تعیین سطح پوشش برف  در مقیاس Subpixel با استفاده از تصاویر MODIS


 نویسنده گان:

علی اکبر متکان- استادیار گروه سنجش از دور و GIS ، دانشگاه شهید بهشتی]

پرویز ضیائیان فیروزآبادی- استادیار گروه جغرافیا، دانشگاه تربیت معلم

داود عاشورلو-مربی گروه سنجش از دور و GIS ، دانشگاه شهیدبهشتی

سپیده داداشی خانقاه- دانشجوی کارشناسی ارشد سنجش از دور و GIS  ، دانشگاه شهید بهشتی


چکیده

تعیین سطح پوشش برف در حوضه های آبریز به عنوان یکی از پارامترهای مهم برفسنجی، نقش مهمی در مطالعات هیدرولوژی و اقلیمی دارد. تصاویر ماهواره ای با توان بسیار بالایی قدرت تعیین این سطوح برفگیر را با کمترین هزینه و در کوتاه ترین زمان دارند. در طی 4 دهه گذشته تکنیک ها و الگوریتم های مختلفی برای بررسی هرچه دقیق تر سطح پوشش برف مورد ارزیابی قرار گرفته است که در این بین تکنیک Subpixel به دلیل توانایی تعیین میزان درصد برف در هر پیکسل یک رویکرد جدید بشمار می رود.


در این تحقیق تصاویر سنجنده MODIS به دلیل قابلیت بالا در مطالعات برفسنجی مورد استفاده قرار گرفت. در ابتدا این تصاویر که به صورت خام می باشند تا سطح L1B تصحیح گردید. سپس میزان انعکاس طیفی و انعکاس تابشی باندها تعیین و جداسازی طیفی خطی صورت پذیرفت که برای این منظور  باندهای مناسب انتخاب  و با استفاده از الگوریتم MNF، میزان نویز در باندها کاهش یافت. سپس به تعیین EM  پرداخته شد که در این مرحله علاوه بر آنکه از تصویر MODIS استفاده گردید، تعیین EM با استفاده از تصویر IRS-P6 نیز انجام پذیرفت. سپس بر اساس منحنی طیفی پدیده های موجود در منطقه، کتابخانه طیفی تهیه و در نهایت با بکارگیری الگوریتم Linear Spectral Unmixing به جداسازی طیفی پرداخته شد. به این ترتیب دقت نقشه پوشش برف در مقیاس Subpixel  پس از ارزیابی با تصویر IRS-P6، 86% بدست آمد و میزان سطح پوشش برف در منطقه، 1008.793   کیلومتر مربع تخمین زده شد در حالی که روش Pixelbase که تنها قادر به شناسایی پیکسل هایی با بیش از 50% برف می باشد، میزان برف را در همین زمان 1323 کیلومتر مربع تخمین زد.

 کلمات کلیدی : سطح پوشش برف، حوضه سد کرج و لتیان ، MODIS،IRS  ،  Subpixel، Linear spectral unmixing

1- مقدمه

میزان کل ریزش های جوی در ایران کمتر از 250 میلی متر در سال می باشد که به دلیل شرایط اقلیمی، این ریزش ها در فصول مختلف سال به صورت یکنواخت نبوده و میزان آن در فصول گرم به حداقل می رسد. به همین دلیل، بررسی ریزش های جامد که اکثرا در پاییز و زمستان و در ارتفاعات بالا صورت گرفته و به عنوان یک منبع ذخیره ای برای سایر فصل ها بشمار می رود، حائز اهمیت می باشد. بارش برف به عنوان مهمترین ریزش جامد، سبب تشکیل توده های برف در مناطق کوهستانی            می گردد که با فرارسیدن فصل بهار، این توده های برفی به تدریج ذوب شده و موجب ایجاد جریانهای زیر سطحی و سطحی می گردد.  به این ترتیب سفره­های آب زیرزمینی، مخازن سدها و دریاچه ها تغذیه    می شوند و آب جهت مصارف مختلف در کلیه فصول، از جمله آب جهت مصارف کشاورزی در طی فصول گرم فراهم می گردد. بنابراین مطالعه میزان پوشش برف در حوضه های آبریز جهت مدیریت منابع آب امری ضروری می باشد.

اهمیت اطلاع از ذخایر برفی که تامین کننده جریان پایه رودخانه ها  و منشاء اصلی منابع آب شیرین هستند، در چند سال گذشته برای سیاستگذاران آب در سطح کلان و مدیران اجرایی مشخص گردیده و فعالیت هایی برای تخمین دقیق تر میزان ذخایر برفی آغاز گشته است. به همین منظور، استفاده از فن آوری های جدید از جمله فن آوری سنجش از دور، بطور چشمگیری مورد توجه واقع شده است که به این ترتیب زمینه برای ایجاد تحول منطقی و موثر در نحوه آماربرداری از پوشش های برفی در حوضه های آبریز، فراهم گشته است.

مطالعه پوشش برف با استفاده از تصاویر ماهواره ای از 4 دهه قبل آغاز شده است که در این بین الگوریتم های مختلف پردازش تصاویر، جهت تعیین دقیق تر میزان پوشش برف و نحوه پراکندگی آن مورد استفاده قرار گرفته است اما همچنان تقاضا برای افزایش دقت این نقشه ها وجود دارد. علاوه بر تکنیک های مختلف، انواع گوناگون سنجنده، شامل سنجنده های اپتیک و مایکروویو برای بررسی خصوصیات برف از جمله بررسی سطح پوشش برف مورد ارزیابی قرار گرفته است که در این بین سنجنده های اپتیک در محدوده مرئی، مادون قرمز نزدیک و میانی فعالیت می کنند و سنجنده های مایکروویو نیز توانایی سنجش برف را در محدوده مایکروویو و به دو صورت فعال و غیرفعال دارند.

