فهرست مطالب

فصلنامه سنجش از دور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی
سال سیزدهم شماره 4 (زمستان 1401)

  • تاریخ انتشار: 1402/03/14
  • تعداد عناوین: 7
|
  • پایش تغییرات تالاب بختگان با استفاده از سری زمانی داده های ماهواره ای در پلتفرم گوگل ارث انجین و پیش بینی پارامترها با مدل Facebook’s Prophet
    محسن دستاران، شاهین جعفری، حسین مسلمی، سارا عطارچی*، سید کاظم علوی پناه صفحات 1-20

    پیشینه و هدف:

     تالاب ها زیستگاه پوشش گیاهی و حیاط وحش هستند و به همین دلیل دارای ارزش زیست محیطی بالایی می باشند. همچنین تالاب ها در هنگام وقوع حوادث ناگوار طبیعی باعث کاهش فرسایش خاک، بازیابی سفره های زیرزمینی و ذخیره آب حاصل از بارش می شوند و در فراهم کردن آب جهت کشاورزی و یا استفاده دام نقش دارند. این مناطق در برابر دخالت ها و تغییرات انسانی مانند زهکشی، گسترش شهر و توسعه زیرساخت ها و بهره برداری بیش ازحد از منابع آب های زیرزمینی آسیب پذیر هستند. پیش بینی وضعیت تالاب ها در آینده، نیازمند داشتن درک درست از سیر تحول تالاب ها و تعیین روند تغییرات آن ها است. امروزه فناوری سنجش ازدور برای نگاشت تالاب ها به طور گسترده ای مورداستفاده قرار می گیرد و توانایی آن در پایش تغییرات تالاب ها به دلیل وسعت متغیر و پویایی تالاب، ارزش این علم را در این زمینه دوچندان کرده است. سنجش ازدور با تامین تصاویر در زمان های مختلف و از طریق مدل سازی فضایی پویا می تواند ابزاری موثر برای شبیه سازی و پیش بینی فرایندهای تخریب تالاب باشد. در این مطالعه به دلیل اهمیت بالای زیست محیطی و گردشگری تالاب بختگان و اثرات خشک شدن تالاب بر شرایط زیستی و سلامت افراد بومی و همچنین گردشگری منطقه به پایش تغییرات این تالاب پرداخته شده است و پیش بینی پارامترهای بارش، سطح آب های زیرزمینی و دما انجام گرفته است. برای این امر پلتفرم گوگل ارث انجین برای اخذ و پردازش تصاویر مورداستفاده قرار گرفت. پلتفرم گوگل ارث انجین پلتفرمی است که در کمترین زمان و با سرعت بالا می توان اقدام به اخذ و پردازش تصاویر کرد. بر این اساس با استفاده از پلتفرم گوگل ارث انجین تغییرات پهنه آبی دریاچه به همراه تغییرات دما، سطح آب های زیرزمینی و بارش استخراج و مورد پایش قرارگرفته شد. همچنین مقایسه ای بین این پارامترها صورت گرفت تا مشخص شود چه تغییراتی طی دو دهه در این دریاچه اتفاق افتاده است. برای پیش بینی پارامترها با استفاده از مدل Prophet اقدام به پیش بینی و تحلیل روند تغییرات شد. مهم ترین مزیت مدل Prophet توانایی در تبدیل داده های گسسته به داده های پیوسته است تا پیش بینی به بهترین شکل انجام پذیرد. این روش در شناسایی روند فصلی بودن داده ها به صورت خودکار عمل می کند و در صورت وجود روند تغییرات فصلی آن ها را نمایش می دهد.

    مواد و روش ها :

    برای انجام پایش تالاب اقدام به اخذ تصاویر از پلتفرم گوگل ارث انجین شد. از تصاویر لندست 7 و 8 برای استخراج پهنه آبی، برای استخراج تغییرات سطح آب های زیرزمینی از داده های گریس، برای استخراج پوشش گیاهی و دمای سطح تالاب از پروداکت مادیس و برای استخراج مقادیر بارش از پروداکت تصاویر TRMM استفاده شد. برای استخراج پهنه آبی تالاب از شاخص استخراج خودکار آب (Automated water extraction index) استفاده شد. برای استخراج سطح آب های زیرزمینی از سنجنده گریس استفاده شد. برای به دست آوردن سری زمانی دمای سطح زمین برای منطقه موردمطالعه از پروداکت سنجنده مادیس استفاده شد. برای استخراج سری زمانی بارش، از داده های تجمعی ماهانه ماهواره TRMM (3B43V7)  باقدرت تفکیک مکانی 25/0 درجه جغرافیایی با استفاده از گوگل ارث انجین استخراج و روند تغییرات مورد ارزیابی و تحلیل قرار گرفت. آزمون Mann-Kendall یکی از پرکاربردترین آزمون های غیر پارامتری برای تشخیص روند داده های آب و هواشناسی و زیست محیطی است که برای تشخیص خط روند یکنواخت به کار می رود، این آزمون ازآنجاکه روشی غیر پارامتری است نیازی نیست از داده هایی با توزیع نرمال پیروی کند. مدل پیش بینی Prophet، کتابخانه پیش بینی کننده Prophet که توسط فیس بوک توسعه یافته است در زبان های برنامه نویسی R و Python در دسترس است. این کتابخانه از روش های (Additive model) پشتیبانی می کند و مقادیر گسسته را می تواند به خوبی و به صورت مقادیر پیوسته پیش بینی کند. نام این قابلیت «تعطیلات » است. از دیگر قابلیت های این کتابخانه شناسایی خودکار روند های روزانه هفتگی، فصلی و سالانه است. میانگین خطای مطلق یا به اختصار (MAE) به صورت پیش فرض در کتابخانه ی Prophet وجود دارد. این خطا معیار طبیعی تری از خطای متوسط را نشان می دهد و برخلاف خطای RMSE بدون ابهام است.

    نتایج و بحث:

     در این مطالعه روند تغییرات سطح آب تالاب بختگان بین سال های 2000 تا 2020 با استفاده از پلتفرم گوگل ارث انجین پایش شد. همچنین با استفاده از روش پیش بینی Prophet که توسط فیس بوک توسعه و منتشرشده است، اقدام به پیش بینی پارامترهای موثر گردید. بررسی روند تغییرات نشان داد که سطح آب تالاب در طی دو دهه کاهش چشمگیری داشته است. در همین راستا، روند سطح آب های زیرزمینی، دما و بارش منطقه موردبررسی قرار گرفت. با بررسی این عوامل مشخص شد هم زمان با کاهش 58.3% سطح آب تالاب، کاهش 260% نیز در سطح آب های زیرزمینی منطقه رخ داده است. با این حال تغییرات مقدار بارش منطقه در مقایسه با پارامتر های دیگر کمتر بوده است و حدود 29% کاهش داشته است. این روند کاهش با استفاده از آزمون آماری من-کندال نیز اثبات شد. برای پیش بینی پارامترها نیز، مدل Prophet با استفاده از داده ای گسسته توانسته است برای 1500 روز پیش بینی را به صورت داده ی پیوسته انجام دهد. خروجی مدل نشان داد که برای پارامترهای بارش و سطح آب های زیرزمینی یک روند نزولی در طی 1500 روز آینده قابل پیش بینی است که این روند کاهشی برای مقادیر بارش با شدت کم اما برای سطح آب های زیرزمینی با شدت زیاد هست. پیش بینی دما نشان داد که دما دارای الگوی فصلی است و نوسان زیادی در طول یک سال دارد، اما روند سالیانه ی آن نشان از ثبات در سال های پیش رو دارد. نتایج مدل برای سطح آب تالاب نیز نشان از یک روند صعودی نسبتا کم دارد که دارای احتمال تغییر ±12.5 کیلومترمربعی است. همچین خطای پارامترها در سطح معنی داری 95٪ دارای مقادیر قابل قبول هستند که نشان از صحت پیش بینی دارد. از شاخص خودکار آب به منظور استخراج سری زمانی پهنه آبی تالاب موردنظر استفاده شد. با استفاده از میانگین سری زمانی استخراج شده بیشترین و کمترین مساحت پهنه آبی تالاب به ترتیب به سال 2006 با 629.23 کیلومترمربع و سال 2014 با 156.82 کیلومترمربع تعلق دارد. سری زمانی تغییرات این تالاب نشان می دهد که وضعیت آب تالاب طی دو دهه سیر نزولی را طی کرده است. براساس این مطالعه می توان نتیجه گرفت که روند تغییرات سطح آب تالاب روبه کاهش بوده است. تغییرات دریاچه براساس روند تغییرات سطح آب های زیرزمینی که به صورت نزولی می باشد گویای کاهش آب منطقه است. بدلیل اینکه روند تغییرات بارش دارای یک ثباتی بوده، مدیریت نامناسب می تواند دلیلی بر کاهش سطح آب دریاچه و استفاده بی رویه از آب های زیرزمینی باعث کاهش سطح آب های زیرزمینی باشد. بدلیل همین کاهش سطح آب دریاچه، دما هم تا 3 درجه سانتی گراد کاهش داشته است

    نتیجه گیری :

    بر اساس این مطالعه می توان نتیجه گرفت که سطح آب های زیرزمینی و بارش در آینده روندی نزولی خواهند داشت که باعث می شود سطح آب تالاب - که خود دارای احتمال نوسان در آینده است - کاهش یابد و روند به صورت نزولی ادامه یابد. با روند پیش رو، تنها راه، برنامه ریزی های مناسب در جهت حفظ تالاب است. در صورت ادامه این روند، شاهد نابودی تالاب خواهیم بود. پیشنهاد می شود با توجه به روند ماهانه ی سطح تالاب در فصل تابستان بهره برداری بیش ازحد از منابع آب های زیرزمینی صورت نگیرد. جهت بررسی های بیشتر می توان از پلتفرم گوگل ارث انجین بدون نیاز به اخذ تصاویر و صرف زمان و هزینه زیاد، اقدام به فراخوانی سری زمانی تصاویر کرده و پردازش هایی در این پلتفرم انجام داد. در بحث پیش بینی نیز در مطالعات آتی می توان از مدل Prophet به دلیل استفاده از داده های گسسته و درعین حال ارایه دقت مطلوب، استفاده کرد.

    کلیدواژگان: تالاب بختگان، مدل پیش بینی Prophet، آزمون من-کندال، گوگل ارث انجین
  • پایش تغییرات کاربری اراضی و ارتباط آن با دمای سطح زمین و شاخص پوشش گیاهی در نواحی جنوبی استان اردبیل (مطالعه موردی: حوضه آبریز گیوی چای)
    شیرین مهدویان، بتول زینالی*، برومند صلاحی صفحات 21-48

    پیشینه و هدف:

     گسترش شهری بی رویه و برنامه ریزی نشده به پراکندگی شهری معروف است و با تراکم کم، توسعه حمل ونقل محور و گسترش وسیع به سمت حاشیه مراکز تاسیس شده شهری مشخص می شود. به طورکلی اعتقاد بر این است که اصلاح ریخت شناسی منظر شهری منجر به افزایش دمای شهری و پدیده جزیره گرمای شهری (Urban heat island, UHI) می شود. خصوصیات بیوفیزیکی فضای شهری عوامل تعیین کننده آب وهوای محلی شهری است. هنگامی که تغییرات قابل توجهی مانند جایگزینی پوشش گیاهی و سطوح تبخیری با سطوح غیر قابل نفوذ وجود داشته باشد، مقدار انرژی سطح تغییراتی را تجربه می کند که منجر به گرم شدن در مقیاس محلی می شود. اغلب دانشمندان بر این باورند که دمای کره زمین از قرن 19 میلادی در حال افزایش است. در این میان، پدیده ای به نام جزیره گرمایی درکلان شهرها (UHI) باعث افزایش سریع تر دما در این خرد اقلیم ها گردیده و در سال های آینده روند سریع شهرنشینی نیز بر شیب افزایش دما در شهرها خواهد افزود. مطابق آمار ارایه شده توسط سازمان ملل تا سال 2025 بیش از 80% جمعیت جهان در شهرها ساکن خواهند بود و این مسیله با گرم شدن هرچه بیشتر شهرها بر وخامت شرایط می افزاید. دمای سطح زمین (LST) یکی از مهم ترین پارامترهای زیست محیطی است که تحت تاثیر تغییرات کاربری زمین قرار دارد. هدف از انجام این تحقیق تجزیه وتحلیل تغییر کاربری زمین در دو دوره 1987  و 2019، برآورد و بررسی تغییرات LST و NDVI در همان دوره و تجزیه وتحلیل تاثیر تغییرات کاربری زمین در LST و NDVI مشاهده شده و نیز رابطه بین هر سه پارامتر است.

