آشکارسازی تغییرات کاربری اراضی شهراردبیل با استفاده از تکنولوژی RS و GIS

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه سنجش از دور و GIS، دانشکاه آزاد اسلامی واحد علوم وتحقیقات تهران، ایران.

2 کارشناس ارشد علوم محیط زیست ( ارزیابی و آمایش سرزمین)، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم تحقیقات، تهران

چکیده

از آنجایی که اراضی کشاورزی منطقه دشتی اردبیل ازارزش بسیار زیادی به لحاظ تامین مواد غذایی دارد و باید سیاست­های استفاده مناسب از کاربری­ها در این عرصه به خوبی مدیریت گردد. لزوم تعیین روند و نرخ تبدیل پوشش اراضی برای برنامه­ریزان توسعه به منظور برقراری نظام­نامه استفاده از زمین ضروری است. به این منظور اطلاعات پویای زمانی سنجش از راه دور می­تواند نقش مهم و موثر برای پایش و تجزیه و تحلیل تغییرات کاربری با استفاده از  تکنیک­های آشکارسازی رقومی تغییرات که فرایند تعیین یا توصیف تغییرات درنوع پوشش اراضی و وضعیت استفاده زمین براساس اطلاعات تصاویر چند دوره زمانی است، داشته باشد. فرض اساسی در استفاده از داده­های دورکاوی در این مطالعات بر این پایه است که می­توان روند صعودی و نزولی تغییرات بین دو یا چند تاریخ را شناسایی و در سال­های مختلف مورد تعقیب و پایش قرار داده و روابط متقابل میان پارامترهای طبیعی و اجتماعی و اقتصادی را کشف نمود. در این بخش از روش و متدلوژی سنجش از دور بر مبنای تصاویر ماهواره­ای موجود و در دسترس با توجه به  تکنیک­های طبقه­بندی نظارت شده بیش­ترین شباهت برای شناخت تغییر کاربری اراضی در محدوده توسعه یافته شهر اردبیل  استفاده شد.

کلیدواژه‌ها


 

 

 

 

 

پایداری، توسعه و محیط زیست، دوره دوم، شماره4، پاییز 98

آشکارسازی تغییرات کاربری اراضی شهراردبیل با استفاده از تکنولوژی RS و GIS

میر مسعود خیرخواه زرکش [1]

فرهاد حسین زاده آزاد[2]*

faazadi1966@gmail.com

 

چکیده

از آنجایی که اراضی کشاورزی منطقه دشتی اردبیل ازارزش بسیار زیادی به لحاظ تامین مواد غذایی دارد و باید سیاست­های استفاده مناسب از کاربری­ها در این عرصه به خوبی مدیریت گردد. لزوم تعیین روند و نرخ تبدیل پوشش اراضی برای برنامه­ریزان توسعه به منظور برقراری نظام­نامه استفاده از زمین ضروری است. به این منظور اطلاعات پویای زمانی سنجش از راه دور می­تواند نقش مهم و موثر برای پایش و تجزیه و تحلیل تغییرات کاربری با استفاده از  تکنیک­های آشکارسازی رقومی تغییرات که فرایند تعیین یا توصیف تغییرات درنوع پوشش اراضی و وضعیت استفاده زمین براساس اطلاعات تصاویر چند دوره زمانی است، داشته باشد. فرض اساسی در استفاده از داده­های دورکاوی در این مطالعات بر این پایه است که می­توان روند صعودی و نزولی تغییرات بین دو یا چند تاریخ را شناسایی و در سال­های مختلف مورد تعقیب و پایش قرار داده و روابط متقابل میان پارامترهای طبیعی و اجتماعی و اقتصادی را کشف نمود. در این بخش از روش و متدلوژی سنجش از دور بر مبنای تصاویر ماهواره­ای موجود و در دسترس با توجه به  تکنیک­های طبقه­بندی نظارت شده بیش­ترین شباهت برای شناخت تغییر کاربری اراضی در محدوده توسعه یافته شهر اردبیل  استفاده شد.

