ارزیابی دقت داده های پهپاد در برآورد میزان خشکیدگی درختان شمشاد (مطالعه موردی: پارک جنگلی سیسنگان- استان مازندران)

پیشینه و هدف:

 پارک جنگلی سیسنگان یکی از زیستگاه های مهم شمشاد خزری در کشور به‌حساب می آید. اما در چند سال اخیر به دلیل بیماری خشکیدگی دچار بحران شده و بسیاری از پایه های شمشاد از بین رفته اند. پایش و مدیریت این منطقه می تواند در اموری مانند کنترل، حفاظت و حمایت این منطقه موثر باشد. به دلیل مساحت زیاد پایه های از بین رفته، امکان برآورد مساحت به‌صورت دقیق با استفاده از داده های موجود وجود ندارد. اندازه گیری های دستی نیز کاری بسیار زمان‌بر و طاقت فرساست. این امر مستلزم این است تا راهی بیابیم که به‌صورت دقیق و خودکار این فرآیند را انجام دهد. پهپادها با استفاده از سنجنده های بسیاری دقیقی (تفکیک مکانی) که دارند، این امکان را فراهم آورده اند. روش های مختلف طبقه بندی نیز از راهکارهایی هستند که می توان به‌منظور تفکیک خودکار درختان خشکیده از درختان سبز به کار گرفت. هدف از این پژوهش، ارزیابی توانایی داده های پهپادهای ارزان قیمت با سنجنده ‌های معمولی در آشکارسازی و پهنه بندی مناطق دچار خشکیدگی اثبات گردد و با توجه به اینکه هزینه پهپادهایی با سنجنده های چند طیفی (باند لبه قرمز و مادون ‌قرمز نزدیک) بسیار زیاد است، بتوان این هزینه را کاهش داد.

مواد و روش ها:

پارک جنگلی سیسنگان در 30 کیلومتری شرق شهرستان نوشهر استان مازندران در عرض جغرافیایی "30 33 36 تا "30 35 36 و طول جغرافیایی "00 47 51 تا "30 49 51 قرارگرفته است. این پارک علاوه بر نقش تفرجی که دارد بسیاری از گونه های گیاهی مهم کشور در آن رشد یافته اند. ازجمله مهم‌ترین این گونه ها می توان به شمشاد خزری اشاره کرد. پهپادی که در این پژوهش استفاده گردید از نوع پهپادهای عمودپرواز است. دوربینی که بر روی این وسیله تعبیه ‌شده است قابلیت ثبت تصاویر 20 مگاپیکسلی را دارد. عملیات تصویربرداری در تاریخ هشتم آذرماه 1396، ساعت 10 صبح انجام پذیرفت که مدت‌زمان آن 45 دقیقه طول کشید. برای نمونه برداری میدانی از منطقه موردمطالعه بازدید به عمل آمد و نقاط مختلف آن ازنظر تراکم پایه های خشکه‌دار شمشاد و درختان سبز مشخص گردید. سپس سه قطعه‌نمونه دایره ای با شعاع 60 متر و مساحت 1.13 هکتار در منطقه طراحی گردید و تراکم پایه های خشکه دار شمشاد و پایه های زنده و سبز در آن ها مشخص گردید. سپس در هر قطعه‌ نمونه در نقاطی که پایه های شمشاد قرار داشتند، 50 نقطه تعلیمی و همچنین در نقاطی که پایه های زنده، پوشش علفی کف و تمشک نیز قرار داشتند، 50 نقطه  ثبت گردید. در این پژوهش به‌منظور بررسی میزان دقت تصاویر پهپاد در شناسایی و طبقه بندی مناطق پوشیده از خشکه دار های شمشاد، کوچک‌ترین پایه های خشکه‌دار شمشاد که کمترین وسعت تاج را داشتند نیز ثبت گردید. به دلیل اینکه تصاویر پهپاد احتیاج به تصحیحات هندسی دارند، ابتدا ازنظر هندسی و موقعیت جغرافیایی تصحیح شدند. به‌منظور انجام فرآیند طبقه بندی، وارد نرم افزار ENVI شدند. در هر قطعه‌نمونه 100 نقطه ثبت گردیده بود که 75 عدد از آن ها برای انجام فرآیند طبقه بندی نظارت‌شده و 25 عدد از آن ها نیز برای ارزیابی صحت طبقه بندی استفاده گردید. برای طبقه بندی این تصاویر از سه الگوریتم طبقه بندی نظارت ‌شده شبکه عصبی مصنوعی، حداکثر احتمال و حداقل فاصله به‌ کاربرده شد. در پایان پس از انجام هرکدام از مراحل طبقه بندی، از فیلتر پایین گذر با ابعاد پنجره 3 در 3 پیکسل، برای هموارسازی تصاویر استفاده شد. برای ارزیابی نتایج نیز شاخص های ضریب کاپا و دقت کلی به کار گرفته شد.

