محسن لطفی نصیرآباد
-
مانگروها، بوم سازگان های ساحلی هستند که خدمات متنوع بوم شناختی، اقتصادی و اجتماعی ارایه می کنند. در مدیریت پایدار مانگروها، دسترسی به نقشه دقیق گستره آن ها مبتنی بر روش های نوین، ضروری است. پژوهش پیش رو با هدف نقشه برداری از جنگل های مانگرو در سرتاسر نوار ساحلی جنوبی ایران از استان خوزستان تا سیستان و بلوچستان و نیز شناسایی رویشگاه های جدید با استفاده از سنجش از دور انجام شد. به این منظور، شاخص ویژه شناسایی مانگروها روی تصاویر سنتینل2 به نام MVI (Mangrove vegetation index) در سکوی محاسبه ابری GEE (Google Earth Engine) به کار گرفته شد. تصاویر شاخص MVI با استفاده از الگوریتم جنگل تصادفی طبقه بندی شدند. نقشه نهایی مانگروها علاوه بر معیارهای متداول صحت سنجی، با استفاده از صحت و F1-score نیز ارزیابی شد. نتایج نشان داد که مجموع مساحت رویشگاه های مانگرو در جنوب ایران در اکتبر 2021 بالغ بر 8/12471 هکتار (صحت 98/0 و F1-score برابر 97/0) است که در 40 رویشگاه در چهار استان خوزستان (7/286 هکتار)، بوشهر (9/296 هکتار)، هرمزگان (9/11281 هکتار) و سیستان و بلوچستان (3/606 هکتار) پراکنده شدند. همچنین، برخی از رویشگاه های جدید مانند مانگروهای بندر ماهشهر استان خوزستان با مساحت حدود 290 هکتار نیز در این پژوهش شناسایی شدند.کلید واژگان: بندر ماهشهر، جنگل تصادفی، قشم، MVIMangrove forests are coastal ecosystems that provide various benefits for ecology, economy and society. To manage these forests sustainably, accurate mapping of their distribution using modern techniques is crucial. This study aimed to map the mangrove forests along the southern coast of Iran from Khuzestan province to Sistan and Baluchestan province and identify new sites using remote sensing. The Mangrove vegetation index (MVI) was applied to Sentinel-2 images on the Google Earth Engine (GEE) cloud computing platform. The MVI images were classified by the random forest algorithm. The final maps were evaluated by accuracy, F1-score and other common indices. The results indicated that the total area of mangrove forests in southern Iran was about 12471.8 ha (accuracy 0.98, F1-score 0.97) in October 2021 in 40 sites across four provinces: Khuzestan (286.7 ha), Bushehr (296.9 ha), Hormozgan (11281.9 ha) and Sistan and Baluchestan (606.3 ha). Moreover, some new sites, such as the mangroves of Mahshahr Harbor with an area of around 290 ha in Khuzestan province, were discovered in this study.Keywords: Mahshahr Harbor, MVI, Qeshm, random forest
-
کارایی شاخص های مانگرو در تهیه نقشه جنگل های مانگرو با استفاده از تصاویر لندست 8 در جنوب ایراننشریه سنجش از دور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی، سال سیزدهم شماره 4 (زمستان 1401)، صص 68 -86
پیشینه و هدف:
جنگل های مانگرو به عنوان یکی از بوم سازگان های مهم گیاهی هستند که در مناطق جزر و مدی سواحل اقیانوسی مستقر شده و از گونه های همیشه سبز تشکیل می شوند. با توجه به گزارش های سازمان خواروبار و کشاورزی ملل متحد، مساحت جنگل های مانگرو در دنیا حدود 14.6 میلیون هکتار است که بیش از 40 درصد از این جنگل ها در آسیا قرار دارند. اندونزی با 2.3 میلیون هکتار بیشترین سطح تحت پوشش با بیشترین تنوع گونه ای از این جنگل ها را دارد. همچنین ایران نیز با دارا بودن حدود 10000 هکتار جنگل مانگرو در بخش های شمالی خلیج فارس و دریای عمان، یکی از کشورهای دارای مانگرو محسوب می شود. اگرچه اهمیت بوم شناختی و اقتصادی اجتماعی جنگل های مانگرو بر پژوهشگران و مدیران پوشیده نیست، کاهش سالانه کمیت و کیفیت این جنگل ها تحت تاثیر عوامل طبیعی (مانند طوفان) و انسانی (بهره برداری بی رویه) همچنان ادامه دارد. بنابراین، توسعه راهکارهای عملی و موثر به منظور حفاظت از زیستگاه های موجود و همچنین بهبود مدیریت، پایش و ارزیابی جنگل های مانگرو ضروری به نظر می رسد. نخستین گام در هر برنامه مدیریتی و حفاظتی در جنگل های مانگرو شامل تهیه نقشه پراکنش مکانی و همچنین پایش تغییرات مکانی آن ها است. بنابراین یافتن روش های کارآمد در مساحی و بررسی تغییرات زمانی و مکانی جنگل های مانگرو به منظور مدیریت و حفاظت موثر از آن ها از اهمیت زیادی برخوردار است. دشواری داده برداری میدانی در این بوم سازگان باعث شده داده های سنجش از دور در نقشه برداری از مانگروها به سرعت توسعه پیدا کنند. اگرچه پژوهش های پیشین نشان دادند به دلیل سبزینگی و محتوای آب متفاوت برگها، شاخص های پوشش گیاهی متداول در طبقه بندی مانگروها از کارایی لازم برخوردار نیستند. لذا پژوهشگران با بررسی رفتار طیفی مانگروها، اقدام به ارایه شاخص هایی کردند که مختص طبقه بندی این جنگل ها روی تصاویر ماهواره ای هستند. ازآنجایی که شاخص های مانگرو اخیرا معرفی شده اند، کارایی آن ها در شرایط یکسان مورد مقایسه قرار نگرفته و صرفا در مطالعات موردی به صورت تکی و یا در مقایسه با شاخص های پوشش گیاهی بررسی شدند. همچنین شاخص های مانگرو در نقشه برداری جنگل های مانگرو در جنوب ایران مورد ارزیابی قرار نگرفتند. بنابراین مطالعه حاضر با هدف مقایسه کارایی هشت شاخص مانگرو در نقشه برداری از مانگروهای سه رویشگاه خلیج نایبند (استان بوشهر)، سیریک (استان هرمزگان) و خلیج گواتر (استان سیستان و بلوچستان) روی تصاویر لندست 8 انجام شد.
مواد و روش ها :
جنگل های مانگرو در ایران در 21 رویشگاه در 10 شهرستان در سه استان بوشهر، هرمزگان و سیستان و بلوچستان پراکنده شدند. به منظور ارزیابی کلی شاخص های مانگرو، یک منطقه از هر استان برای این مطالعه انتخاب شد. جنگل های مانگرو در خلیج نایبند در دو خور بیدخون و بساتین متمرکز است. مانگروها در سیریک در اطراف تالاب آذینی پراکنده هستند و جنگل های مانگرو در خلیج گواتر، در خورهای باهو و گواتر مستقر هستند. تصاویر ماهواره لندست 8 مربوط به سال 2020 به نحوی دریافت شدند که از هر منطقه دو تصویر یکی در شرایط جزر و یکی هم در شرایط مد بودند. پس از پیش پردازش های لازم، از تصاویر لندست در شرایط جزر برای محاسبه شاخص های MI (Mangrove Index)، NDMI (Normalized Difference Mangrove Index)، CMRI (Combined Mangrove Recognition Index)، MDI (Mangrove Discrimination Index)، MMRI (Modular Mangrove Recognition Index)، L8MI (Landsat 8 Mangrove Index) و MVI (Mangrove Vegetation Index) استفاده شد. همچنین دو تصویر لندست جزر و مد در هر منطقه برای محاسبه شاخص SMRI (Submerged Mangrove Recognition Index) به کار رفت. سپس تفکیک سه طبقه خاک، آب و جنگل های مانگرو با الگوریتم ماشین بردار پشتیبان انجام شد. نتایج طبقه بندی علاوه بر معیارهای صحت کلی، کاپا، صحت تولیدکننده و صحت کاربر طبقه مانگرو، با استفاده از سطح زیر منحنی (AUC) مشخصه نسبی عملکرد (ROC) نیز ارزیابی شدند.