 

واژه­های کلیدی: دور­کاوی،  طبقه­بندی، آشکارسازی تغییرات ، کاربری اراضی.

 

J. Sus. Dev. & Env., Vol 2, No.4, Autumn2019

 

Change detection of land use in Ardabil city by means of GIS and RS Technology

 

Mirmasood Kheirkhah Zarkesh[3]*

Farhad Hoseinzadeh azad[4]

faazadi1966@gmail.com

 

Abstract

Since agricultural plain lands of Ardabil have been important in providing food stuffs, and due to the necessities of land usage management in this section, determination of process and change-rating of land cover I important for developers. In this regard, dynamic temporal data of remote sensing can play an important role in searching and analyzing of land usage change which is done by means of numerical change detection techniques in which the descriptive process of changes in covering variety and situation of land use is based on the temporal series image data. Basic hypothesis in using remote sensing data is on the base of these criteria that claims the ascending or descending nature of changes between two or more periods is recognizable, and by comparing the related data from different years, we can detect mutual relationships between natural, social and economic parameters. In this study, maximum likelihood supervised classification and change detection techniques were applied to Land sat images acquired in 1990 and 2007, respectively, to map land cover changes in the Ardebil city. A supervised classification was carried out on reflective bands for the four images individually with the aid of ground truth data. Ground truth information collected were used to assess the accuracy of the classification results. Using ancillary data, and expert knowledge of the area through GIS further refined the classification results. Change detection technique was used to produce change image through cross-tabulation Changes among different land cover classes were assessed. During the study period, a very severe land cover change has taken place as a result of agricultural and urban development projects. These changes in land cover led to vegetation degradation and cropland in part of the study area.                                                                               

Keywords: Remote sensing, Classification, Change detection, Land use.

 

 

 

 

 

 

زمینه و هدف

 

شهر­نشینی یک فرایند اجتناب­ناپذیر در نتیجه توسعه اقتصادی و رشد جمعیت می­باشد. احداث سکونت­گاه­ها علاوه بر تاثیر روی اراضی کشاورزی که منجر به نتایج هم­چون تجزیه و کاهش میزان عملکرد می­گردد، نظر به استقرار اکثر ساخت و سازها و تمرکز جمعیت بالا دراطراف منابع آبی بر کیفیت این منابع اثرگذار خواهد بود. از آنجایی که امنیت غذا و از­دست­رفتن مستمر اراضی کشاورزی از معضلات جهانی است کنترل و نظارت بر این مسایل ضروری است. به منظور حفظ امنیت غذایی، غلبه بر تغییرات کاربری اراضی ، توسعه اراضی کشاورزی و ماکزیمم کردن تولید در واحد سطح اراضی هدف اصلی در این رابطه می­تواند بالا بردن نسبت اراضی کشاورزی و به حداقل رساندن میزان تخریب در اراضی موجود باشد. هم­چنین هدف فرعی کنترل افزایش ناخواسته و بی­رویه رشد جمعیت وغلبه بر توسعه شهرها می­باشد. درراستای این  اهداف چون اراضی کشاورزی دشت اردبیل، از ارزش بسیاری به لحاظ تامین مواد غذایی دارد، تعیین روند تبدیل پوشش اراضی کشاورزی به سایر کاربری­ها با اطلاعات پویای زمانی سنجش از راه دور با تکنیک آشکار­سازی تغییرات می­تواند یک نقش مهم در تجزیه وتحلیل تغییرات کاربری داشته باشد. آشکارسازی رقومی داده­های ماهواره­ای فرایند تعیین، یا توصیف تغییرات درنوع پوشش اراضی است و وضعیت استفاده از زمین را براساس اطلاعات تصاویر رقومی چند دوره زمانی[5] و روابط متقابل میان پارامترهای طبیعی، اجتماعی واقتصادی را ارزیابی و کشف نماید. در نتیجه این مطالعات در برنامه­ریزی­های توسعه سرزمین می­تواند از اهمیت خاصی برخوردار باشد. هم­چنین تهیه نقشه تغییرکاربری اراضی از آن جهت که نتایج حاصل،  درمباحث ذیل می­تواند مفید باشد، از اهمیت خاصی برخوردار است. 