نتایج و بحث:

 در این تعداد قطعه‌نمونه، 579 پایه اندازه گیری گردید. شمشاد با اختلاف زیادی، بیشترین فراوانی را در منطقه به خود اختصاص داد. پس‌ازآن ممرز و انجیلی و بلوط به ترتیب دررتبه های بعدی قرار دارند. از نتایج حاصل مشخص شد که الگوریتم شبکه عصبی مصنوعی بهترین نتایج را نسبت به دو الگوریتم دیگر داشته است. اما نتایج شبکه عصبی مصنوعی نیز با توجه به شرایط قطعه‌نمونه دارای نوساناتی است. این الگوریتم با دقت کلی 97.47 درصد و ضریب کاپا 0.94 بهترین نتایج را در تفکیک و آشکارسازی خشکه دار های شمشاد در قطعه‌نمونه با غلبه خشکه دارهای شمشاد داشتند. پس از الگوریتم شبکه عصبی مصنوعی، الگوریتم بیشینه شباهت نتایج مطلوب تری را در تفکیک پایه های خشکه‌دار شمشاد از خود نشان داد. الگوریتم کمترین فاصله نتایج مطلوبی از خود نشان داد، اما میزان دقت آن به‌اندازه دو الگوریتم قبل نبود. هر سه الگوریتم در تفکیک پایه ها در قطعه‌نمونه با غلبه پایه های زنده نتایج ضعیف تری را نسبت به دو قطعه‌نمونه دیگر از خود نشان دادند. قطعه‌نمونه با غلبه پایه های زنده و سبز در مقایسه با دو قطعه‌نمونه دیگر پدیده‌ها و عوارض بیشتری را در خود جای‌داده است و از نظر بافت تصویر نیز در مقایسه با دو قطعه ‌نمونه دیگر تفاوت های زیاد و محسوسی دارد. در این قطعه ‌نمونه علاوه بر وجود پایه های سبز و خشکه‌ دارهای شمشاد، پوشش علفی کف و توده های تمشک نیز به چشم می خورد. در این پژوهش نتایج طبقه بندی و آشکارسازی خشکه دارهای شمشاد با استفاده از الگوریتم شبکه عصبی مصنوعی بسیار بهتر از الگوریتم های بیشینه شباهت و کمترین فاصله بود. ازجمله دلایل بهتر بودن نتایج الگوریتم شبکه عصبی مصنوعی می توان به غیرخطی بودن و ناپارامتریک بودن آن اشاره کرد. اما در طبقه بندی به‌وسیله الگوریتم های سنتی مانند روش های آماری، به دلیل اینکه انعطاف پذیری کمتری دارند، دقت پایین‌تری داشته. انواع پارامتریک روش های سنتی مانند الگوریتم بیشینه شباهت، به خاطر وابستگی به آمار گوسی، درصورتی‌که داده ها نرمال نباشند نمی تواند دقت مطلوبی در طبقه بندی و تفکیک طبقات از یکدیگر داشته باشد. در الگوریتم های سنتی مانند الگوریتم های بیشینه شباهت و کمترین فاصله، داده های آموزشی نقش حیاتی دارند. در این روش ها فرض بر این است که توزیع در داخل نمونه های آموزشی باید نرمال باشد، به‌طوری‌که اگر نتوان این شرط را محیا نمود، دقت طبقه بندی به‌شدت کاهش می یابد. درحالی‌که روش های شبکه عصبی مصنوعی بر اساس ویژگی ها و ساختار خود داده ها عمل می کنند.

نتیجه گیری:

 نتایج حاصل از این پژوهش نشان داد که می توان با استفاده از داده ها و تصاویر معمولی یک پهپاد ارزان ‌قیمت به بررسی وضعیت خشکیدگی درختان بعد از فوران بیماری و تعیین مساحت آن پرداخت. برخلاف هزینه های زیادی که به‌منظور خرید سنجنده های گران ‌قیمت به ‌منظور پایش وضعیت پوشش گیاهی صورت می گیرد، می توان از این شیوه های ارایه‌شده در این مقاله، با هزینه های بسیار کمتری اقدام کرد. این روش می تواند در تعیین میزان سطح پوشش های خشکیده کمک شایانی به نهاد های زیربط کند.