نتایج و بحث:
در مجموع 10 شاخص مانگرو در شرایط یکسان مورد مقایسه و ارزیابی قرار گرفتند. شاخص های مورد بررسی هشت عدد بودند که دو شاخص MDI و L8MI هر کدام یک بار با استفاده از باند SWRI1 و یک بار با باند SWIR2 محاسبه شدند که درنتیجه مجموعا 10 شاخص برای طبقه بندی جنگل های مانگرو در مناطق مطالعاتی به کار رفتند. از میان شاخص های مورد مطالعه، شاخص SMRI به عنوان شاخص بهینه انتخاب شد. علاوه بر صحت تولیدکننده (مانگروPA) و صحت کاربر (مانگروUA) طبقه مانگرو؛ صحت کلی و ضریب کاپا در طبقه بندی آب، خاک و مانگرو SMRI نیز بیشتر از سایر شاخص ها بود. یکی از دلایل احتمالی کارایی بیشتر این شاخص می تواند در استفاده از تصاویر جزر و مدی برای شناسایی مانگروها باشد. بررسی نتایج دو شاخص MDI و L8MI نیز نشان داد که در خلیج نایبند عملکرد این دو شاخص در شناسایی جنگل های مانگرو هنگام استفاده از باند SWIR2 بهتر از باند SWIR1 بود. یکی از دلایل احتمالی بروز این نتیجه می تواند به وجود مناطق انسان ساخت و پوشش گیاهی غیرمانگرو در خلیج نایبند مربوط باشد. درحالی که در خلیج گواتر هر دو شاخص با باند SWIR1 نتایج صحیح تری در طبقه بندی مانگروها داشتند. بررسی AUC نیز تایید نمود که شاخص SMRI در شناسایی طبقه مانگرو در مناطق مورد بررسی بهتر از سایر شاخص های مانگرو عمل کرد. مقدار AUC طبقه مانگرو در خلیج نایبند 0.94، در سیریک 0.92 و در خلیج گواتر 0.93 بوده است که بیشترین مقدار AUC بین شاخص های مورد بررسی بوده است. نتایج طبقه بندی جنگل های مانگرو در سه منطقه مورد مطالعه با شاخص منتخب SMRI نشان داد مساحت مانگروها در خلیج نایبند 260.1 هکتار، در سیریک حدود 1049.2 هکتار و در خلیج گواتر حدود 649.5 هکتار برآورد شدند.
نتیجه گیری:
نتایج نشان داد که شاخص های مانگرو عملکرد مطلوبی در شناسایی مانگروها در هر سه منطقه مورد مطالعه داشتند و در هیچکدام نتایج بسیار ضعیف دیده نشد. مقدار AUC طبقه مانگرو با استفاده از SMRI در هر سه رویشگاه مورد مطالعه به بیش از 0.9 رسید و این شاخص در هر سه منطقه به عنوان شاخص مطلوب شناخته شد. با بررسی نتایج در سه منطقه مطالعاتی می توان به این جمع بندی رسید که عملکرد شاخص های مانگرو در خلیج نایبند اندکی کمتر از دو منطقه دیگر بوده است (مانند NDMI و L8MI-1 با AUC حدود 0.6). مساحت جنگل های مانگرو در خلیج نایبند، سیریک و خلیج گواتر بر اساس تصاویر ماهواره لندست 8 مربوط به سال 2020 برآورد شد. بین این پنج رویشگاه، بیشترین مساحت جنگل های مانگرو مربوط به سیریک (1049.2 هکتار) و کمترین آن مربوط به خور بساتین (43.3 هکتار) بوده است. به منظور تایید نهایی دستاوردهای مطالعه حاضر، پیشنهاد می شود SMRI در سایر رویشگاه های مانگرو در جنوب ایران مورد ارزیابی قرار گیرد.