 

 

1- شناسایی پتانسیل­های از بین­ رفته و شناخت واکنش طبیعت در طول زمان نسبت به فعالیت­ها.

2- تعدیل و تصحیح مطالعات آمایش سرزمین استان، هماهنگ با نوع تغییرات و ابعاد کاربری­ها.

3- ارزیابی بسیاری از طرح­ها با تلفیق لایه کاربری اراضی با سایر اطلاعات، متناسب با روند تغییرات.

محدوده مطالعات

محدوده مورد مطالعه در کوهپایه سبلان ، دشت حاصل­خیز کشاورزی و حوزه استحفاظی شهراردبیل ، از توابع شهرستان اردبیل قرارگرفته و مختصات آن بر اساس سیستم UTM  268392 تا 258787متر شرقی و 4242854  تا 4230656  متر شمالی می­باشد . مساحتی این محدوده بالغ بر 11000 هکتار بوده و دامنه تغییرات ارتفاعی حاکم بر منطقه بین 4811- 1300 متر است و به­دلیل وجود منابع آبی فراوان و خاک حاصل­خیز، تحت مدیریت آب و زمین پتانسیل خوبی برای توسعه کشاورزی دارند.    

روش بررسی

چهارنوع داده پایه به صورت تصاویر و نقشه در این بررسی­ها مورد استفاده قرار گرفته­اند که عبارت­اند از:

1- تصاویر TMوETM   برای دوره زمانی1990 الی 2002 با مسیر 33/167و تصویر IRS برای سال 2007طبق

مشخصات ارایه شده در جدول شماره 1.

2- نقشه توپوگرافی رقومی شده با مقیاس 50000/1.

3- نقشه رقومی طرح تفصیلی شهر به منظور تصحیح هندسی و تطبیق صحت تصاویر با اطلاعات زمینی  (GCPs).

 

 

 

شکل 1- نقشه موقعیت نسبی و جغرافیایی محدوده مطالعات

 

جدول1- مشخصات عمومی تصاویر و سنجنده ماهواره­ها

مشخصات/ نام ماهواره

لندست 4-5

لندست7

IRS-1C

مدار،ارتفاع، دوره بازگشت

کشور سازنده و سنجنده

زاویه میل

عرض تصویربرداری

قابلیت تفکیک زمینی

تعداد باند

محدوده طیفی

شبه قطبی، 705کیلومتر، 16 روز

کشور آمریکا، TM

1/98درجه

185کیلومتر

30متر، باند6=60متر

7عدد

35/2-45/0میکرون

شبه قطبی، 705 کیلومتر، 16 روز

کشور امریکاETM+

1/98درجه

185کیلومتر

30متر، باند6=60متر، PAN=15m

8عدد(مرئی 7 عدد)

35/2-45/0میکرون

شبه قطبی، 705 کیلومتر، 16 روز

کشور هندوستان LISS-III

7/98درجه

142کیلومتر-PAN=70km

5/23 متر مرئی، مادون قرمز، PAN=5/8m

مرئی و مادون قرمز3عدد، PANیک عدد

مرئی 70/1-52/0 میکرون، PAN=/5-/75µ


 

 

ردیف

نام ماهواره

سنسور

تاریخ

تاریخ تصویربرداری

1

لندست4

TM

1990

1991/05/28آوریل

2

لندست5

TM

1998

1998/06/08می

3

لندست7

ETM+

2002

2002/10/28اکتبر

4

IRS

LISS

2007

2007/8/31اگوست

 

 

 

روش شناسی

 

