شاخص های پوشش گیاهی

ایران یکی از کشورهای خشک و نیمه خشک به شمار می رود که به خشکسالی دچار است. کمبود اطلاعات هواشناسی طولانی مدت در پهنه وسیعی از کشور یکی از بزرگ ترین مشکلات برای مشاهده و پیش بینی کوتاه مدت خشکسالی در ایران است. در این مقاله، با به کار بردن روش ماشین بردار پشتیبان (SVM) و با استفاده از داده های 42 ایستگاه سینوپتیک منتخب در ایران، عملکرد شاخص های پوشش گیاهی طیفی پهن باند NDVI، NDVI-DEV، VCI و TCI در پیش بینی خشکسالی بررسی شد. بدین منظور، از شاخص خشکسالی (SPI) برای بیان خشکسالی استفاده شد که نشان دهنده شدت و دوره خشکسالی، از سال 1985 تا 2008 است. شاخص های پوشش گیاهی یادشده از تصاویر سنجنده NOAA-AVHRR محاسبه و استخراج شدند. این شاخص ها، به صورت ورودی، به مدل SVM وارد شدند و مقادیر SPI را به دست دادند. با این روش، شاخص های TCI و NDVI، به ترتیب، دارای بالاترین و پایین ترین همبستگی با شرایط خشکسالی شناخته شدند

هدف از این پژوهش پایش خشک سالی مراتع استان اردبیل طی دوره رشد مرتع می باشد. بر این اساس از داده های بارش و دمای ماهانه 4 ایستگاه سینوپتیک استان اردبیل (اردبیل، خلخال، مشکین شهر و پارس آباد مغان) طی دوره آماری 2016- 1996، به منظور محاسبه شاخص خشک سالی فازی ( SEPI ) در 4 بازه زمانی 1، 3، 6 و 9 ماهه استفاده شد و همچنین از تصاویر ماهواره های لندست TM و OLI به منظور تهیه نقشه های طبقه بندی کاربری اراضی بر اساس مدل حداکثر احتمال و محاسبه شاخص های پوشش گیاهی NDVI ، EVI ، SAVI و LAI استفاده گردید. به جهت بررسی رابطه بین شاخص های موردمطالعه، از ضرایب همبستگی پیرسون ( R ) و ریشه میانگین مربعات خطا ( RMSE ) بهره گرفته شده است. نتایج حاصل از طبقه بندی نشان داد که وسعت مراتع استان اردبیل طی سال 1394 نسبت به سال 1377، هم در بخش مراتع قشلاقی و هم در بخش مراتع ییلاقی کاهش ملاحظه ای را نشان می دهد. بر اساس نتایج SEPI وضعیت خشک سالی طی سال های 1390 تا 1395 بیشتر از سایر دوره زمانی موردمطالعه می باشد. نقشه های پراکندگی پوشش گیاهی بر اساس الگوریتم طبقه بندی درخت تصمیم گیری و طبق شاخص NDVI برای ماه های موردمطالعه تهیه گردید. همچنین بر اساس نتایج به دست آمده از ارزیابی شاخص نشان داد که بالاترین همبستگی بین شاخص NDVI و شاخص SEPI 6 ماهه مشاهده می شود و کمترین ضریب میانگین مربعات خطا نیز بین شاخص SAVI و شاخص SEPI 6 ماهه وجود دارد ولی به طورکلی مناسب ترین شاخص برای پایش خشک سالی مراتع استان اردبیل شاخص NDVI و SEPI 6 ماهه می باشد.

فنولوژی، شاخصی کلیدی در رشد و نمو گیاهان است و نقشی مهم در نظارت بر پوشش گیاهی دارد. در این پژوهش، مراحل اصلی فنولوژی پرتقال شامل تشکیل جوانه برگ و میوه، شکفتن جوانه برگ و میوه، میوه دادن و برگ دادن، رشد میوه و برگ دادن، رسیدن میوه و سیکل خواب با استفاده از سنجش از دور بررسی شد. منطقه مطالعه شده، یک باغ پرتقال در کشور ایران در جنوب شرقی استان فارس و در فاصله 25کیلومتری شهر داراب در روستای فسارود است. بدین منظور داده های مشاهداتی شامل داده های فنولوژی و آب وهوایی در بازه زمانی ده ساله (1385 تا 1395) جمع آوری شد. نخست تصاویر سنجنده مودیس برای سال 1385 تا 1395 با توجه به داده های زمینی و نقشه های 1:25000 سازمان نقشه برداری زمین مرجع شدند. این تصاویر برای محاسبه شاخص های پوشش گیاهی سنجش از دوری شامل شاخص تفاضلی نرمال شده پوشش گیاهی (NDVI)، شاخص وضعیت پوشش گیاهی (EVI) و شاخص شرایط دمایی (TCI) استفاده شد. درنهایت در ارزیابی عملکرد شاخص های سنجش از دوری در مدل سازی مراحل فنولوژی، ضریب همبستگی میان این شاخص ها و داده های زمینی محاسبه شد. بیشترین مقدار ضریب همبستگی بین TCI وحداکثر دما برابر با 953/0 و کمترین ضریب همبستگی بین NDVI و حداکثر رطوبت برابر با 04/0 به دست آمده است. نتایج ضریب همبستگی حاکی است شاخص های به دست آمده از روش سنجش از دور با استفاده از تصاویر ماهواره ای به خوبی تغییرات مراحل اصلی فنولوژیکی را نشان می دهد؛ از سوی دیگر برمبنای این شاخص ها می توان بدون برداشت زمینی و مشاهده فیزیکی از روند تغییرات فنولوژی گیاه آگاه شد.