کلید واژگان: حرا، خلیج نایبند، خلیج گواتر، سیریک، ماشین بردار پشتیبان، منحنی مشخصه نسبی عملکردEfficiency of mangrove indices in mapping some mangrove forests using Landsat 8 imagery in southern IranBackground and ObjectiveMangrove forests are one of the important plant ecosystems established across the intertidal zones and consist of evergreen species. According to Food and Agriculture Organization (FAO) reports, the area of world mangrove forests is almost 14.6 million ha and more than 40% of them are located in Asia. Indonesia has the largest mangrove forests with 2.3 million ha with the highest richness. Moreover, Iran with approximately 10,000 ha of mangrove forests in northern parts of the Persian Gulf and Oman Sea is one of the countries with mangrove ecosystems. The ecological and socio-economic importance of mangrove forests is evident to researchers and managers, however, an annual quantitative and qualitative decrease in these forests happens due to natural (e.g., storm) and anthropogenic (e.g., overexploitation) factors. Therefore, it seems essential to develop a practical approach in order to protect the present sites and improve the management, monitoring, and assessment of mangrove forests. The first step in every management and conservation plan in mangrove forests is mapping their spatial distribution and monitoring the spatial changes. It is important to find efficient methods for mensuration and assessment of temporal and spatial changes of mangrove forests for their efficient management and conservation. Field measurement difficulties in these ecosystems result in the rapid development of remote sensing data in mangrove mapping. However, previous studies have shown that common vegetation indices are not efficient in mangrove classification because of the high greenness and moisture content of leaves. Assessing the spectral signature of mangrove forests, researchers have designed specific indices for mangrove classification on satellite imagery. Since the mangrove indices have been recently developed, their efficiency in similar conditions has not been investigated, while they have been compared to some vegetation indices or individually investigated in case studies. Additionally, the mangrove indices have not been applied in mapping mangrove forests of southern Iran. Therefore, the aim of this study was a comparison of eight mangrove indices in mapping mangrove forests of Nayband Gulf (Bushehr province), Sirik (Hormozgan province), and Govatr Gulf (Sistan-Baluchestan province) on Landsat 8 imagery.
Materials and MethodsPrevious studies have shown that mangrove forests in Iran are distributed in 21 sites in 10 cities in Bushehr, Hormozgand, and Sistan-Baluchestan provinces. In order to assess the mangrove indices, a region was selected in each province. Mangroves in Nayband Gulf are concentrated in Bidkhun and Basatin Creeks. In Sirik, mangroves are located in the Azini wetland, and in Govatr Gulf, they are established in Baho and Govatr Creeks. Low- and high-tide Landsat imagery of each study area related to 2020 was downloaded. After pre-processing, the images were used to compute MI (Mangrove Index), NDMI (Normalized Difference Mangrove Index), CMRI (Combined Mangrove Recognition Index), MDI (Mangrove Discrimination Index), MMRI (Modular Mangrove Recognition Index), L8MI (Landsat 8 Mangrove Index), and MVI (Mangrove Vegetation Index). Moreover, low- and high-tide images were implemented in making SMRI (Submerged Mangrove Recognition Index). The classification of soil, water, and mangrove was performed by a support vector machine (SVM) algorithm. In addition to common accuracy criteria (i.e., overall accuracy, Kappa coefficient, mangrove producer's and user's accuracies), the results were evaluated by area under the curve (AUC) of receiver operating characteristic (ROC).
Results and DiscussionThe efficiency of 10 mangrove indices was evaluated in similar conditions. The number of selected indices was eight; however, two of them (i.e., L8MI, MDI) were calculated two times, once with SWIR1 and once with SWIR2, and in total, 10 mangrove indices were used in three regions to classify mangrove forests. Between the indices, SMRI was selected as the most efficient mangrove index. One of the likely reasons for the efficiency of the index can be the application of low- and high-tide imagery to detect mangroves. In addition to PAmangrove and UAmangrove, the overall accuracy and kappa coefficient of soil, water, and mangrove of SMRI were more than other indices. The results of MDI and L8MI showed that they were more efficient with SWIR2 in Nayband Gulf. One of the reasons that likely caused the result can be urban areas and non-mangrove vegetation cover in Nayband Gulf. However, both indices were more accurate in mangrove discrimination when calculated with SWIR1 in Govatr Gulf. Investigation of AUC values proved that SMRI was the most efficient index between all studied indices in mangrove mapping within three study areas. The AUC of mangroves in Nayband Gulf, Sirik, and Govatr Gulf were 0.94, 0.92, and 0.93, respectively. The area of mangrove forests was estimated in Nayband Gulf (260.1 ha), Sirik (1049.2 ha), and Govatr Gulf (649.5 ha) using SMRI.
ConclusionIn general, the results showed that all mangrove indices were reliable in mangrove discrimination in three study areas and no weak results were achieved. The AUC values of mangroves using SMRI were more than 0.9 in three regions and the index was known as the most reliable index in all regions. The outcome in the study areas revealed that the efficiency of mangrove indices was less in Nayband Gulf compared to two other regions (The AUC of 0.6 for NDMI and L8MI-1). The area of mangrove forests in Nayband Gulf, Sirik, and Govatr Gulf was estimated on Landsat 8 imagery of 2020. The results indicated that between the study sites Sirik (1049.2 ha) and Basatin Creek (43.3 ha) had the highest and the lowest area covered by mangroves. It is suggested to use SMRI in other mangrove forests in southern Iran to approve the achievements of the present study.