طبقه­بندی تصاویرماهواره­ای: روش دورکاوی با توجه به  تکنیک­های طبقه­بندی نظارت شده بیش­ترین شباهت بر مبنای تصاویر ماهواره­ای دوره زمانی 1990 الی 2007 برای کشف، شناخت و نقشه­برداری تغییر کاربری­های اراضی در محدوده توسعه­یافته شهر اردبیل طبق شکل الگوریتم شماره2 استفاده شد که هر کدام از  مراحل عبارت­اند از:

 

 

 

شکل2- الگوریتم طبقه بندی تصاویر ماهواره ای

 


بررسی میزان همبستگی بین باند­ها

به منظور انتخاب بهترین باندها در روش  طبقه­بندی اقدام به آنالیز ماتریس همبستگی گردید و از باندهایی که از لحاظ خصوصیات طبیعی کم­ترین همبستگی را مطابق جداول ماتریس کوواریانس و همبستگی به یکدیگر داشته و بیش­ترین اطلاعات را می­توان از آن­ها استخراج نمود، استفاده شد . 

 

 

جدول2- ماتریس همبستگی باندهای تصاویر

 

 

 

 

تصحیح هندسی تصاویر

رفع خطاهای هندسی وپردازش تصاویر ماهواره­ای وتطبیق آن با واقعیت­های  معلوم زمینی جهت تجزیه وتحلیل داده­های پایه لازم و ضروری است. در این مطالعه با توجه به این­که 

 

 

روش­های تصحیح هندسی به دو دسته کلی یعنی روش جزء به جزء و روش کلی تقسیم می­گردند (1). با استفاده  از روش کلی که تعیین چند نقطه کنترل و معلوم زمینی و تعیین مختصات آن­ها در سیستم مختصات نقشه و تصویر می­باشد. تصحیح هندسی و زمین مرجع نمودن تصاویر انجام گردید. میزان خطای محاسباتی بین نقاط معلوم زمینی و تصاویر  در حد  قابل قبول یعنی 4/0 پیکسل  برآورد گردید.

بارزسازی تصاویر

در این تحقیق بارزسازی تصویر به منظور افزایش دقت، آشکارنمودن مرز بین خصوصیات و بهبود قابلیت تفسیر بصری تصویرها با روش بارزسازی تعدیل هیستوگرام در فاصله درجه روشنایی 255- 0 باکمک نرم افزار الویس انجام گرفت.

تهیه ترکیب باندی

دو ترکیب رنگی شبه طبیعی شامل باندهای 543 تصاویر TMو ETM، و یک ترکیب رنگی شبه طبیعی شامل باندهای 432 تصویر IRS، ازبین باندهای قابل رویت منطبق با خصوصیات واقعی زمین و چشم انسان برای تفسیر آسان و کلاس­بندی کاربری­ها تهیه شد.

 

 

 

 

 

شکل3- ترکیب رنگی شبه طبیعی  باندها

 

 


افزایش قدرت تفکیک1

افزایش قدرت تفکیک باندهای مختلف نسبت به باند دارای قدرت تفکیک بالاتر توسط روش­های ادغام قدرت تفکیک مکانی با رعایت شرایط زیر برای تعدادی از تصاویر دارای قدرت تفکیک پایین (تصاویر TM سال 98-90) با استفاده از

تصویر پانکروماتیک (PAN) باند 5 ماهواره IRS انجام پذیرفت .

1- همزمان بودن. 2- پوشش مکانی یکسان. 3- تطابق تکنولوژی سنجنده­ها. 4- همسان بودن سیستم زمین مرجع.