    مواد و روش ها :

    در این پژوهش، از تصاویر ماهواره لندست 8 که از سنجنده  OLIبه منظور استخراج نقشه کاربری اراضی و شاخص پوشش گیاهی و سنجنده TIRS به منظور استخراج دمای سطح زمین برای سال 2019 استفاده شد و همچنین تصویر سنجنده لندست 5 برای تهیه نقشه کاربری اراضی و شاخص پوشش گیاهی با استفاده از باندهای مریی، مادون قرمز و مادون قرمز نزدیک و سنجنده TM برای استخراج دمای سطح با استفاده از باندهای حرارتی برای سال 1987 مورداستفاده قرار گرفت. از نرم افزار Ecognition برای طبقه بندی شیء پایه استفاده شد. برای ارزیابی صحت طبقه بندی از ماتریس خطا و آماره های مربوطه (صحت کلی، ضریب کاپا، دقت کاربر و تولیدکننده هر کلاس) استفاده شد و درنهایت برای تجزیه وتحلیل همبستگی بین LST و NDVI از تحلیل همبستگی پیرسون و برای ارزیابی تاثیر کاربری زمین بر دمای سطح از شاخص مشارکت استفاده شد.

    نتایج و بحث:

     بررسی تغییرات کاربری اراضی و ارتباط آن با دمای سطح زمین و شاخص پوشش گیاهی، مستلزم تعیین نوع کاربری اراضی و برآورد دقیق دمای سطح زمین و شاخص پوشش گیاهی است. تهیه نقشه کاربری راضی با استفاده از تصاویر ماهواره ای لندست و اعمال روش طبقه بندی شیءگرا از دقت نسبتا بالایی برخوردار است. صحت طبقه بندی نقشه کاربری اراضی سال 1987، 82.5 و در سال 2019، 96.1 نشان دهنده صحت بالای روش طبقه بندی کاربری اراضی و نقشه کاربری اراضی است. بررسی تغییرات کاربری اراضی در سال های 1987 و 2019 در حوضه آبریز گیوی چای نشان داد که کاربری مرتع به ترتیب با مساحت 1224.18 و 1046.59 کیلومترمربع طبقه غالب کاربری زمین است درحالی که در سال 1987 کاربری مسکونی با مساحت 3.66 کیلومترمربع  و در سال 2019 کاربری آب با مساحت 3.77 کیلومترمربع کمترین مساحت را داشتند همچنین بیشترین کاربری تغییریافته کاربری مرتع به کشاورزی دیم (181 کیلومترمربع) بوده است که نشان دهنده تخریب مراتع است. نتایج دمای سطح زمین در طی دوره 33 ساله ارزیابی شد که نشان داد متوسط دمای سطح زمین در سال 1987 از  28.39 درجه سانتی گراد به 38.86 درجه سانتی گراد و در سال 2019 از 34.35 درجه سانتی گراد به 46.62 درجه سانتی گراد افزایش یافته است به گونه ای که متوسط دمای کل منطقه موردمطالعه در 33 سال حدود 7.11 درجه سانتی گراد افزایش یافته است. این امر نشان از توسعه شهری در منطقه موردمطالعه است. بیشترین دمای ثبت شده در هر دو دوره متعلق به کاربری کشاورزی دیم (به ترتیب با 38.86 و 46.62 درجه سانتی گراد) است که نشان از تمرکز حرارت در این مناطق است. خشک بودن و برداشت محصول در این زمان می تواند علت اصلی دمای زیاد این کاربری باشد. کاربری های باغ، جنگل و آب نسبت به دیگر کاربری ها دمای سطح پایین تری را در هر دو دوره نشان دادند. مناطق دارای پوشش گیاهی  به علت تبخیر و تعرق، نقش تعدیل کننده دما رادارند و مناطق دارای حداقل دما را در هر دو دوره به وجود آورده اند. کاربری آب هم به دلیل ظرفیت گرمایی بالا تاثیر زیادی در کاهش دما دارد. کاربری نواحی مسکونی نسبت به کاربری های کشاورزی دیم و مرتع دمای پایین تری را نشان داد که می توان علت آن را ناشی از وجود پارک ها،باغات که باعث تبخیر و تعرق و خنک کنندگی شهر می شوند و همچنین عواملی همچون ایزوگام بام ها که در انعکاس انرژی تابشی سهم زیادی دارد دانست. کاربری مرتع در هر دو سال مورد مطالعه، دمای بالایی (به ترتیب 36.57 و 44.81 درجه سانتی گراد) را داشته است. دلیل بالا بودن دمای این کاربری، با توجه به فصل موردمطالعه که اواخر خرداد و اوایل تیرماه است، ازدیاد نواحی عاری از پوشش گیاهی یا پوشش گیاهی ناچیز و پراکنده است. همچنین در دو دوره مطالعه همبستگی منفی زیادی بین LST و NDVI وجود داشت. کشاورزی دیم و مرتع با LST بالاتر NDVI کمتری دارند، درحالی که پوشش گیاهی و آب ها NDVI بالاتری دارند. کاربری مربوط به کشاورزی آبی که اکثرا در مناطق اطراف رودخانه گیوی چای مشاهده شد به خاطر وجود رطوبت و تبخیر و تعرق ناشی از تراکم پوشش گیاهی دمای پایین تری نشان داد. در منطقه مورد مطالعه مناطق حومه شهر (باغات) و اراضی زراعی آبی حاشیه رودخانه گیوی چای  و جنگل ها به دلیل دارا بودن زی توده سبز نسبتا زیاد، دارای بیشترین مقدار شاخص پوشش گیاهی (NDVI) هستند در حال که پهنه های آبی،اراضی دیم،نواحی مسکونی و مراتع کمترین شاخص پوشش گیاهی رادارند. نتایج حاصل از تجزیه وتحلیل شاخص پوشش گیاهی برای هر کلاس کاربری نشان داد که جنگل ها، کشاورزی دیم و مراتع دارای بالاترین مقادیر LST و کمترین مقدار NDVI درحالی که کمترین مقادیر LST و مقادیر بالاتر NDVI در طبقات جنگل و باغ مشاهده شد. جایگزینی پوشش گیاهی و جنگل ها با نواحی مسکونی عامل تبدیل خاک های مرطوب به سطوح غیر قابل نفوذ است که منجر به کاهش تبخیر سطح می شود. تابش خورشیدی جذب شده به گرما تبدیل می شود و با مقادیر بالاتر LST منعکس می شود.نتایج میزان همبستگی سه پارامتر (کاربری راضی،دمای سطح زمین و شاخص پوشش گیاهی) نشان داد که شاخص پوشش گیاهی (NDVI) همبستگی منفی با دمای سطح زمین داردبه عبارتی با افزایش پوشش گیاهی دمای سطح زمین کاهش داشته است و این موضوع به این دلیل است که پوشش گیاهی بیشتر منجر به تبخیر و تعرق بیشتر و انتقال بخشی از دما و سرد شدن سطح زمین می شود. درنهایت محاسبه شاخص مشارکت برای هر کلاس کاربری اراضی در سال های 1987 و 2019 نشان داد که کاربری کشاورزی دیم در سال 1987 و کاربری مرتع در سال 2019 بیشترین سهم را در افزایش دمای سطح در منطقه موردمطالعه داشتند. با توجه به زمان تصاویر انتخاب شده علت اصلی این مشارکت را  نیز می توان به زمان برداشت محصول کشاورزی دیم و خشک شدن مراتع نسبت داد.

    نتیجه گیری:

     تایید افزایش دمای سطح بین طبقات مختلف کاربری زمین است. کاربری های مراتع و کشاورزی دیم مقادیر LST بیشتری را در مقایسه با جنگل ها و کشاورزی آبی و پهنه های آب ها نشان دادند. مناطق دارای دمای بالا نیز دارای مقادیر کم NDVI برعکس، مناطق دمای پایین مانند پوشش گیاهی و آب ها دارای مقادیر NDVI بالاتری بودند. علاوه بر این، ارتباط منفی بالایی بین LST و NDVI در دو دوره مطالعه مشاهده شد. همچنین نشان داده شد که مراتع و کشاورزی دیم به طور مثبت بر LST تاثیر می گذارند درحالی که جنگل ها و آب ها دارای اثر خنک کننده یا تعدیل کننده هستند.

    کلیدواژگان: کاربری زمین، دمای سطح زمین، شاخص پوشش گیاهی تفاضلی نرمال شده، شاخص مشارکت
  • پهنه بندی ریسک حریق در مناطق شهری با استفاده از روش رگرسیون لجستیک (مطالعه موردی: شهر کاشان)
    محمدامین وکیل الرعایا، سعید ملماسی*، مژگان زعیم دار، مهناز میرزا ابراهیم طهرانی صفحات 49-67

    پیشینه و هدف:

     مدیریت خطر آتش سوزی یک مسیله جهانی است، جایی که سیاست های ایمنی شهری باید این موضوع را جدی بگیرند. یکی از زمینه های پژوهش برای کنترل آتش سوزی های شهری، شناسایی نقاط بحرانی آتش سوزی در منطقه است؛ زیرا عدم شناخت کافی این نقاط باعث وقوع و گسترش آتش در مناطق و کاربری های مختلف، تاخیر در مهار آن و وارد آمدن خسارات مالی و صدمه جانی و همچنین آلودگی های محیطی را در پی خواهد داشت. پهنه بندی ریسک حریق باهدف به کارگیری در برنامه ریزی و مدیریت در کنترل و حرایق شهری تاکنون در منطقه مطالعاتی این تحقیق موردتوجه نبوده و در قالب طرح تحقیقاتی و مطالعاتی، پژوهشی در این زمینه صورت نگرفته است. هدف از مطالعه حاضر تعیین و شناسایی معیارهای شاخص جهت پهنه بندی ریسک آتش سوزی در منطقه موردمطالعه، ایجاد نقشه خطر آتش سوزی بر اساس روش رگرسیون لجستیک و تطابق با نقشه واقعیت آتش و همچنین ارایه برنامه های مدیریتی و مدیریت بحران آتش سوزی در شهر کاشان است.

