مدل‌های ۱۰ و ۲۰ متری به‌ترتیب 18/90 و 95 درصد بود. عملکرد بهتر وضوح ۲۰ متر احتمالاً با هماهنگی بیشتر مقیاس پردازش با وضوح ذاتی باندهای لبه قرمز و فروسرخ و کاهش تغییرات ریزمقیاس درون طبقات مرتبط است.

ماتریس خطا نشان داد که طبقه کم‌تراکم تفکیک‌پذیری بیشتری داشت، درحالی‌که بیشترین اختلاط میان طبقات متوسط و پرتراکم مشاهده شد. تحلیل اهمیت متغیرها نشان داد که B5،NDVI وB4 بیشترین سهم را در تفکیک طبقات داشتند که اهمیت اطلاعات سبزینگی و ناحیه لبه قرمز را نشان می‌دهد. پالایش نقشه نشان داد که بیشترین عدم‌قطعیت مکانی در عرصه‌های کم‌تراکم و حاشیه لکه‌ها متمرکز است. پس از پالایش، مساحت نهایی مانگروها 80/513 هکتار برآورد شد که 66/63 درصد آن کم‌تراکم، 86/31 درصد متوسط و 48/4 درصد پرتراکم بود. این الگو نشان داد که ساختار رویشگاه ماهشهر در زمان تصویربرداری عمدتاً از تاج‌های باز و ناپیوسته تشکیل شده است.

نتیجه‌گیری: تلفیق باندهای سنتینل-۲، شاخص‌های طیفی و الگوریتم جنگل تصادفی امکان پهنه‌بندی تراکم تاج‌پوشش مانگروهای ماهشهر را با دقت مناسب فراهم کرد. مدل ۲۰ متری با دقت کلی ۹۵ درصد برای تهیه نقشه نهایی انتخاب شد. متغیرهای B5، NDVI وB4 بیشترین نقش را در تفکیک طبقات تراکم داشتند. غالب بودن طبقه کم‌تراکم نشان‌دهنده ساختار عمدتاً باز و ناپیوسته رویشگاه است. بنابراین، نقشه برداری تراکم تاج‌پوشش با سنتینل-۲ می‌تواند علاوه بر نمایش الگوی مکانی، پهنه‌های دارای عدم قطعیت و نیازمند بازدید میدانی را نیز مشخص کند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Mapping Mangrove Canopy-Cover Density in Mahshahr by Integrating Sentinel-2 Data and Random Forest

نویسندگان English

Sima Farivar Ghaziani 1
Yousef Rashidi 2
Hossein Mahmoudi 1
1 Environmental Sciences Research Institute, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 Environmental Sciences Research Institute , Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده English

Background and purpose: Monitoring the structural characteristics of mangrove forests is of particular importance for understanding habitat conditions and planning the conservation and management of these ecosystems. Canopy density is one of the important measures of stand structure and mangrove establishment status. Field measurement of this characteristic in tidal environments is associated with limitations such as difficult accessibility, the extensive spatial extent of habitats, and high sampling costs. Sentinel-2 multispectral imagery provides an opportunity for extensive monitoring of these habitats; however, mapping performance can depend on spatial resolution, spectral characteristics of the data, and mangrove patch structure. The main objective of this study was to map the canopy density of the Mahshahr mangrove forests using Sentinel-2 imagery and the Random Forest algorithm. model performance was compared at spatial resolutions of 10 and 20 m, and the most effective bands and spectral indices for distinguishing low-, medium-, and high-density classes were investigated.

Materials and Methods: The study area was located in the Mahshahr mangrove habitats, situated within the Musa Estuary and the Mahshahr Special Economic Zone. A Sentinel-2 surface reflectance image with Level-2A processing level acquired on June 26, 2023, was selected, with low cloud cover and coinciding with low-tide conditions. The mangrove extent was extracted from the 2023 land-cover and land-use map and was used as a common spatial mask. Nine spectral bands and four spectral indices were derived from the Sentinel-2 image and entered into the Random Forest model as predictor variables. The indices included the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Normalized Difference Water Index-2 (NDWI2), Mangrove Vegetation Index (MVI), and Combined Mangrove Recognition Index (CMRI). To evaluate the effect of spatial scale on model performance, two datasets were prepared at 10 and 20 m resolutions.

Reference data were generated through visual interpretation of Google Earth Pro imagery acquired on 26 June 2023. Circular sample plots with a radius of 30 m were used to determine the percentage of canopy cover. Values below 30% were defined as low density, 30–70% as medium density, and above 70% as high density. From a 310 collected samples, 280 valid samples—including 59 low-density, 147 medium-density, and 74 high-density plots—were retained for model training after matching with the mangrove mask.

For each spatial resolution, a Random Forest model with 1,500 trees was trained, and its performance was evaluated based on out-of-bag samples. Overall accuracy, the confusion matrix, and variable importance based on the mean decrease in accuracy criterion were extracted. After selecting the appropriate model, the initial map was refined through interpretation of very-high-spatial-resolution imagery.

Results and discussion: The results showed that the Random Forest model performed better at the 20-m resolution than at the 10-m resolution. The out-of-bag overall accuracies of the 10- and 20-m models were 90.18% and 95%, respectively. The better performance of the 20-m model was likely due to closer agreement between the processing scale and the native resolution of the red-edge and shortwave infrared bands and reduced within-class fine-scale variability.

The confusion matrix showed that the low-density class had greater separability, whereas the greatest confusion occurred between the medium- and high-density classes. Variable-importance analysis showed that B5, NDVI, and B4 contributed most to class discrimination, highlighting the importance of vegetation greenness and the red-edge region. Map refinement showed that the greatest spatial uncertainty was concentrated in low-density areas and along patch edges. After refinement, the final mangrove area was estimated at 513.80 ha, of which 63.66% was low density, 31.86% was medium density, and 4.48% was high density. This pattern indicated that, at the time of image acquisition, the Mahshahr habitat was predominantly composed of open and discontinuous canopies.

Conclusion: The integration of Sentinel-2 bands, spectral indices, and the Random Forest algorithm provided an effective approach for mapping the canopy density of the Mahshahr mangroves with suitable accuracy. The 20-m model, with an overall accuracy of 95%, was selected for the final map. The variables B5, NDVI, and B4 made the greatest contributions to distinguishing density classes. The dominance of the low-density class indicated a predominantly open and discontinuous canopy structure in the habitat. Therefore, mapping canopy density using Sentinel-2 can not only represent the spatial pattern but also identify areas with greater uncertainty that require field verification.

کلیدواژه‌ها English

Mangrove forests
canopy cover density
Sentinel-2
random forest
spatial block cross-validation
Mahshahr

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 16 آبان 1405