Keywords: Avicennia marina, Nayband Gulf, Govatr Gulf, Sirik, Support vector machine, Receiver operating characteristic curve -
تهیه نقشه جنگل های مانگرو، نیازمند دسترسی به شاخص های کارآمدی است که مانگروها را از پدیده های دیگر روی تصاویر سنجش از دور شناسایی کنند. امروزه، مجموعه ای متنوع از شاخص های پوشش گیاهی و مانگرو در دسترس است که ارزیابی مقایسه ای کارایی آن ها، ضروری به نظر می رسد. پژوهش پیش رو با هدف مقایسه کارایی شش شاخص پوشش گیاهی و هفت شاخص مانگرو مختص استفاده روی تصاویر سنتینل2 در خلیج نایبند (استان بوشهر)، سیریک (استان هرمزگان) و خلیج گواتر (استان سیستان و بلوچستان) انجام شد تا روشی کارآمد در نقشه برداری از مانگروها در سامانه محاسبه ابری Google Earth Engine (GEE) به دست آید. تصاویر شاخص ها با استفاده از الگوریتم ماشین بردار پشتیبان طبقه بندی شدند. نقشه مانگروها علاوه بر معیارهای متداول صحت سنجی، با استفاده از سطح زیر منحنی (AUC) مشخصه نسبی عملکرد (ROC) نیز ارزیابی شدند. نتایج نشان داد که شاخص های مانگرو، عملکرد بهتری نسبت به شاخص های پوشش گیاهی در نقشه برداری جنگل های مانگرو داشتند. از بین شاخص های پوشش گیاهی، بیشترین AUC (91/0 تا 92/0) متعلق به MCARI (Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index) بود، درحالی که بین شاخص های مانگرو، بیشینه AUC (93/0 تا 95/0) در MFI (Mangrove Forest Index) مشاهده شد. به طورکلی، نتایج این پژوهش نشان داد که کاربرد MFI روی تصاویر سنتینل2 در سامانه GEE، کارایی مناسبی برای نقشه برداری از جنگل های مانگرو در مناطق مورد پژوهش دارد.کلید واژگان: حرا، شاخص مانگرو، ماشین بردار پشتیبان، منحنی مشخصه نسبی عملکردEffective mangrove mapping needs reliable indices that can characterize mangroves from other land cover types on remote sensing data. Currently, a variety of vegetation- and mangrove indices are available, while a comparative assessment of their efficiency seems essential. The aim of this study was to evaluate six vegetation indices and seven mangrove indices developed for Sentinel-2 imagery to obtain a robust approach in mangrove mapping within Google Earth Engine (GEE) cloud computing platform. The rasterized indices were classified by support vector machine. The final maps were evaluated by area under curve (AUC) of receiver operating characteristic (ROC) in addition to common accuracy assessment criteria. Results showed that mangrove indices were more reliable than vegetation indices. Amongst the vegetation indices, Modified Chlorophyll Absorption in Reflectance Index (MCARI) (AUCmangrove from 0.91 to 0.92) achieved the highest AUC values, while MFI (Mangrove Forest Index) returned the highest values amongst the mangrove indices (AUCmangrove from 0.93 to 0.95). All in all, results revealed that MFI on Sentinel-2 imagery in GEE was efficient in mangrove mapping within the study sites.Keywords: Avicennia marina, Google Earth, mangrove index, Receiver Operating Characteristic, Support Vector Machine
- در این صفحه نام مورد نظر در اسامی نویسندگان مقالات جستجو میشود. ممکن است نتایج شامل مطالب نویسندگان هم نام و حتی در رشتههای مختلف باشد.
- همه مقالات ترجمه فارسی یا انگلیسی ندارند پس ممکن است مقالاتی باشند که نام نویسنده مورد نظر شما به صورت معادل فارسی یا انگلیسی آن درج شده باشد. در صفحه جستجوی پیشرفته میتوانید همزمان نام فارسی و انگلیسی نویسنده را درج نمایید.
- در صورتی که میخواهید جستجو را با شرایط متفاوت تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مطالب نشریات مراجعه کنید.