    مواد و روش ها:

     مراحل وتکنیک های مورداستفاده در این تحقیق در شش گام انجام گردید. اولین گام شناسایی معیارها و شاخص های تاثیرگذار است. با استفاده از مطالعات کتابخانه ای، اطلاعات به دست آمده از مقالات معتبر و همچنین از طریق روش دلفی به منظور گردآوری نظر کارشناسان از مقیاس لیکرت استفاده شد. در گام دوم غربال گری معیارها متناسب باهدف انجام گرفت که معیارهای تاثیرگذار در این تحقیق عبارت اند از عوامل آسیب پذیر شامل (تراکم جمعیت، واحدهای صنعتی، تجاری- انبار، ساختمان مرتفع، بافت قدیمی و جایگاه سوخت) و همچنین ظرفیت عوامل کاهش شامل (ایستگاه آتش نشانی، جاده ها و شیرهای هیدرانت) است. در گام سوم آماده سازی داده ها و لایه ها جهت تحلیل در سیستم اطلاعات جغرافیایی صورت گرفت. در مرحله بعد به استانداردسازی لایه ها با استفاده از منطق فازی پرداخته شد. در ابتدا تابع فاصله (Distance) بر روی معیارها در محیط ادریسی سلوا اجرا گردید تا فاصله از هر پدیده مشخص شود. در ادامه به روش فازی همه معیارهای تعیین شده در بازه صفرتا 255 استاندارد شدند. نوع تابع استفاده شده در رویکرد منطق فازی از نوع خطی (Linear) بوده که انتخاب نوع تابع و آستانه ها بر اساس مرور منابع و نظر کارشناسی انجام شد. به منظور تحلیل ارتباط فضایی بین حوادث آتش سوزی رخ داده در سطح شهر و نقش فاکتورهای موثر در وقوع آن تمامی نقاط آتش سوزی 10 سال گذشته در سطح شهر از سال 1389 تا سال 1399 استخراج و به نقشه رستری تبدیل شد. در گام پنجم نقشه خطر آتش سوزی با استفاده از رگرسیون لجستیک تهیه شد که پس از مشخص شدن اعتبار مدل رگرسیون لجستیک با استفاده از شاخص های تعیین شده، نقشه پهنه بندی ریسک حریق شهر کاشان ترسیم گردید. در گام آخر به منظور اعتبار سنجی مدل رگرسیون لجستیک از Chi Square, ROC و Pseudo R Square استفاده شد.

    نتایج و بحث:

     مزایای استفاده از مدل رگرسیون لجستیک علاوه بر مدل سازی مشاهده ها، امکان پیش بینی احتمال تعلق هر فرد به هریک از سطوح متغیر وابسته و امکان محاسبه ی مستقیم نسبت به شانس متغیرها با استفاده از حداکثر درستنمایی بیشینه ضرایب مدل است. همچنین نسبت به سایر تکنیک های آماری، چند متغیره مانند آنالیز رگرسیون چندگانه و آنالیز تشخیصی، متغیر وابسته می تواند تنها دو متغیر داشته باشد که یکی احتمال وقوع حادثه و دیگری عدم وقوع آن است. به منظور تحلیل ارتباط فضایی بین حوادث آتش سوزی رخ داده در سطح شهر و نقش فاکتورهای موثر در وقوع آن تمامی نقاط آتش سوزی 10 سال گذشته در سطح شهر از سال 1389 تا سال 1399 استخراج و به نقشه رستری تبدیل شد. خروجی مدل رگرسیون لجستیک، ضریب هایی بین صفر و یک دارد که به احتمالات بالاتر از 0.5 ارزش یک (وقوع آتش سوزی) و به احتمالات پایین تر از 0.5 ارزش صفر (عدم وقوع آتش سوزی) می دهد و بدین ترتیب نقشه بولین ریسک تولید می گردد. این احتمال پیش بینی شده در دامنه 0 تا 1 سبب می شود تغییر لگاریتمی پیوسته باشد و خروجی مدل به صورت یک نقشه پیش بینی مکانی احتمال تخریب ارایه شود. سپس در معادله رگرسیون لجستیک این لایه به عنوان متغیر وابسته و پارامترهای موثر در پهنه بندی حریق به عنوان متغیر مستقل معرفی گردید پس از ورود داده ها به مدل آماری رگرسیون لجستیک، با استفاده از پارامتر های موثر در نرم افزار IDRISI ، ضرایب مدل، استخراج گردید. پس از مشخص شدن اعتبار مدل رگرسیون لجستیک با استفاده از شاخص های تعیین شده، نقشه پهنه بندی ریسک حریق شهر کاشان ترسیم گردید. درنهایت منطقه موردمطالعه ازنظر پتانسیل ریسک حریق به 5 کلاس بسیار کم، ریسک کم، متوسط، بسیار زیاد، ریسک زیاد تقسیم گردید. مساحت هر یک از 5 کلاس به دست آمده به هکتار و درصد به ترتیب 8747.47، 4669.03، 132115، 1116.33، 788.96 هکتار و 90.94، 4.85، 2.19، 1.16، و 0.82 درصد به دست آمد.

    نتیجه گیری:

     مقدار 0.95 به دست آمده از راک ROC نشان دهنده همبستگی بسیار بالای بین متغیر مستقل و وابسته است. مقدار شاخص چی دو برابر با 110836.07 است؛ با توجه به اینکه مقدار آن بسیار بیشتر از مقدار آستانه تعیین شده است درنتیجه فرض صفر تمام ضرایب نیز رد می گردد. مقدار آزمودن PR2 در این پژوهش 0.47 می باشد، بنابراین مدل رگرسیون لجستیک برازش قابل قبولی را داشته است.

    کلیدواژگان: پهنه بندی ریسک آتش سوزی، فازی، رگرسیون لجستیک، تحلیل ارتباط فضایی، اعتبارسنجی
  • کارایی شاخص های مانگرو در تهیه نقشه جنگل های مانگرو با استفاده از تصاویر لندست 8 در جنوب ایران
    یوسف عرفانی فرد*، محسن لطفی نصیرآباد صفحات 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.

    کلیدواژگان: حرا، خلیج نایبند، خلیج گواتر، سیریک، ماشین بردار پشتیبان، منحنی مشخصه نسبی عملکرد
  • پیش بینی و مدل سازی خشک سالی به روش هیبریدی موجک و الگوریتم های شبکه عصبی
    جهانبخش محمدی، علیرضا وفایی نژاد*، سعید بهزادی، حسین آقامحمدی، امیر هومن حمصی صفحات 87-111

    پیشینه و هدف:

     بحران خشک سالی یک دوره خشک آب و هوایی است که در هر نقطه از جهان و با هر اقلیمی ممکن است رخ دهد. این بحران اگرچه به آرامی شروع می شود اما می تواند برای مدتی طولانی تاثیر جدی بر سلامت، محصولات کشاورزی، اقتصاد، انرژی و محیط زیست بگذارد. خشک سالی معیشت و سلامت انسان ها را به شدت تهدید می کند و خطر ابتلا به انواع بیماری ها را افزایش می دهد. ازاین رو مدل سازی و پیش بینی خشک سالی از موضوعات مهم و جدی در جوامع علمی است. درگذشته از مدل های ریاضی و آماری مانند روش رگرسیون ساده، خودرگرسیون گیری (AR)، میانگین متحرک (MA) و نیز ARIMA جهت مدل سازی خشک سالی استفاده می شد. در سال های اخیر استفاده از روش های یادگیری ماشین و هوش محاسباتی جهت مدل سازی و پیش بینی خشک سالی بسیار موردتوجه دانشمندان بوده است. ازجمله از الگوریتم های هوش محاسباتی که توسط دانشمندان جهت مدل سازی خشک سالی قبلا موردتوجه قرارگرفته است می توان به شبکه عصبی پرسپترون چندلایه، شبکه عصبی RBF، ماشین بردار پشتیبان، روش های فازی و فازی عصبی اشاره کرد. در این تحقیق هدف مدل سازی و پیش بینی خشک سالی با بهره گیری از سه الگوریتم شبکه عصبی شامل پرسپترون چندلایه، شبکه عصبی RBF و شبکه عصبی رگرسیون تعمیم یافته است. شاخص خشک سالی استفاده شده در این تحقیق شاخص استانداردشده بارش (SPI) است. در این تحقیق از تکنیک موجک در تلفیق با الگوریتم های شبکه عصبی مصنوعی جهت مدل سازی و پیش بینی خشک سالی در 10 ایستگاه سینوپتیک در کشور ایران (آبادان، بابلسر، بندرعباس، کرمان، مشهد، رشت، سقز، تهران، تبریز و زاهدان) در اقلیم های مختلف و با توزیع مکانی مناسب در کل کشور ایران استفاده شده است.

    مواد و روش ها :

    در این تحقیق در ابتدا با استفاده از داده های بارش ماهانه بین سال های 1961 تا 2017 شاخص خشک سالی SPI در مقیاس های زمانی 3، 6، 12، 18، 24 و 48 ماهه از طریق برنامه نویسی در محیط نرم افزار MATLAB پیاده سازی شد. نتایج این مرحله با استفاده از نرم افزارهای علمی موجود MDM و Drinc صحت سنجی شد. در ادامه با استفاده از زنجیره مارکوف به طراحی مدل های پیش بینی پرداخته شد. در این تحقیق درمجموع از شش مدل هوش محاسباتی شامل سه مدل منفرد شبکه عصبی پرسپترون چندلایه (MLP)، شبکه عصبی تابع پایه شعاعی (RBF) و شبکه عصبی رگرسیون تعمیم یافته (GRNN) و سه مدل ترکیبی (هیبریدی) موجک با این سه مدل به صورت (WMLP-WRBF-WGRNN) جهت مدل سازی و پیش بینی شاخص SPI در 10 ایستگاه این تحقیق استفاده شده است. در پیاده سازی تمامی این شش مدل از محیط برنامه نویسی نرم افزار MATLAB استفاده شده است. در این تحقیق ابتدا از چهار نوع موجک گسسته شامل دابیشز (Daubechies)، سیملت (Symlets)، کویفلت (Coiflets) و دوضلعی (Biorthogonal) استفاده شد، به دلیل عملکرد بهتر موجک دابیشز، از این نوع موجک در تحقیق به عنوان گزینه نهایی استفاده شد. در موجک دابیشز استفاده شده در بین مرتبه های 1 تا 45، مرتبه 3 بهترین عملکرد را در بین مقیاس های زمانی مختلف SPI از خود نشان داد، به همین دلیل از موجک دابیشز مرتبه 3 در تمامی مدل های ترکیبی این تحقیق استفاده شد. بعد از آموزش همه شش الگوریتم استفاده شده نتایج با معیارهای ارزیابی ضریب تعیین (R2) و جذر میانگین مربعات خطا (RMSE) جهت اندازه گیری اختلاف بین مقادیر واقعی و برآورد شده استفاده شده است.

