بهره گیری از رویکرد بوت استرپ برای مقایسه روش های مدل سازی آماری در برآورد سنجش ازدوری زی توده روی زمینی جنگل های زاگرس

 با توجه به اهمیت اکوسیستم های جنگل ها در پروژه های تعدیل تغییر اقلیم، روش های دقیق و کم هزینه برای برآورد زی توده روی زمینی موردنیاز است. روش های معمول مورد استفاده برای برآورد زی توده روی زمینی شامل اندازه گیری در عرصه، محاسبه زی توده با استفاده از معادلات آلومتری و استفاده از فنون سنجش از دوری است. سنجش از دور به طور گسترده برای برآورد زی توده جنگل ها در دهه های اخیر مورد استفاده قرارگرفته است. یکی از عوامل بسیار مهم در استفاده از داده های سنجش از دوری برای برآورد زی توده روی زمینی روش مدل سازی آماری مورد استفاده است. تعداد زیادی تحقیق در زمینه استفاده از روش های مدل سازی انجام شده است. به هرحال، این مطالعات با چالش های مختلفی روبرو هستند که برای مثال می توان به موارد زیر اشاره کرد: 1) هیچ روش مدل سازی به عنوان بهترین روش معرفی نشده است، 2) عملکرد این روش ها متاثر از نوع جنگل، ساختار جنگل و میزان آشفتگی های موجود است. 3) ارزیابی عملکرد و مقایسه نتایج آن ها با استفاده از آزمون نکویی برازش و روش های ارزیابی متقابل انجام گرفته است. با توجه به نقش انتخاب روش مدل سازی مناسب، مطالعه حاضر باهدف بررسی نه روش مدل سازی شامل رگرسیون خطی، مدل تجمعی تعمیم یافته، جنگل تصادفی، ماشین بردارپشتیبان، درختان رگرسیون تقویت شده، k-امین نزدیک ترین همسایه، مدل پردازش گوسی و رگرسیون اسپلاین تطبیقی چندگانه با استفاده از فرآیند بوت استرپ برای برآورد زی توده روی زمینی جنگل های زاگرس با استفاده از تصویرهای لندست 8 انجام شد.

 مطالعه حاضر در جنگل های کرمانشاه که در غرب ایران درکوه های زاگرس واقع شده است با گونه درختی غالب بلوط انجام شد. جنگل های زاگرس اغلب به صورت تنک و باز بوده و حدود 20 درصد از سطح ایران و 40 درصد از مناطق جنگلی این کشور را شامل می شود. برای اجرای این مطالعه دو منطقه جنگلی با شدت دخالت های انسانی مختلف انتخاب شد: منطقه سرفیروزآباد با شدت تخریب بالا و منطقه جنگلی گهواره با حداقل تخریب. مختصات جغرافیایی این مناطق به ترتیب برای سرفیروزآباد و گهواره عبارتند از 33 درجه و 57 دقیقه تا 34 درجه و 4 دقیقه شمالی و 47 درجه و 3 دقیقه تا 47 درجه و 17 دقیقه شرقی، و 34 درجه 21 دقیق تا 34 درجه و 24 دقیقه شمالی و 46 درجه و 16 دقیق تا 46 درجه و 23 دقیق شرقی است. برای جمع آوری نمونه های زمینی در دو منطقه مورد مطالعه، از نقشه شاخص سطح برگ تهیه شده از تصویرهای لندست براساس مدل جهانی استفاده شد. هر دو منطقه به سه طبقه کم، متوسط و زیاد شاخص سطح برگ طبقه بندی شده و در هر طبقه موقعیت مکانی نمونه ها با استفاده از آماربرداری منظم در قالب یک شبکه 200×200 متر مشخص گردید. نمونه های زمینی به تعداد 124 نمونه مربعی شکل (63 نمونه در منطقه گهواره و 61 نمونه در منطقه سرفیروزآباد) با ابعاد 30×30 متر به اندازه پیکس ل های تصویر لندست مورد استفاده برداشت شد. مقدار زی توده روی زمینی هر درخت یا جست گروه توسط معادله آلومتری پیشنهاد شده برای گونه های بلوط جنگل های زاگرس محاسبه شد. معادله آلومتری مورد استفاده برای برآورد اندوخته زی توده هر درخت یا جست گروه از دو قطر عمود بر هم تاج درختان استفاده می کند. از جمع اندوخته زی توده تک تک درختان موجود در قطعه نمونه، مقدار قطعه زی توده در سطح قطعه نمونه بر حسب تن در هکتار محاسبه شد. منطقه های مورد مطالعه در یک فریم از تصویرهای لندست 8 به شماره گذر 167 و شماره ردیف 36 قرار داشتند. یک تصویر لندست بدون پوشش ابرناکی مربوط به تاریخ 19 مرداد سال 1394 (10 آگوست 2015) مربوط به زمانی که تاجدرختان کاملا بسته بوده و نزدیک به زمان آماربرداری زمینی از سایت USGS دانلود شد. پیش پردازش تصویر مورد استفاده شامل تصحیحات رادیومتری و توپوگرافی به روش C اعمال شد که در مطالعات قبلی پیشنهاد شده است. برای برآورد زی توده روی زمینی در منطقه های مورد مطالعه با استفاده از سنجش از دور، تعداد 38 متغیر طیفی شامل مقدار های باندی، نسبت های ساده باندی، شاخص های گیاهی و تبدیل های خطی رایج مانند تسلدکپ و آنالیز مولفه های اصلی از تصویر لندست 8 مورد استفاده استخراج شدند. به طورکلی کارایی 9 روش مدل سازی آماری مختلف شامل روش های پارامتری (رگرسیون خطی)، نیمه پارامتری (مدل جمعی تعمیم یافته) و ناپارامتری (جنگل تصادفی، ماشین بردار پشتیبان، k-امین نزدیک ترین همسایه، درختان رگرسیون تقویت شده، رگرسیون اسپلاین تطبیقی چندمتغیره، کوبیست و مدل پردازش گوسی) برای برآورد زی توده روی زمینی مورد مقایسه قرار گرفت. ارزیابی مدل ها با استفاده از روش fold-10 و با 1000 مرتبه تکرار و با محاسبه دو آماره ضریب تبیین و جذر میانگین مربعات خطا انجام گرفت. این تعداد اطمینان از پایداری نتایج را تامین می کند.