 سنجنده های فوق هر یک دارای مزایا و معایبی هستند. سنجنده های مایکروویو دارای قدرت تفکیک مکانی پایین می باشند همچنین دسترسی به داده های این سنجنده در ایران بسیار مشکل می باشد که این عوامل کاربرد آنرا در مطالعات برفسنجی محدود ساخته است. از طرفی سنجنده های اپتیک نیز معمولا از نظر قدرت تفکیک مکانی و یا زمانی پایین هستند که در این بین از بین سنجنده های اپتیک، سنجنده MODIS[1] به دلیل قدرت تفکیک زمانی و طیفی مناسب و همچنین دسترسی آسان، برای مطالعه سطح پوشش برف مورد توجه می باشد.

یکی از معایب این سنجنده، قدرت تفکیک مکانی آن می باشد که  250 و 500 متر می باشد. بطور کلی تصاویری که دارای قدرت تفکیک زمانی بالا بوده و از نظر هزینه برای بررسی روزانه پوشش برف مناسب هستند، از نظر قدرت تفکیک مکانی پایین و یا متوسط می باشند که در چنین تصاویری امکان وجود پیکسل های مخلوط[1] بالا می باشد. پیکسل مخلوط پیکسلی است که شامل بازتاب طیفی پدیده های مختلف موجود در منطقه می باشد. استخراج اطلاعات از پیکسل های مخلوط، تنها با به کارگیری تکنیک های SubPixel امکانپذیر می باشد که به این ترتیب امکان تهیه نقشه های دقیق از نحوه پراکنش پدیده های مختلف در منطقه مورد مطالعه فراهم می گردد. تهیه چنین نقشه هایی از نواحی برفی، برای ساخت مدل های هیدرولوژیکی کارا و دقیق و همچنین در پیش بینی صحیح تر میزان رواناب جهت مطالعات منابع آب در حوضه های آبریز ضروری می باشد (Poon, 2004).

عوامل مختلفی در ایجاد پیکسل مخلوط نقش دارند. در مناطق کوهستانی به دلیل شرایط توپوگرافی و سطح ناهمگن منطقه، به هنگام استفاده از تصاویری با قدرت تفکیک متوسط  مانند تصاویر سنجنده MODIS[2]، پدیده ها در مقیاسی کوچکتر از قدرت تفکیک سنجنده ها تغییر می کنند               2005) ( Hongen et al,.  در این حالت آشکارسازهای یک سنجنده، بطور همزمان بازتاب طیفی پدیده های موجود، از جمله برف، سنگ، خاک و پوشش گیاهی را اندازه گیری می کنند به همین دلیل روش های  Pixelbase  که پیکسل های تصویر را به صورت پیکسل های حاوی برف و فاقد برف تقسیم می کنند، نتایج مطلوبی را در پی نخواهد داشت و نیاز به تکنیک هایی در مقیاس  Subpixel می باشد ( Vikhamar & Solberg,2003).

در نتیجه، پیکسل های مخلوط به دلیل محدودیت قدرت تفکیک مکانی سنجنده و همچنین ناهمگن بودن پوشش سطح زمین به وجود می آیند و با توجه به مشکلات زیادی که در هنگام شناسایی پدیده ها در پیکسل های مخلوط وجود دارد لازم است با جداسازی طیفی فراوانی هر پدیده، در پیکسل مخلوط تعیین گردد که این امر در مطالعات پوشش برف نیز مورد نیاز می باشد چرا که استفاده از تکنیک های Pixelbase، مانند روش3 NDSI، گرچه ممکن است برای کاربردهای بزرگ مقیاس مانند پایش مستمر4 پوشش برف به صورت جهانی مناسب باشند اما برای کاربرد های کوچک و متوسط مقیاس، مانند تهیه نقشه برف حوضه ها و یا تهیه نقشه بزرگ مقیاس با دقت بالا ، نیاز به اطلاعات کافی در زمینه میزان پوشش برف واقعی برای هر پیکسل می باشد  (Solberg,2000) .

2- ناحیه مورد مطالعه

سد کرج و لتیان که به ترتیب بر روی رودهای کرج و جاجرود احداث شده اند درکنار سد لار، 54 % آب شرب تهران و حومه آنرا تامین می نمایند که 46 % مابقی از آبهای زیرزمینی که منبع عمده تغذیه آن برف است، تهیه می گردد (سازمان مدیریت منابع آب ایران،1384). علاوه بر تامین آب شرب، سد کرج و لتیان در تامین آب جهت مصارف کشاورزی در محدوده دشت ورامین نیز نقش اساسی دارند. با وجود

آنکه، این دو سد جز سدهای برق – آبی مهم کشور بشمار نمی روند، اما در تامین انرژی برای تهران و حومه نقش بسزایی دارند. اهمیت آنها، بخصوص در زمان اوج کمبود انرژی مشخص می گردد که در این زمان، انرژی از طریق نیروگاه های  سد کرج و لتیان، به شبکه تحویل گشته و موجب جلوگیری از نوسانات احتمالی می گردد.

جدول 1 میزان مصارف آب سدهای کرج و لتیان را در سال آبی 85-86 نشان می دهد که نشانگر اهمیت این دو سد می باشد. ادامه......


دوستان برای دریافت رایگان کامل مقاله روی لینک دانلود کلیک نمایید.




برچسب ها : gis ،سنجش از دور ،دانلود ،مقالات
ارسال در تاريخ پنجشنبه ٩ تیر ،۱۳٩٠ توسط مهدی فرداد
نظرات شما ()