    نتایج و بحث :

    نتایج این تحقیق نشان داد که روش های هوش محاسباتی دقت بالایی در مدل سازی و پیش بینی شاخص خشک سالی SPI دارند. در مرحله اول نتایج نشان داد که مدل های منفرد MLP، RBF و GRNN درصورتی که به طور صحیح آموزش داده شوند نتایجی نزدیک به هم در مدل سازی و پیش بینی شاخص خشک سالی SPI دارند. در مرحله بعد مشاهده شد که تکنیک موجک باعث بهبود نتایج مدل سازی خواهد شد. در استفاده از تکنیک موجک در تلفیق با سه مدل منفرد MLP، RBF و GRNN انتخاب نوع موجک نیز در مدل سازی بهتر موثر است، به نحوی که در این تحقیق ابتدا از چهار نوع موجک گسسته دابیشز، سیملت، کویفلت و دوضلعی در تلفیق با سه مدل منفرد این تحقیق استفاده شد که نتایج این چهار نوع موجک نشان از برتری نسبی موجک دابیشز نسبت به سه موجک دیگر بود. در استفاده از موجک دابیشز نیز از آنجایی این موجک 45 مرتبه دارد و انتخاب مرتبه نیز در مدل سازی موثر بود با آزمایش 45 مرتبه موجک مشاهده شد که موجک مرتبه 3 در حالت کلی دارای دقت بالاتری در تمامی مقیاس های زمانی شاخص SPI (3، 6، 12، 18، 24 و 48 ماهه) و نیز در هر سه الگوریتم MLP، RBF و GRNN دارد. ازاین رو در این تحقیق از موجک مرتبه سوم دابیشز در هر سه الگوریتم این تحقیق و نیز در همه مقیاس های زمانی استفاده شد. نتایج تحقیق نشان داد که تلفیق تکنیک موجک با هر سه مدل MLP، RBF و GRNN باعث بهبود نتایج خواهد شد. نمودارهای تحقیق نشان داد که برای مقیاس زمانی سه ماهه مقادیر به دست آمده از پیش بینی مدل منفرد در مدل سازی MLP و RBF تا حدودی دارای اختلاف فاز یک ماهه نسبت به مدل هیبریدی هست، درحالی که در مدل GRNN این اختلاف پیش بینی کم هست. نتایج مدل سازی برای هر دو حالت مدل سازی منفرد و هیبریدی بیانگر عدم وجود اختلاف فاز بین دو روش مدل سازی منفرد و هیبریدی درمقیاس های زمانی 6، 12، 18، 24 و 48 است. برای مقیاس زمانی 12 و 24 ماهه، مدل منفرد GRNN دارای نوسانات و خطای بیشتری در مدل سازی و پیش بینی ماهانه SPI بوده است درحالی که مدل هیبریدی در این دو مقیاس زمانی به مراتب رفتار بهتری در مدل سازی و پیش بینی ماهانه داشته است. نمودارهای پراکنش داده های مربوط به SPI مشاهداتی ایستگاه آبادان نشان داد که نتایج مدل سازی برای حالت منفرد و هیبریدی در مقیاس های زمانی 3 و 6 ماهه دقت کمتری نسبت به دیگر مقیاس های زمانی دارد و جدایی خط برازش و همچنین میزان عدم قطعیت آن بیشتر است. هرچند در همه مدل های شبکه عصبی و در تمامی مقیاس های زمانی روش هیبریدی دقت بیشتری از خود نشان داده است. نتایج عددی تحقیق نشان دهنده این است که در تمامی SPI ها و ایستگاه های موردمطالعه، مقادیر تفاضلی R2 مثبت است که بیانگر مقادیر بیشتر R2 مدل هیبریدی نسبت به مدل سازی های شبکه عصبی منفرد است که به نحوی نشان دهنده بهبود مدل سازی هیبریدی نسبت به مدل های منفرد است. همچنین مقادیر تفاضلی RMSE نیز در کلیه مدل های موردبررسی و ایستگاه های موردمطالعه منفی است که نشان دهنده کمتر بودن مقدار RMSE در پیش بینی مدل های هیبریدی نسبت به مدل های منفرد شبکه عصبی است. در گراف های تحقیق دیده می شود که مقدار اختلاف ها در RMSE و R2 بیانگر میزان اختلاف بیشتر در مقیاس های زمانی 3 و 6 نسبت به مقیاس های زمانی 12، 18، 24 و 48 است که به نحوی به ماهیت داده های این مقیاس های زمانی برمی گردد. به ترتیب بیشترین بهبود در مقدار R2 و RMSE از مقیاس پایین 3 ماهه به سمت مقیاس های زمانی بالاتر 48 ماهه است.

    نتیجه گیری :

    از یافته های این تحقیق می توان نتیجه گرفت که الگوریتم های شبکه عصبی مصنوعی روش های کارآمدی در مدل سازی و پیش بینی شاخص خشک سالی SPI می باشند. همچنین استفاده از موجک در هر سه مدل شبکه عصبی مصنوعی باعث بهبود نتایج خواهد شد. همچنین می توان نتیجه گرفت که برای مدل سازی بهتر شاخص خشک سالی SPI لازم است نوع و مرتبه موجک بهینه انتخاب شود. از نتایج این تحقیق می توان نتیجه گیری کرد که تکنیک موجک تاثیر بیشتری در مقیاس های زمانی پایین تر یعنی 3 و 6 ماهه نسبت به مقیاس های بالاتر یعنی 24 و 48 ماهه دارد.

    کلیدواژگان: خشک سالی، شبکه عصبی، شاخص استانداردشده بارش (SPI)، شبکه عصبی پرسپترون چندلایه (MLP)، شبکه عصبی تابع پایه شعاعی (RBF)، شبکه عصبی رگرسیون تعمیم یافته (GRNN)
  • مدل ارزیابی تناسب زمین برای توسعه شهری با استفاده از رویکرد تصمیم گیری چندمعیاره و سیستم اطلاعات جغرافیایی (مطالعه موردی: بم)
    پویا فرحانی، سحر رضایان*، مژگان زعیم دار، سید علی جوزی صفحات 112-130

    پیشینه و هدف:

     در چند دهه اخیر با افزایش سرعت شهرنشینی و رشد مهاجرت به شهرها، تغییرات گسترده ای در ساختار فیزیکی شهرها به وجود آمده است. اعمال این تغییرات بدون در نظر گرفتن توان اکولوژیکی سرزمین و توجه به الزامات توسعه پایدار شهری، شهرها را با چالش های متعددی مواجه کرده است، که یکی از این چالش ها، تعیین اراضی مناسب جهت گسترش فیزیکی شهر و استقرار کاربری توسعه شهری است. از جمله روش های علمی و قابل اطمینان جهت تعیین و ارزیابی مناطق مستعد توسعه شهری با در نظر گرفتن شرایط و خصوصیات محیطی، ارزیابی توان اکولوژیکی است. انجام چنین ارزیابی تا حد زیادی به استفاده پایدار از زمین و حل مشکلات محیط زیستی ناشی از توسعه سریع شهرها کمک می کند. هدف از انجام ارزیابی توان اکولوژیکی، شناسایی مناسب ترین عرصه ها جهت استقرار کاربری های گوناگون با توجه به برنامه ریزی های آینده است. با توجه به این که معیارها و شاخص های مختلفی باید در انتخاب اراضی مناسب جهت استقرار کاربری توسعه شهری مدنظر قرار گرفته و تجزیه و تحلیل شوند، ضروری می نماید تا از موثرترین روش ها و تکنیک ها جهت شناسایی این اراضی استفاده شود. سامانه اطلاعات جغرافیایی یکی از ابزارهای پرکاربرد در انجام مطالعات محیط زیستی  به شمار می آید، که می تواند در انجام ارزیابی توان اکولوژیکی نیز مورد استفاده قرارگیرد. به دلیل نقش و اهمیت معیارها در انجام مطالعات ارزیابی توان اکولوژیکی، روش های مبتنی بر سامانه اطالاعات جغرافیایی می بایست با سایر روش ها و ابزارها ترکیب شوند تا نتیجه قابل قبولی بدست آید. پژوهش حاضر با هدف انجام ارزیابی توان اکولوژیک شهرستان بم، به منظور تعیین عرصه های مناسب جهت استقرار کاربری توسعه شهری با رویکرد استفاده و تلفیق روش های تصمیم گیری چند شاخصه، منطق فازی و سامانه اطلاعات جغرافیایی  به انجام رسیده است.

    مواد و روش ها:

     جهت دستیابی به اهداف این پژوهش در گام نخست با مطالعه و بررسی پژوهش های پیشین و استفاده از نظرات گروه نخبگان، کلیه معیارها و زیرمعیارهای مورد نیاز جهت استقرار کاربری توسعه شهری در منطقه مشخص شد. به همین منظور، پرشسنامه ای طراحی و بین گروه نخبگان توزیع گردید تا نظرات خود را در خصوص معیارها و زیرمعیارها بیان کنند. از جدول مورگان جهت تعیین حجم جامعه آماری و حجم نمونه مورد نیاز استفاده شد. در نهایت 9 معیار و 13 زیرمعیار جهت انجام ارزیابی توان اکولوژیک شهرستان بم انتخاب شدند. جهت وزن دهی و انجام مقایسات زوجی معیارها و زیرمعیارها نیز از روش های تصمیم گیری چند معیاره و نرم افزار ExpertChoice کمک گرفته شد. در گام بعدی، تمامی نقشه ها با استفاده از نرم افزار ArcGIS و با توجه به محدودیت های استقرار کاربری توسعه شهری در شهرستان بم به روش فازی استانداردسازی شدند. مقیاس نقشه های مورد استفاده در این پژوهش  1:100000 و رزولوشن لایه های اطلاعاتی دیجیتال نیز 90×90 متر است. در گام اخر، با استفاده از روش ترکیب خطی وزن دار و عملگر جمع فازی تمامی لایه های اطلاعاتی روی هم گذاری و نقشه نهایی توان اکولوژیک شهرستان بم تولید شد.

    نتایج و بحث:

     نتایج حاصل از انجام تحلیل های چند معیاره نشان داد، سه زیرمعیار فاصله از گسل های اصلی، فاصله از چاه های آب شرب و بافت خاک به ترتیب با 0.235، 0.117، 0.114 بیشترین وزن را به خود اختصاص داده اند. نرخ ناسازگاری محاسبه شده حاصل از انجام مقایسات زوجی در این پژوهش برابر با 0.07 محاسبه شد که کمتر از حد آستانه 0.1 است که نشان می دهد قضاوت های صورت گرفته توسط گروه نخبگان به درستی انجام شده است. همچنین با تحلیل نتایج حاصل از روی هم گذاری نقشه ها مشخص شد، بیشترین ارزش پیکسلی محاسبه شده به منظور استقرار کاربری توسعه شهری در منطقه برابر با 0.481 و کمترین ارزش نیز برابر با 0.07 است. جهت انجام تحلیل دقیق تر نقشه با طبقه بندی نقشه نهایی در چهار طبقه، مشخص 24% از مساحت منطقه معادل 18996.2 هکتار دارای توان متوسط، 34% معادل 268854.3 هکتار ضعیف، 22% معادل 178695.7 هکتار بسیار ضعیف و 20% معادل 160762.3 هکتار غیرقابل توسعه است. پراکنش مناطق با توان اکولوژیکی متوسط عمدتا در قسمت های شرق، شمال غرب و به میزان کمتر در مرکز منطقه و پراکنش مناطق با توان بسیار ضعیف و غیرقابل توسعه در محدوده غرب و جنوب منطقه قرار دارند.