کلاس­بندی کاربری­ها

از آنجایی­که هدف اصلی در فرایند طبقه­بندی تصویر  تبدیل

ارزش­های طیفی تصاویر و داده­های ماهواره­ای به اطلاعات مفید و قابل استفاده می­باشد (4). به منظور تعیین ارزش و کلاس­بندی داده­های دورکاوی الگوریتم طبقه­بندی نظارت شده بیش­ترین شباهت که به طور کمی واریانس یا ضریب همبستگی واکنش طیفی کلاس­ها را موقع طبقه­بندی یک پیکسل ناشناخته درنظرگرفته و ارزیابی می­کند و به عنوان یک روش با بیش­ترین دقت بر اساس پارامترهای آماری است برای این مطالعات انتخاب و با استفاده از شناخت باندهایی که کم­ترین وابستگی طیفی را به یکدیگر دارند تصاویر ماهواره­ای 4دوره زمانی 2007-1990 در 4 کلاس ساخت و ساز[6] ،  

کشاورزی[7]، آب[8] و زمین بایریا کاشت نشده[9] طبقه­بندی (5 گردیدند).

آشکارسازی تغییرات[10]

به منظور شناسایی و آشکارسازی تغییرات کاربری­ها، معمولا میزان و  روند تغییرات که  تابع شرایط  محیطی و طبیعی

جدول 3- میزان تغییرات کلاس­های کاربری اراضی

شکل 4- کلاسهای کاربری اراضی شهر اردبیل (2007-1990)

 

 

 منطقه می­باشد، تعیین می­گردد. اگر تغییرات چشم­انداز در یک تصویر با مقیاس مناسب تهیه شده باشد، آشکارسازی تغییرات به طور نسبی آسان خواهد بود مگردر صورتی­که تغییر مکانی به صورت خیلی ریز درسطح تصویر توزیع شده و درسطح پیکسل مرئی و قابل شناسایی نباشد (6). پس از ارزیابی دقت طبقه­بندی، نقشه تغییرات عارض شده بر کاربریها در چند دوره زمانی(۱7 ساله) با استفاده از روش مقایسه پس از طبقه بندی[11] که عمومی ترین روش آشکار­سازی تغییرات برای مقایسه مستقل تصاویر است تهیه شد.
این روش به خاطر استفاده از دو تصویر به صورت مستقل و نیز کاهش مشکل نرمالیزه کردن تفاوت بین سنسورها و شرایط اتمسفری دو دوره زمانی موثرترین تکنیک ثابت شده می­باشد. تجزیه و تحلیل توزیع مکانی کلاس­های مختلف کاربری اراضی و تغییرات عارض شده  با تشکیل جدول کراس[12] با استفاده از نرم افزار الویس انجام گرفت.  دراین روش طبقه­های یک کلاس با طبقات کلاس تصویر دیگر دو به دو با الگوریتم حداکثر مشابهت بایکدیگر مقایسه و میزان تغییرات در کاربری طبق جدول شماره  3 مشخص گردید.

 

 

 

طبق محاسبات انجام شده، افزایش مساحت صرفا کاربری شهری ( از 1495هکتار در سال 1990 به4212  هکتار در سال2007) معادل2717 هکتار بوده که حدودا 8/2 برا بر، برمساحت این کاربری­ها درطی مدت 17 سال افزوده شده است. شیب منحنی تغییرات مساحت برای اراضی کشاورزی نسبت به کاربری شهری در نمودار1نزولی بوده و مساحت این اراضی از 8183 هکتار در سال 1990 ( معادل17/70درصد کاربریها) به 4987 هکتار، در سال  2007  (78/42 درصد) تنزل داشته است.

 

 

 

 

 

 

نمودار 1- میزان تبدیل وتغییرکاربری­ها (2007- 1990)


بحث و نتیجه­گیری

 

در اثر توسعه شهری در طول دوره زمانی مورد مطالعه، تغییرات عمده­ای روی کاربری­ها رخ داده و ادامه این روند منجر به تخریب مقدار زیادی از اراضی درجه یک کشاورزی دشت اردبیل گردیده است. اطراف منطقه شکار ممنوع شورابیل نیز که یکی از چشم­اندازهای منحصر به ­فرد استان است در اثر ساخت و سازهای بی­رویه مسکونی، اجرای برنامه­های توسعه شهری و انتقال پساب منابع خانگی و تشکیلات دولتی و غیر دولتی در معرض آلودگی­های زیست محیطی قرار گرفته است. هم­چنین طبق نقشه 5 که آشکارسازی تغییرات کاربری­ها را از سال1990 الی 2007 نشان می­دهد، نتایج روند تغییرات در دوره­های زمانی اشاره شده عبارت­اند از: 1- به صورت پویا روند توسعه شهری اکثرا در تداخل با کاربری­های کشاورزی بوده است.