 مشخصه های آماری اندازه گیری شده از قطعه نمونه های زمینی نشان داد که میانگین زی توده روی زمینی برای منطقه های سرفیروزآباد و گهواره به ترتیب 12.6 و 20.5 تن در هکتار است. تجزیه واریانس نشان داد که اختلاف معنی داری در سطح 0.001 برای مشخصه های ضریب تبیین و جذر میانگین مربعات خطای محاسبه شده برای 1000 مرتبه تکرار توسط fold-10 وجود دارد. روش مدل سازی کوبیست در منطقه سرفیروزآباد با میانگین ضریب تبیین محاسبه شده 0.61 نتایج بهتری نسبت به سایر روش ها ارایه کرد. این نتایج برای منطقه گهواره بیانگر کارایی بهتر روش های رگرسیون خطی، مدل جمعی تعمیم یافته و k-امین نزدیکتریین همسایه با میانگین ضریب تبیین 0.87 بود. مقایسه های روش های مختلف مدل سازی در مورد جذرمیانگین مربعات خطای برآوردها با استفاده از آزمون تکی Tukey نشان داد که در منطقه سرفیروزآباد روش کوبیست با مقدار میانگین 3.3 تن در هکتار و روش های k-امین نزدیکترین همسایه و جنگل تصادفی با میانگین 5.8 تن در هکتار اختلاف معنی داری با سایر روش ها داشت. به طورکلی، نتایج این تحقیق بیانگر کارایی مناسب تصویر لندست 8 در برآورد زی توده روی زمینی جنگل های زاگرس است. این موضوع می تواند به دلیل مقدار کم زی توده در منطقه های مورد بررسی و نرسیدن آن ها به نقطه اشباع به عنوان یکی از چالش های استفاده از تصویرهای نوری مانند لندست باشد. نتایج دیگر این تحقیق ارزیابی اثر روش مدل سازی برای افزایش صحت برآورد سنجش از دوری زی توده روی زمینی است. برخلاف نتایج پژوهش های قبلی، رگرسیون خطی نتایج بهتری نسبت به روش های ناپارامتری ارایه کرد که دلیل آن می تواند وجود رابطه خطی زی توده روی زمینی و متغیرهای طیفی استخراج شده از تصویرهای لندست باشد. در بین متغیرهای طیفی مختلفی که استفاده شد مقدارهای باند قرمز، مادون قرمز نزدیک و مادون قرمز با طول موج کوتاه 1 و 2 به عنوان متغیر نهایی در اغلب روش های مدل سازی استفاده شدند.

 در این تحقیق، کارایی روش های مختلف مدل سازی را در برآورد زی توده روی زمینی با استفاده از تصویرهای لندست مورد بررسی قرار گرفت.  برآوردهای زی توده با استفاده از 9 روش پارامتری، نیمه پارامتری و ناپارامتری و با استفاده از ارزیابی متقابل fold-10  و با 1000 مرتبه تکرار مورد مقایسه قرار گرفتند. نتایج بیانگر قابلیت خوب تصویرهای لندست برای برآورد زی توده روی زمینی جنگل های بلوط زاگرس با هزینه کم است. برآورد زی توده در منطقه جنگلی گهواره با دست خوردگی کمتر صحت بالاتری نسبت به منطقه جنگلی سرفیروزآباد با تخریب بالاتر داشت.