    نتیجه گیری:

     این پژوهش با هدف شناسایی و اولویت بندی مناطق مناسب جهت استقرار کاربری توسعه شهری در شهرستان بم با استفاده از تلفیق روش های تصمیم گیری چند معیاره، سامانه اطلاعات جغرافیایی و منطق فازی به انجام رسیده است. تمامی معیارها و زیرمعیارهای استفاده شده جهت انجام این پژوهش با توجه به خصوصیات فیزیکوشیمیایی و اقتصادی- اجتماعی منطقه و با استفاده از تکنیک پرسشنامه تعیین گردیده اند. درنهایت 9 معیار شامل منابع آبی، اقلیم، توپوگرافی، زمین شناسی، خاک، مناطق تحت مدیریت، راه ها، مراکز جمعیتی، کاربری اراضی و 13 زیرمعیار شامل، فاصله از منابع آب سطحی، فاصله از منابع آب زیر زمینی، اقلیم، سرعت باد، شیب، ارتفاع، فاصله از گسل های اصلی، زمین شناسی، بافت خاک، فاصله از مناطق حفاظت شده، فاصله از جاده ها، فاصله از مناطق ساخته شده شهری و کاربری اراضی، جهت انجام این پژوهش انتخاب شدند. به منظور انجام مقایسات زوجی معیارها و زیرمعیارها، از روش پرسشنامه و نرم افزار ExpertChoice و جهت استاندارد سازی و روی هم گذاری نقشه ها نیز از نرم افزار ArcGIS استفاده شده است. نتایج نشان داد حدود 24% از اراضی شهرستان بم دارای توان اکولوژیکی متوسط جهت استقرار کاربری توسعه شهری می باشند. با توجه به نتایج بدست آمده از روش ها و تکنیک های مورد استفاده در این پژوهش و مقایسه با پژوهش های مشابه می توان بیان کرد که استفاده و تلفیق روش های تصمیم گیری چند معیاره، منطق فازی و سامانه اطلاعات جغرافیایی می تواند ابزار لازم و کافی جهت تعیین مناطق مناسب استقرار کاربری توسعه شهری را فراهم و تحلیل دقیقی از این مناطق را با توجه به خصوصیات منطقه جهت برنامه ریزی های آتی ارایه دهد. با توجه به نتایج بدست آمده می توان بیان کرد به دلیل شرایط خاص منطقه و پتانسیل لرزه خیزی بالا ناشی از وجود شبکه گسلی و عوامل زمین ساخت، منطقه مطالعاتی از پتانسیل متوسطی جهت استقرار کاربری توسعه برخوردار است.

    کلیدواژگان: توسعه پایدار شهری، تناسب اکولوژیکی، سامانه اطلاعات جغرافیایی، تحلیل سلسله مراتبی، منطق فازی، بم
  • ارزیابی شاخص های مبتنی بر سنجش از دور در پایش خشکسالی شهرستان نی ریز
    محمد شعبانی* صفحات 131-147

    پیشینه و هدف:

     اطلاع از میزان و شدت خشکسالی در یک منطقه و برنامه ریزی جهت کاهش اثرات آن یکی از مهم ترین اصول مبارزه با خشکسالی است. پایش و مدیریت خشکسالی در یک منطقه با استفاده از داده های سنجش از دور و تصاویر ماهواره ای به عنوان یک ابزار مناسب در پایش زمانی و مکانی خشکسالی کشاورزی می باشد. هدف از انجام این پژوهش بررسی کارآیی داده های سنجش از دور و تصاویر ماهواره ای در پهنه بندی خشکسالی کشاورزی در سال های 1379 تا 1400 در شهرستان نی ریز است. برای این منظور سه شاخص وضعیت پوشش گیاهی (VCI)، شاخص وضعیت دمایی (TCI) و شاخص سلامت پوشش گیاهی (VHI) از روی تصاویر ماهواره ای مودیس برای برای دوره زمانی مورد نظر استخراج و نتایج حاصل از این شاخص ها با مقادیر شاخص بارش استاندارد (SPI)، در دوره های زمانی 1، 3 6، 9، 12، 18، 24 و 48 ماهه مقایسه گردید.

    مواد و روش ها:

     منطقه مورد مطالعه در این تحقیق  شهرستان نی ریز  واقع در جنوب شرق استان فارس با وسعت 10787 کیلومتر مربع و جزء یکی از زیرحوزه های آبخیز دریاچه بختگان محسوب می گردد. متوسط ارتفاع منطقه 1798 متر، حداکثر ارتفاع منطقه 3235 متر و حداقل ارتفاع 1476 متر از سطح دریا می باشد. متوسط بارندگی، درجه حرارت و تبخیر و تعرق سالانه حوزه به ترتیب 204.8 میلی متر، 19 درجه سانتی گراد و 1058.3 میلی متر می باشد. در این تحقیق از داده های بارندگی ایستگاه سینوپتیک نی ریز در طول دوره آماری 22 ساله (1400-1379)  برای محاسبه شاخص بارش استاندارد (Standardized Precipitation Index, SPI) در دوره های زمانی 1، 3، 6، 9، 12، 18، 24 و 48 ماهه استفاده شد.  سپس 3 شاخص مبتنی بر تصاویر ماهواره ای شامل شاخص وضعیت پوشش گیاهی (Vegetation Condition Index, VCI)، شاخص وضعیت دمایی (Temperature Condition Index, TCI) و شاخص سلامت گیاه (Vegetation, VHI Healthy Index) از روی داده های سنجده مودیس برای ماه اردیبهشت ماه از سال 2008 تا 2021  استخراج و با مقادیر شاخص بارش استاندارد (SPI)  در دوره های زمانی 1، 3 6، 9، 12، 18، 24 و 48 ماهه بر اساس ضریب همبستگی پیرسون مقایسه گردید. در نهایت مناسب ترین شاخص خشکسالی مبتنی بر تصاویر ماهواره ای از بین شاخص ها انتخاب و درصد طبقات خشکسالی بر اساس شاخص منتخب در منطقه مورد مطالعه مشخص شد.

    نتایج و بحث:

     محاسبه مقادیر شاخص SPI با استفاده از نرم افزار شاخص های خشکسالی (Drought Indices Package, DIP) در دوره های زمانی 1، 3، 6، 9، 12، 18، 24 و 48 ماهه در دوره آماری 1400-1379 نشان داد که روند منحنی ها در بعضی سال ها کاهشی و در بعضی سال ها افزایشی و در اغلب سال ها تقریبا نرمال بوده است. بطور میانگین درصد وقوع خشکسالی ها و ترسالی ها بر اساس شاخص SPI در دوره های زمانی مختلف در طول دوره آماری 68 درصد در شرایط نرمال، 18 درصد در شرایط ترسالی و 16 درصد در شرایط خشکسالی قرار دارد. نتایج حاصل از محاسبه شاخص SPI در دوره های زمانی مختلف بر اساس داده های ایستگاه های سینوپتیک و داده های سنجش از دور مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار گرفت. بدین منظور مقادیر حاصل از تمامی شاخص های مبتنی بر تصاویر ماهواره ای شامل VCI، TCI و VHI استخراج  و اقدام به مقایسه و بررسی ضریب همبستگی آن ها با شاخص زمینی SPI در دوره های زمانی 1، 3، 6، 9، 12، 18، 24 و 48  گردید. مقادیر شاخص VCI در سال 1387 دارای کمترین مقدار (1/32 درصد) و در سال 1399 دارای بیشترین مقدار (41.3 درصد) در طول اردیبهشت ماه می باشد. بنابراین بر اساس مقدار شاخص VCI در طول دوره آماری در سال 1387 شرایط خشکسالی شدید در منطقه حاکم بوده و در سال 1399 پوشش گیاهی مطلوب تر و شرایط ترسالی بر منطقه حاکم بوده است. نتایج به دست آمده از شاخص SPI در دوره های زمانی مختلف نیز موید این نکته است که شدیدترین خشکسالی و ترسالی در طول دوره آماری مورد مطالعه به ترتیب در دو سال 1387 و 1399 در منطقه رخ داده است. علاوه بر این شاخص VCI بیشترین همبستگی با شاخص SPI در دوره های زمانی مختلف دارد و با همه دوره های زمانی SPI رابطه معنی داری دارد. شاخص TCI همبستگی معنی دار با هیچ یک از دوره های زمانی ندارد و رابطه همبستگی ضعیفی با شاخص SPI در دوره های زمانی مختلف دارد. علاوه بر این شاخص VHI تنها با دوره های زمانی یک، سه، شش و دوازده ماهه همبستگی معنی دار در سطح  پنج درصد دارد و میزان همبستگی آن با شاخص SPI در دوره های زمانی مختلف به مراتب کمتر از شاخص VCI است. توزیع مکانی شدت خشکسالی براساس مقادیر شاخص های مورد مطالعه در اردیبهشت ماه 1387  نشان داد که قسمت های شرقی منطقه که در ارتفاعات پایین نیز قرار دارد بیشتر تحت تاثیر خشکسالی قرار گرفته است. بررسی مساحت تحت تاثیر طبقات خشکسالی بر اساس شاخص TCI در سال 1387 نشان داد که در منطقه مورد مطالعه خشکسالی بسیار شدید و شدید وجود ندارد، 11درصد منطقه دچار خشکسالی متوسط، 22 درصد سطح دچار خشکسالی خفیف و 67 درصد نیز فاقد خشکسالی می باشد. بر اساس شاخص VCI در تاریخ مورد نظرسطح خشکسالی بسیار شدید 0.14 درصد، شدید 0.33 درصد، متوسط 17 درصد، خفیف 77 درصد و فاقد خشکسالی 6 درصد است. همچنین  بر اساس شاخص VHI خشکسالی بسیار شدید و شدید و خفیف در منطقه مورد مطالعه وجود ندارد و  فقط  9 درصد سطح منطقه دچار خشکسالی متوسط و 91 درصد نیز فاقد خشکسالی می باشد. توزیع مکانی شدت خشکسالی بر اساس مقادیر شاخص های مورد مطالعه در اردیبهشت ماه 1399 نشان می دهد که  در منطقه مورد مطالعه بر اساس شاخص TCI در تاریخ مورد نظر خشکسالی بسیار شدید و شدید وجود ندارد و 5 درصد سطح منطقه دارای خشکسالی متوسط، 22 درصد خشکسالی خفیف و 73 درصد نیز فاقد خشکسالی می باشد. بر اساس شاخص VCI در تاریخ مورد نظر درصد خشکسالی بسیار شدید 0.5 درصد،  شدید 0.8 درصد، متوسط 5 درصد، خفیف 31 درصد و فاقد خشکسالی 62 درصد است. همچنین بر اساس شاخص VHI در اردیبهشت ماه 99  مقدار 0.2 درصد سطح منطقه دارای خشکسالی متوسط، 30 درصد دارای خشکسالی خفیف و 69 درصد نیز فاقد خشکسالی است بر اساس این شاخص خشکسالی بسیار شدید و شدید در منطقه وجود ندارد.

    نتیجه گیری:

     پدیده خشکسالی یکی از مهم ترین بلایای طبیعی است که هرساله میلیون ها نفر از جمعیت جهان و قسمت های عظیمی از آن را مورد حمله خود قرار می دهد. این پدیده که به صورت آرام شروع و ماهیتی خزنده دارد می تواند باعث ایجاد خسارت های فراوان در بخش های کشاورزی و منابع طبیعی و محیط زیست گردد. اطلاع از نحوه وقوع و تهیه نقشه های شدت خشکسالی بر اساس روش های نوین و جدید تاثیر بسیار مثبت و جدی در مدیریت خشکسالی در یک منطقه دارد. یکی از روش های جدید و پرکاربرد در پایش زمانی و مکانی خشکسالی استفاده از شاخص های خشکسالی مبتنی بر تصاویر ماهواره ای است که اخیرا نیز در مباحث مربوط به خشکسالی از آن استفاده می شود. نتایج حاصل از تحلیل شاخص SPI نشان داد که در اکثر  دوره های زمانی شدیدترین خشکسالی و ترسالی در طول دوره مورد مطالعه به ترتیب در سال های 1387 و 1399 رخ داده است. همچنین نتایج نشان داد که شاخص TCI همبستگی معنی دار با هیچ یک از دوره های زمانی ندارد و همبستگی ضعیفی با شاخص SPI در دوره های زمانی مختلف دارد. شاخص VHI با دوره های زمانی یک، سه، شش و دوازده ماهه همبستگی معنی دار در سطح پنج درصد دارد و همبستگی آن با شاخص SPI در دوره های زمانی مختلف کمتر از شاخص VCI است. مقدار شاخص VCI در سال 1387 دارای کمترین مقدار (32.1 درصد) و در سال 1399 دارای بیشترین مقدار (41.3 درصد) در طول ماه اردیبهشت بوده است که با نتایج به دست آمده از شاخص SPI در منطقه مطابقت دارد. از طرفی این شاخص بیشترین همبستگی با شاخص SPI در دوره های زمانی مختلف دارد که همبستگی آن در سطح یک درصد معنی دار است و به عنوان شاخص ماهواره ای مناسب جهت پایش زمانی و مکانی خشکسالی در شهرستان نی ریز انتخاب می گردد. مقایسه نتایج حاصل از این تحقیق با نتایج تحقیقات دیگر محققان، نشان از دقت بسیار خوب شاخص های سنجش از دور در پایش خشکسالی دارد. بنابراین استفاده از فن آوری سنجش از دور در پایش خشکسالی در مناطقی که فاقد ایستگاه های هواشناسی یا دارای ایستگاه های هواشناسی با تراکم کم یا به صورت پراکنده هستند پیشنهاد می گردد.