2- ساخت و سازها عموما در حاشیه شهر و روستاهای نزدیک به مناطق شهری اتفاق افتاده است.

3- دستخوردگی­ها در حاشیه رودخانه­ی بالخلو چای به لحاظ تمرکز و ساخت و سازهای  مسکونی و صنعتی که در طی چند دهه گذشته رخ داده،  بر خصوصیات کیفی منابع آبی تاثیر گذاشته است.

ضمنا این تحقیق نشان داد که داده­های دورکاوی از توانایی بالایی در استخراج نقشه کاربری اراضی و هم­چنین ارزیابی تغییرات کاربری برخوردارند.

 

 


شکل 5- نقشه آشکار سازی روند تغییرات کاربری اراضی شهر اردبیل

 


منابع

 

1-     فیضی زاده ، بختیار. و همکاران. 1385.  مطالعه موردی آشکارسازی تغییرات کاربری اراضی شهرک اندیشه تبریز با استفاده ازروش طبقه بندی شیء گرا.

2-     فاطمی، سید باقر. رضایی یوسف .1384. مبانی سنجش از دور. انتشارات آزاده.

3-     Edward A. Ellis, b. et al., 2006. Land use dynamics and landscape history in La Monta˜na, Campeche, Mexico

4-     Zhang, Ying. Guindon, Bert. Using Landsat Data tO Assess Land Use Conversion Impacts Arising from Urbanization.

5-     Conghe, Song. et al., 2004.Classification and Change Detection Using Landsat TM Data

6-     Bamber, L. 2004. Satellite Remote Sensing of the Environment.

7-     Shalaby, Adel. Tateishi, Ryutaro.2004 .Remote sensing and GIS for Mapping and Monitoring Land cover and Land-use Changes in the Northwestern Coastal Zone of Egypt.

 

 



[1]- استادیار گروه سنجش از دور و GIS، دانشکاه آزاد اسلامی واحد علوم وتحقیقات تهران، ایران.

[2]-کارشناس ارشد علوم محیط زیست ( ارزیابی و آمایش سرزمین)، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم تحقیقات، تهران،ایران *(مسئول مکاتبات).

[3]-M. Sc Department of GIS/RS, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran *(Corresponding Author).

[4]-Assistant Professor, Department of GIS/RS, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.

 

[5] -Temporal  Series

[6]- Built up

[7]- Agricultural

[8]- Water

[9]- Bare land­

[10]- Change Detection

[11] - post-classification   

[12]- cross tab

 

1-     فیضی زاده ، بختیار. و همکاران. 1385.  مطالعه موردی آشکارسازی تغییرات کاربری اراضی شهرک اندیشه تبریز با استفاده ازروش طبقه بندی شیء گرا.

2-     فاطمی، سید باقر. رضایی یوسف .1384. مبانی سنجش از دور. انتشارات آزاده.

3-     Edward A. Ellis, b. et al., 2006. Land use dynamics and landscape history in La Monta˜na, Campeche, Mexico

4-     Zhang, Ying. Guindon, Bert. Using Landsat Data tO Assess Land Use Conversion Impacts Arising from Urbanization.

5-     Conghe, Song. et al., 2004.Classification and Change Detection Using Landsat TM Data

6-     Bamber, L. 2004. Satellite Remote Sensing of the Environment.

7-     Shalaby, Adel. Tateishi, Ryutaro.2004 .Remote sensing and GIS for Mapping and Monitoring Land cover and Land-use Changes in the Northwestern Coastal Zone of Egypt.