    کلیدواژگان: خشکسالی، سنجش از دور، شاخص بارش استاندارد، نی ریز
|
  • Monitoring Bakhtegan wetland using a time series of satellite data on the Google Earth Engine platform and predicting parameters with Facebook’s Prophet model
    Mohsen Dastaran, Shahin Jafari, Hossein Moslemi, Sara Attarchi *, Seyed Kazem Alavipanah Pages 1-20
    Background and Objective

     Wetlands are habitats for vegetation and wildlife and because of this, they have a high environmental value. Also, wetlands reduce soil erosion, restore aquifers, store rainwater in a flood event, and provide water for agriculture or livestock. Wetlands are vulnerable to human interventions and changes such as drainage, urban sprawl, infrastructure development, and over-exploitation of groundwater resources. Prediction of the condition of wetlands in the future requires a correct understanding of the evolution of wetlands and identifying their trend of change. Nowadays, Remote Sensing technology is widely used for mapping wetlands, and its ability to monitor the changes in wetlands regardless of the diversity of wetlands has significantly increased the value of this science in this field. Remote Sensing can be an effective means of simulating and predicting wetland degradation processes by providing images at different times and through dynamic spatial modeling. In this study, the changes in the Bakhtegan wetland have been monitored. This wetland has high environmental and tourism importance and its drying affects negatively the living conditions and health of local people as well as tourism in the region. In addition, predictions of precipitation parameters, groundwater level, and temperature have been conducted. For this purpose, the Google Earth Engine platform was used to capture and process images. Google Earth Engine is a platform that can capture and process images in the shortest time and at high speed. In this regard, using Google Earth Engine, changes in the lake water area along with changes in temperature, groundwater level, and precipitation were extracted and monitored. Moreover, a comparison took place between these parameters to determine the changes that have taken place in the lake over the past two decades. To predict the parameters, the changing pattern was predicted and analyzed using the Prophet model. The most important advantage of the Prophet model is its ability to convert discrete data to continuous data to make the best predictions. This method automatically detects the trend of seasonal data and displays the trend of seasonal changes.

    Materials and Methods

     Satellite images were acquired from the Google Earth Engine platform to monitor the wetland. Landsat 7 and 8 images were used for water body extraction, GRACE Data were used for extraction of groundwater level changes, MODIS product was used for extraction of vegetation and wetland surface temperature, and TRMM image product was used to extract precipitation values. An automated water extraction index was used to extract the wetland body water. The groundwater level was extracted from the GRACE sensor. MODIS sensor product was used to obtain the surface temperature time series for the study area. For the extraction of precipitation time series, the monthly cumulative data of the TRMM (3B43V7) satellite with a spatial resolution of 0.25°C was extracted using Google Earth Engine and the trend of changes was evaluated and analyzed. The Mann-Kendall test is one of the most widely used non-parametric tests for detecting meteorological and environmental data trends, which is used to detect a monotonic trend line since this test is a non-parametric method, it does not need that the data follow a normal distribution. The Prophet predictive model is a predictive library developed by Facebook and is available in R and Python programming languages. This library supports additive modeling methods and can properly predict discrete values continuously. This feature is called "Holiday". Another feature of this library is the automatic detection of daily, weekly, seasonal and annual trends. The mean absolute error (MAE), by default, exists in the Prophet library. This error represents a more natural standard than the mean error and unlike the RMSE error, it is unambiguous.

    Results and Discussion

     In the present study, we monitored the Bakhtegan wetland using the Google Earth Engine platform to observe the trend of water level changes in this wetland from 2000 to 2020. In addition, Parameters were also predicted using the Prophet Prediction method which is developed and published by Facebook. By examining this trend, it can be observed that the water level of the wetland has been significantly reduced during two decades. In this regard, the trend of groundwater level, temperature, and precipitation in the area was investigated. Examining these factors, it was found that along with a 58.3% decrease in the water level of the wetland, there was a 260% decrease in the groundwater level of the region, although the amount of rainfall in the region has been less compared to other factors and has been decreased about 29%. Using Mann-Kendall statistical test, the trend of this decline was proved. To predict the parameters, the Prophet model has been able to make predictions for 1500 days as continuous data using discrete data. The output of the model has shown that for rainfall parameters and groundwater level a downward trend is predictable over the next 1500 days which is low intensity for precipitation but with high intensity for groundwater level. Temperature prediction indicated that it has a seasonal trend, and has a high amount of fluctuation within a year, but its annual trend indicates stability in the coming years. The results of the model for the water level of the wetland also show a relatively low upward trend that has a probability of change of ±12.5 Square kilometers. Also, the error of the parameters at the 95% significant level has acceptable accuracy, which indicates the validity of the prediction. An automated water extraction index was used in this study to extract the time series of the water body of the wetland. Using the mean time series extracted, the maximum and minimum wetland’s water body area belongs to 2006 with 629.23 square kilometers and 2014 with 156.82 square kilometers, respectively. The time series of changes in this wetland indicates that the water volume of the wetland has been declining in the last two decades. According to this study, it can be concluded that the trend of changes in the water level of the wetland has been decreasing. The descending changes in the lake based on the trend of changes in groundwater levels indicates a decrease in water volume in the area. Considering that the trend of precipitation changes has been stable, it can have assumed that improper management and excessive use of groundwater may be a reason for lowering the water level of the wetland. Due to the same decrease in the water level of the lake, the temperature has also decreased by about 3°C.

    Conclusion

     According to this study, it can be concluded that groundwater levels and precipitation will have a downward trend in the future, which will lead to a decrease in the water level of the wetland, which itself has the potential to fluctuate in the future, and the downward trend continues. With the current trend, the only solution is to plan properly to preserve the wetland. If this trend continues, we will face the destruction of the wetland. Given the monthly trend of the wetland surface, it is suggested not to over-exploit groundwater resources, especially in the summer. For further research, the Google Earth Engine platform can be used without the need to download the images and spend a lot of time and money, to obtain the time series of images. Regarding the prediction, in future studies, the Prophet model can be applied, since it uses discrete data and at the same time provides the desired accuracy.

    Keywords: Bakhtegan wetland, Prophet prediction model, Mann-Kendall test, Google Earth Engine
  • Monitoring land use changes and its relationship with land surface temperature and vegetation index in the southern areas of Ardabil province (Case study: Kiwi Chay catchment)
    Shirin Mahdavian, Batool Zeinali *, Bromand Salahi Pages 21-48
    Background and Objective

     Irregular and unplanned urban expansion is known as urban sprawl and is characterized by low-density, transport-driven development, spreading out over large swathes of land towards the fringes of established urban centers. It is generally held that morphological modification of the urban landscape results in rising urban temperatures and the urban heat island (UHI) phenomenon. The biophysical properties of the urban space are determinants of the local urban climate. When there is significant alteration such as the replacement of vegetation and evaporating surfaces with impervious surfaces, the surface energy budget experiences fluxes which leads to warming at the local scale. Most scientists believe that the Earth's temperature has been rising since the 19th century. Meanwhile, a phenomenon called heat island in metropolitan areas (UHI) has caused a faster rise in temperature in these micro-climates, and in the coming years, the rapid urbanization trend will also increase the slope of temperature rise in cities. According to statistics provided by the United Nations, by 2025, more than 80% of the world's population will live in cities, and this will worsen the situation as cities become warmer. Surface temperature (LST) is one of the most important environmental parameters that is affected by land use change. The purpose of this study is to analyze the land use change in the two periods of 1987 and 2019, to estimate and study the changes in LST and NDVI in the same period, and to analyze the impact of land use change in LST and NDVI and the relationship between all three parameters.

    Materials and Methods 

    In this study, Landsat 8 satellite images were used from the OLI sensor to extract the land use map and vegetation index, and the TIRS sensor was used to extract ground surface temperature for 2019 also Landsat 5 OLI sensor image was used to prepare land use map and vegetation index. Using visible, near-infrared, and infrared bands, the TM sensor was used to extract the surface temperature using thermal bands for 1987. Ecognition software was used to classify the object. Error matrices and related statistics (overall accuracy, kappa coefficient, user and Producer accuracy of each class) were used to evaluate the classification accuracy. Finally, Pearson correlation analysis was used to analyze the correlation between LST and NDVI, and the Contribution index was used to evaluate the impact of land use on surface temperature.

    Results and Discussion

     Investigating land use changes and their relationship with land surface temperature and vegetation index requires determining the type of land use and accurate estimation of land surface temperature and vegetation index. Preparing a satisfied land use map using Landsat satellite images and applying the object classification method Oriented has a relatively high accuracy. The accuracy of land use map classification in 1987, 82.5, and in 2019, 96.1 shows the high accuracy of the land use classification method and land use map. The study of land use changes in 1987 and 2019 in the Givi Chay catchment showed that rangeland use with an area of 1224.18 and 10469.59 square kilometers is the dominant land use, while in 1987, residential use with an area of 66.63 square kilometers and in 2019, water use with an area of 3.77 square kilometers had the lowest area. Also, the most modified use of rangeland use was dryland agriculture (181 square kilometers), which indicates the destruction of rangelands. The results of surface temperature during the 33-year period were evaluated which showed that the average surface temperature in 1987 from 28.39 °C to 38.86 °C and in 2019 from 34.35 °C to 46.62. The temperature has increased so that the average temperature of the whole study area in 33 years has increased by about 7.11 degrees Celsius. This indicates the urban development in the study area. The highest temperature recorded in both periods belongs to dryland agricultural use (38.86 and 46.62 ° C, respectively), which indicates the concentration of heat in these areas. Dryness and harvest at this time can be the main cause of high temperatures of this use. Garden, forest, and water uses showed lower surface temperatures in both periods than other uses. Vegetation areas due to evapotranspiration have a temperature-moderating role and have areas with a minimum temperature in both periods. Water use also has a great effect on reducing the temperature due to its high heat capacity. The use of residential areas compared to rainfed and pasture agricultural uses showed a lower temperature, which can be due to the existence of parks, and gardens that cause evaporation and cooling of the city, as well as factors such as roofing, felt in The reflection of radiant energy has a great share. Rangeland use had high temperatures (36.57 and 44.81 °C, respectively) in both years under study. The reason for the high temperature of this land, according to the study season, which is late June and early July, is an increase in areas free of vegetation or vegetation that is small and scattered. There was also a large negative correlation between LST and NDVI in the two study periods. Rainfed and rangeland agriculture with higher LST have lower NDVI, while vegetation and water have higher NDVI. Aquatic agricultural use, which was mostly observed in the areas around the Givi Chai River, showed lower temperatures due to the presence of moisture and evapotranspiration due to vegetation density. In the study area, suburban areas (gardens) and irrigated arable lands along the Givi Chai River and forests have the highest amount of vegetation index (NDVI) due to their relatively high green biomass, while irrigated areas, rainfed lands, Residential areas, and pastures have the lowest vegetation index. The results of vegetation index analysis for each land use class showed that forests, rainfed agriculture, and rangelands with the highest LST values and the lowest NDVI values while the lowest LST values and higher NDVI values were observed in forest and garden classes. Replacement of vegetation and forests with residential areas causes the conversion of wet soils to impenetrable surfaces, which leads to reduced surface evaporation. Absorbed solar radiation is converted to heat and reflected with higher values of LST. Increased vegetation has reduced the earth's surface temperature, and this is due to the fact that more vegetation leads to more evapotranspiration and transfer of part of the temperature and cooling of the earth's surface. Finally, the calculation of the participation index for each land use class in 1987 and 2019 showed that dryland agricultural use in 1987 and rangeland use in 2019 had the largest share in increasing surface temperature in the study area. According to the time of the selected images, the main reason for this participation can also be attributed to the time of harvest of dryland agricultural products and drying of pastures.

    Conclusion

     The results confirm the increase in surface temperature between different land use classes. Rangeland and dry agricultural uses showed higher LST values compared to forests and irrigated agriculture and water areas. High-temperature areas also had low NDVI values. Conversely, low-temperature areas such as vegetation and water had higher NDVI values. In addition, a high negative correlation was observed between LST and NDVI in both study periods. It has also been shown that rangeland and irrigated agriculture have a positive effect on LST, while forests and water have a cooling or moderating effect.

    Keywords: land use, Land surface temperature (LST), Normalized differential vegetation index, contribution index
  • Fire risk zoning in urban areas using logistic regression method (Case study: Kashan city)
    MohammadAmin Vakilalroaya, Saeed Malmasi *, Mojgan Zayeem Dar, Mahnaz Mirza Ebrahime Tehrani Pages 49-67
    Background and Objective

     Fire risk management is a global issue, and urban safety policies must take it seriously. One of the fields of research for controlling urban fires is to identify critical fire points in the region; Insufficient knowledge of these points will cause the occurrence and spread of fire in various areas and uses, delays in controlling it, and causing financial losses and personal injury as well as environmental pollution. Fire risk zoning with the aim of being used in planning and management in urban fire control has not been considered in the study area of this research and no research has been done in this field in the form of research and study plan. The purpose of this study is to determine and identify the criteria for fire risk zoning in the study area, to create a fire risk map based on the logistic regression method and compliance with the fire reality map, and also to present fire management programs and fire crisis management in Kashan.

    Materials and Methods

     The steps and techniques used in this study were performed in six steps. The first step is to identify the effective criteria and indicators. Using library studies, information obtained from authoritative articles, and also through the Delphi method in order to collect the opinions of experts, the Likert scale was used. In the second step, the screening of criteria was done in accordance with the purpose. The effective criteria in this study are vulnerable factors including (population density, industrial units, commercial-warehouse, high-rise buildings, old tissue, and fuel station) as well as the capacity of reducing factors. (Fire station, roads, and hydrant valves). In the next step, the layers were standardized using fuzzy logic. At first, the distance function was performed on the criteria in SELVA IDRISI to determine the distance from each phenomenon. Then, by the fuzzy method, all the criteria determined in the range of zero to 255 were standardized. The type of function used in the fuzzy logic approach is linear, and the selection of the function type and thresholds was based on a review of sources and expert opinion. In order to analyze the spatial relationship between fire incidents that occurred in the city and the role of effective factors in its occurrence, all fire points of the last 10 years in the city from 2010 to 2020 were extracted and turned into a raster map. In the fifth step, a Fire hazard map was prepared using logistic regression. After determining the validity of the logistic regression model using the specified indicators, the fire risk zoning map of Kashan was drawn. In the last step, Chi-Square, ROC, and Pseudo R Square were used to validate the logistic regression model.

    Results and Discussion 

    Advantages of using the logistic regression model In addition to modeling observations, it is possible to predict the probability of each person belonging to each of the levels of dependent variables and the possibility of directly calculating the odds of variables using the maximum likelihood of maximum model coefficients. Also, compared to other statistical techniques, multivariate such as multiple regression analysis and diagnostic analysis, the dependent variable can have only two variables, one is the probability of an accident and the other is its non-occurrence. In order to analyze the spatial relationship between fire incidents that occurred in the city and the role of effective factors in its occurrence, all fire points of the last 10 years in the city from 2010 to 2020 were extracted and turned into a raster map. The output of the logistic regression model has coefficients between 0 and 1, with a probability higher than 0.5 of a value of one (occurrence of fire) and a probability of less than 0.5 of a value of zero (no occurrence of fire) and thus a boolean map of risk is generated. This logarithmic change causes the predicted probability to be continuous in the range of 0 to 1, and the output of the model to be presented as a spatial prediction map of the probability of destruction. Then, in the logistic regression equation, this layer was introduced as a dependent variable and the effective parameters in fire zoning were introduced as an independent variable. After entering the data into the logistic regression statistical model, model coefficients were extracted using effective parameters in IDRISI software. After determining the validity of the logistic regression model using the specified indicators, a fire risk zoning map of Kashan was drawn. Finally, in terms of fire risk potential, the study area was divided into 5 classes: very low, low risk, medium, very high, and high risk. The area of each of the 5 classes was obtained in hectares and the percentages were 87475.47, 4669.03, 132115, 1116.33, 788.96 hectares, and 90.94, 4.85, 2.19, 1.16, 0.82 percent, respectively.

    Conclusion

     The value of 0.95 obtained from ROC indicates a very high correlation between the independent and dependent variables. The value of the qi index is twice equal to 110836.07; Since its value is much higher than the threshold value, then the null hypothesis of all coefficients is also rejected. The value of the PR2 test in this study was 0.47, so the logistic regression model had an acceptable fit.

    Keywords: Fire risk zoning, Fuzzy, Logistic regression, spatial relationship analysis, Validation
  • Efficiency of mangrove indices in mapping some mangrove forests using Landsat 8 imagery in southern Iran
    Yousef Erfanifard *, Mohsen Lotfi Nasirabad Pages 68-86
    Background and Objective 

    Mangrove 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 Methods

     Previous 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 Discussion

     The 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.

    Conclusion

     In 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
  • Drought prediction and modeling by hybrid wavelet method and neural network algorithms
    Jahanbakhsh Mohammadi, Alireza Vafaeinezhad *, Saeed Behzadi, Hossein Aghamohammadi, Amirhooman Hemmasi Pages 87-111
    Background and Objective 

    A drought crisis is a dry period of climate that can occur anywhere globally and with any climate. Although this crisis starts slowly, it can have a serious impact on health, agricultural products, the economy, energy, and the environment for a long time to come. Drought severely threatens human livelihood and health and increases the risk of various diseases. Therefore, modeling and predicting drought is one of the most important and serious issues in the scientific community. In the past, mathematical and statistical models such as simple regression, Auto-regression (AR), moving average (MA), and ARIMA were used to model the drought. In recent years, machine learning methods and computational intelligence to model and predict drought have been of great interest to scientists. Computational intelligence algorithms that have been previously considered by scientists to model drought include multilayer perceptron neural network, RBF neural network, support vector machine, fuzzy, and ANFIS methods. In this research, the purpose of modeling and predicting drought is by using three neural network algorithms, including multilayer perceptron, RBF neural network, and generalized regression neural. The drought index used in this research is the standardized precipitation index (SPI). In this research, the wavelet technique in combination with artificial neural network algorithms for modeling and predicting drought in 10 synoptic stations in Iran (Abadan, Babolsar, Bandar Abbas, Kerman, Mashhad, Rasht, Saqez, Tehran, Tabriz, and Zahedan) have been used in different climates and with suitable spatial distribution throughout Iran.

    Materials and Methods 

    This study, initially using monthly precipitation data between 1961 and 2017, SPI drought index in time scales of 3, 6, 12, 18, 24, and 48 months through programming in soft environment MATLAB software implemented. The results of this step were validated using the available scientific software MDM and Drinc. Then, prediction models were designed using the Markov chain. In this study, a total of six computational intelligence models, including three single models of multilayer perceptron neural network (MLP), radial basis function neural network (RBF), and generalized regression neural network (GRNN), and three hybrids wavelet models with these three models (WMLP-WRBF-WGRNN) have been used to model and predict the SPI index in 10 stations of this research. In implementing all these six models, the MATLAB software programming environment has been used. In this study, four types of discrete wavelets were used, including Daubechies, Symlets, Coiflets, and Biorthogonal. Due to the better performance of the Dobbies wavelet, this type of wavelet was used as a final option in the research. In the Daubechies wavelet used between levels 1 to 45, level 3 showed the best performance among different SPI time scales; therefore, the Daubechies level 3 wavelet was used in all hybrid models of this study. After training all six algorithms used, the evaluation criteria of coefficient of determination (R2) and root mean square error (RMSE) was used to measure the difference between actual and estimated values.

    Results and Discussion 

    The results of this study showed that computational intelligence methods have high accuracy in modeling and predicting the SPI drought index. In the first stage, the results showed that the individual MLP, RBF, and GRNN models, if properly trained, have close results in modeling and predicting the SPI drought index. In the next step, it was observed that the wavelet technique would improve the modeling results. In using the wavelet technique in combination with three single models MLP, RBF, and GRNN, the choice of wavelet type is also more effective in modeling, so in this research, the first of the four types of discrete wavelets Daubechies, Symlet, Qoiflet, and Biorthogonal in combination with Three single models of this research were used and the results of these four types of wavelets showed the relative superiority of the Daubechies wavelet over the other three wavelets. In using the Daubechies wavelet, since this wavelet has 45 times and the choice of order was also effective in modeling, it was observed by testing the wavelet 45 times that the 3rd wavelet, in general, has higher accuracy in all time scales of SPI index, 3, 6, 12, 18, 24 and 48 months and also in all three algorithms MLP, RBF, and GRNN. Therefore, in this research, the third-order Daubechies wavelet was used in all three algorithms of this research, as well as in all time scales. The results showed that combining the wavelet technique with all three models MLP, RBF, and GRNN will improve the results. The research graphs showed that for the quarterly time scale, the values obtained from the single model prediction in MLP and RBF modeling have a somewhat one-month phase difference compared to the hybrid model, while in the GRNN model, this prediction difference is negligible. The modeling results for both single and hybrid modeling modes indicate that there is no phase difference between the single and hybrid modeling methods in time scales of 6, 12, 18, 24, and 48. For the 12- and 24-month time scales, the single GRNN model had more fluctuations and errors in SPI monthly modeling and forecasting, while the hybrid model in these two-time scales had much better behavior in monthly modeling and forecasting. Distribution diagrams of data related to observational SPI of Abadan station showed that the modeling results for single and hybrid modes in 3 and 6-month time scales are less accurate than other time scales and fit line separation, and its uncertainty is higher than others. However, in all neural network models and in all time scales, the hybrid method has shown more accuracy. The numerical results of the study indicate that in all SPIs and stations under study, the differential values of R2 are positive, which indicates higher values of R2 in the hybrid model than in single neural network modeling, which indicates an improvement in hybrid modeling compared to individual models. Also, the differential values of RMSE are negative in all studied models and stations, which indicates that the amount of RMSE in predicting hybrid models is lower than individual neural network models. In the research graphs, it can be seen that the amount of differences in RMSE and R2 indicates a greater difference in time scales 3 and 6 than the time scales 12, 18, 24, and 48, which somehow goes back to the nature of the data of these time scales. The most significant improvement in R2 and RMSE is from the 3-month low to the 48-month high, respectively.

    Conclusion

     From the findings of this study, it can be concluded that artificial neural network algorithms are efficient methods for modeling and predicting the SPI drought index. The use of wavelets in all three models of artificial neural networks will also improve the results. It can also be concluded that for better modeling of the SPI drought index, it is necessary to select the optimal wavelet type and order. From the results of this study, it can be concluded that the wavelet technique has a greater impact on the lower time scales, i.e., 3 and 6 months, than the higher scales, i.e., 24 and 48 months.

    Keywords: drought, Neural network, Standardized Precipitation Index (SPI), Multilayer Perceptron neural network (MLP), Radial base function (RBF), Generalized Regression Neural Network (GRNN)
  • Land suitability assessment model for urban development using Multi-Criteria decision-making approach and Geographic Information System (Case study: Bam)
    Pooya Farhani, Sahar Rezayan *, Mojgan Zaeimdar, Seyed Ali Jozi Pages 112-130
    Background and Objective

     In recent decades, with the acceleration of urbanization and the growth of migration to cities, the physical structure of cities has undergone extensive changes. To implement these changes, regardless of the ecological capacities and requirements of sustainable urban development, cities are facing many challenges. One of these challenges is determining the appropriate areas for the physical expansion of the city for the establishment of urban development. One of the most reliable methods to determine the appropriate directions and areas for urban development by considering environmental conditions and characteristics is the land suitability assessment. Such an assessment greatly contributes to sustainable land use and solving environmental problems caused by rapid urban development. Land suitability assessment aims to identify the most appropriate spatial pattern for future land uses considering the ecological potential of the area. Since many criteria need to be considered and analyzed in the selection of appropriate lands for urban development, it is necessary to use the most effective techniques to identify the best locations for future urban expansion. The Geographic Information System is such a technique, having its most useful application in the land suitability assessment method. In setting the importance of the criteria used and computing the weights of factors, GIS tools must be integrated with other methods to improve the results. Given that, the present study attempted to evaluate the land suitability to determine suitable areas for the establishment of urban development of Bam city through the integration of the Multi-Criteria Decision-Making approach, Fuzzy Logic, and Geographic Information System.

    Materials and Methods

     To achieve the objectives of this study, with the help of a group of experts, and an extensive review of the related literature, all the criteria and sub-criteria essential to the establishment of urban development were identified as the first step. To this end, a questionnaire was designed and distributed among the group of experts and they were asked to express their opinions on the identified criteria and sub-criteria. To determine the required sample size and population, Morgan’s sampling table was employed. Consequently, 9 criteria and 13 sub-criteria were selected for the land suitability assessment in this study.Multi-Criteria Decision-Making method and Expert-Choice software were used to compare and weigh the previously determined criteria and sub-criteria. As the next step, all the data layers were standardized by the fuzzy logic method using ArcGIS software. The scale of the maps used in this research is 1:100000 and the resolution of digital layers is 90×90 meters. After assigning calculated weights to each data layer, they were overlaid using the Weighted Linear Combination method and fuzzy sum technique.

    Results and Discussion 

    The results from MCDM analysis revealed that three sub-criteria namely distance from major faults, distance from drinking water wells, and soil texture had the highest weights among other factors at 0.235, 0.117, and 0.114, respectively. The inconsistency calculated for the pairwise comparison in this study was 0.07, which is below the 0.1 thresholds. Analysis of the final raster suitability map, resulting from overlaying data layers, showed that the highest and the lowest pixel values were 0.481 and 0.07, respectively. To perform a more accurate analysis, the final suitability map was classified into four suitability classes (medium, low, very low, and undevelopable) indicating that 24% of the studied area equivalent to 189965.2 hectares, categorized as having medium suitability, 34% low equivalent to 268854.3 hectares, 22% very low equivalent to 178695.7 hectares, and 20% undevelopable equivalent to 160762/3 hectares for the establishment of urban development. The medium suitable areas are mainly located in the east, northwest, and to a lesser extent in the center, mostly away from the major fault lines, while the areas of very low suitability and undevelopable are mainly located in the west and south of the area studied. Due to their proximityto protected areas, mountainous, fault lines, and hills, these areas do not demonstrate the appropriate suitability for the establishment of urban development.

    Conclusion

     This study was conducted to identify and determine suitable areas for the establishment of urban development in Bam city using a combination of the Multi-Criteria Decision-Making approach, Geographic Information System, and Fuzzy Logic technique. All the criteria and sub-criteria, used to conduct this study, have been determined using a questionnaire and considering the environmental conditions and socio-economic characteristics of the studied area. As a result, 9 criteria including water resources, climate, topography, geology, soil, areas under the Department of Environment Management, roads, population centers, and land use, and 13 sub-criteria including distance from surface and groundwater resources, climate, wind speed, slope, altitude, distance from the main faults, geology, soil texture, distance from protected areas, distance from roads, distance from built-up urban areas and land use were selected for this study. Expert Choice and ArcGIS software were employed for pairwise comparison and standardization and overlaying data layers. It was found that 24% of the studied area equivalent to 189965.2 hectares can be categorized as medium suitability for the establishment of urban development. Based on the final results, it is concluded that the integration of the Multi-Criteria Decision-Making approach, Fuzzy Logic, and Geographic Information System can provide sufficient tools to determine the areas suitable for urban development and present a detailed analysis of these areas according to the characteristics of the area for future planning.

    Keywords: Sustainable Urban Development, Land suitability, Geographic Information System, Analytical Hierarchy Process (AHP), fuzzy logic, Bam
  • Evaluation of indices based on remote sensing in drought monitoring of Neyriz city
    Mohammad Shabani * Pages 131-147
    Background and Objective 

    Knowing the extent and severity of drought in a region and planning to reduce its effects is one of the most important principles of management in regional planning to combat drought. Drought monitoring and management in an area using remote sensing data and satellite imagery as a suitable tool in temporal and spatial monitoring of agricultural drought has always been the focus of regional managers. The purpose of this study is to investigate the efficiency of remote sensing data and satellite images in the zoning of agricultural drought in the years 2000 to 2021 in Neyriz city. For this purpose, three vegetation condition index (VCI), temperature condition index (TCI), and vegetation health index (VHI) were extracted from MODIS satellite images for the desired time period. The results of these indices were compared with the values of the standard precipitation index (SPI) in time series of 1, 3, 6, 9, 12, 18, 24, and 48 months.

    Materials and Methods 

    The study area in this study is Neyriz city located in the southeast of Fars province with an area of 10787 Km2 and is part of one of the watersheds of Bakhtegan Lake. The average altitude of the region is 1798 meters, the maximum altitude of the region is 3235 meters and the minimum altitude is 1476 meters above sea level. The average annual rainfall, temperature, and evapotranspiration of the basin are 204.8 mm, 19 °C, and 1058.3 mm, respectively. In this study, the rainfall data of Neyriz synoptic station during the statistical period of 22 years (2000-2021) were used to calculate the SPI index in time series of 1, 3, 6, 9, 12, 18, 24, and 48 months. Then, 3 indices based on satellite imagery including vegetation condition (VCI), temperature condition index (TCI), and plant health index (VHI) were extracted from Modis measured data for May month from 2008 to 2021 and with standard precipitation index (SPI) were compared in time series of 1, 3, 6, 9, 12, 18, 24 and 48 months based on the correlation coefficient. Finally, the most appropriate drought index based on satellite images was selected from the indices and the percentage of drought classes was determined based on the selected index in the study area.

    Results and Discussion

     The results of calculating the values of the SPI index using DIP software in time series of 1, 3, 6, 9, 12, 18, 24, and 48 months in the statistical period of 2000-2021 showed that the trend of curves in some years is decreasing, in some years it has been increasing and in most years it has been almost normal. On average, the incidence of droughts and wetlands according to the SPI index in different time series during the statistical period is 68% in normal conditions, 18% in wet conditions, and 16% in drought conditions. The results of calculating the SPI index in different ground series were analyzed based on data from synoptic stations and remote sensing data. For this purpose, the values obtained from all indices based on satellite images including VCI, TCI, and VHI are extracted and compared and their correlation coefficient with the ground SPI index in time series 1, 3, 6, 9, 12, 18, 24, and 48 became. VCI index values in 2000 have the lowest value (32.1%) and in 2020 have the highest value (41.3%) during May. Therefore, based on the value of the VCI index during the statistical period in 2008, severe drought conditions prevailed in the region, and in 2020, more favorable vegetation and wetting conditions prevailed in the region. The results obtained from the SPI index in different time series also confirm the fact that the most severe drought and wet season during the statistical period studied in the two years 2000 and 2020, respectively, in the region. In addition, the VCI index is most correlated with the SPI index in different series and the SPI relationship is significant with the all-time series. TCI index has no significant correlation with any of the time series and has a weak correlation with the SPI index in different time series. In addition, the VHI index has a significant correlation with time series of one, three, six, and twelve months only at the level of 5% and its correlation with the SPI index in different time series is much less than the VCI index. Spatial distribution of drought intensity based on the values of the studied indices in May 2008 showed that the eastern parts of the region, which is also located at low altitudes, have been more affected by drought. The study of the area affected by drought classes based on the TCI index in 2008 showed that there is no very severe drought in the study area, 11% of the area suffers from moderate drought, 22% of the area suffers from mild drought and 67% has no drought. According to the VCI index, the level of severe drought on the date is 0.14%, severe at 0.33%, moderate at 17%, mild at 77%, and no drought at 6%. Also, according to the VHI index, there is no severe or severe drought in the study area only 9% of the area suffers from moderate drought and 91% does not have a drought. Spatial distribution of drought severity based on the values of the studied indices in May 2020 shows that in the study area according to the TCI index there is no very severe drought on the target date and 5% of the area has moderate drought, 22% drought Mild and 73% lack drought. According to the VCI index on the target date, the percentage of drought is very severe 0.5%, severe 0.8%, moderate 5%, mild 31%, and no drought 62%. Also, according to the VHI index in May 1999, 0.2% of the area has a moderate drought, 30% has a mild drought and 69% has no drought. According to this index, there is no very severe drought in the region.

    Conclusion

     Drought is one of the most important natural disasters that affect millions of people and large parts of the world every year. This phenomenon, which starts slowly and has a creeping nature, can cause a lot of damage to agriculture, natural resources, and the environment. Knowing how to occur and preparing drought severity maps based on new methods has a very positive and serious impact on drought management in an area. One of the new and widely used methods in temporal and spatial monitoring of drought is the use of drought indices based on satellite images, which has recently been used in drought-related topics. The results of the SPI index analysis showed that in most time series, the most severe drought and wet season during the study period occurred in 2000 and 2020, respectively. The results also showed that the temperature condition index (TCI) has no significant correlation with any of the time series and has a weak correlation with the SPI index in different time series. The plant health index (VHI) with time series of one, three, six, and twelve months has a significant correlation at the level of 5% and its correlation with the SPI index in different time series is less than the vegetation condition index (VCI). The value of the VCI index in 2008 had the lowest value (32.1%) and in 2020 had the highest value (41.3%) during May, which is consistent with the results obtained from the SPI index in the region. A comparison of the results of this study with the results of other researchers shows the excellent accuracy of remote sensing indices in drought monitoring. Therefore, the use of remote sensing technology in drought monitoring in areas that do not have meteorological stations or have meteorological stations with low density or scattered is recommended.

    Keywords: drought, remote sensing, Standard precipitation index, Neyriz