امروزه، تصاویر ماهواره ای فرصتی کم نظیر در بررسی تغییرات فنولوژی پوشش های گیاهی فراهم کرده است. تحقیق حاضر با هدف بررسی کارایی تصاویر رادار قطبی سنتینل - 1 در دو قطبش VV و  VHو تصاویر اپتیک (لندست- 8 و سنتینل- 2) برای پایش تغییرات فنولوژی گیاهی بر روی سه منطقه با شرایط محیطی و اکوسیستمی مختلف در جنوب و جنوب غرب ایران (نخل های منطقه شادگان، جنگل های حرا، و بیشه زار) در سال 2017 انجام گرفته است. نتایج تحقیق حاضر نشان داد که شاخص های طیفی گیاهی بهتر از ضرایب بازپخش راداری چرخه فنولوژی و پویایی فصلی پوشش های گیاهی را نمایش می دهند. اما، در عین حال، ضریب بازپخش راداری در قطبش VH نیز قابلیت مناسبی برای پایش تغییرات گیاهان نشان می دهد. تغییرات قطبش VH نسبت به قطبش VV با تغییرات شاخص های گیاهی شامل EVI، SAVI، و NDVI  تطابق بیشتری دارد. نتایج همچنین بیانگر این مطلب است که شاخص  SAVIو EVI نسبت به  NDVIروند مراحل اولیه فنولوژیکی را برای بیشه زارها و نخل های شادگان به واقعیت زمینی نزدیک تر نشان می دهد. درصورتی که ضرایب بازپخش راداری در قطبش VH تصاویر سنتینل- 1 تغییرات سالیانه جنگل های حرا را در مقایسه با شاخص های پوشش گیاهی کامل تر نمایش می دهد. به طور کلی، می توان گفت، تصاویر راداری توانایی جای گزینی در شرایط در دسترس نبودن تصاویر اپتیک را دارند.

مجموعه رادیومتر تصویربرداری مادون قرمز مرئی (VIIRS) یکی از ابزارهای کلیدی روی فضاپیمای سازمان ملی امریکا در مدار قطبی (Suomi NPP) است که با موفقیت در 28 اکتبر 2011 پرتاب شد که نسل جدیدی از قابلیت های تصویربرداری با وضوح متوسط عملیاتی پس از AVHRR  در NOAA، MODIS در ماهواره های Terra و Aqua را امکان پذیر می کند. VIIRS  نظارت عملیاتی محیطی و پیش بینی عددی آب وهوا با 22 باند تصویربرداری رادیومتریک با طول موج های 41/0 تا 5/12 میکرومتر را پوشش می دهند. به منظور آشکارسازی تأثیر بارش بر پوشش گیاهی استان لرستان، میانگین ماهانه شاخص استاندارد بارش SPI با استفاده از داده های بارش 7 ایستگاه هواشناسی استان محاسبه شد. سپس با استفاده از تصاویر مادون قرمز به صورت میانگین هفتگی در دوره زمانی 2021-2013 (اول آوریل تا پایان ژولای) اخذ شده از سنجنده Suomi NPP  به بررسی وضعیت پوشش گیاهی پرداخته شد. نتایج نشان داد میزان همبستگی شاخص استاندارد بارش با شاخص NDVI، VCI،TCI و VHI به ترتیب 0037/0، 0048/0، 174/0 و 150/0 است. شاخص TCI همبستگی بیشتری با شاخص SPI داشته و به عنوان یک روش ترکیبی از سنجش ازدور و اطلاعات ایستگاه های هواشناسی برای بررسی شرایط پوشش گیاهی در استان لرستان مناسب است. پوشش گیاهی همه ساله با درجات مختلفی از خشکسالی روبه رو بوده و شدیدترین خشکسالی پوشش گیاهی در 2021 در بیشتر مناطق استان به ویژه قسمت های مرکزی، جنوبی و شمال شرقی استان رخ داده است. در سال های  2013، 2015 و 2018 خشکسالی پوشش گیاهی با شدت کمتری رخ داده و در 2016،2018، 2019 و 2020 پوشش گیاهی در شرایط مطلوب تری قرار داشته است.

سابقه و هدف: پایش وضعیت فعلی جنگل کاری های موجود در تصمیمات مدیریتی برای توسعه جنگل کاری ها در آینده بسیار مهم است. این مطالعه به منظور پایش سطح، پراکنش و سلامت جنگل کاری ها در شهرستان لنگرود استان گیلان انجام شد. مدیریت پایدار عرصه های جنگل کاری های سنواتی در حال و آینده نیازمند مطالعاتی در مورد وضعیت جنگل کاری ها با تمرکز بر سلامت آنها است و مناطق جنگل کاری شده سالم می توانند عملکرد محیط زیستی بیشتری را در مقایسه با جنگل کاری های ناسالم داشته باشند. هدف این مطالعه تهیه نقشه و مساحی محدوده های جنگل کاری های شهرستان لنگرود با استفاده از برداشت های زمینی، نرم افزار جی پی اس اندروید (GFAMP) و سامانه گوگل ارث برای حفاظت، غنی سازی و توسعه جنگل کاری ها در آینده است. همچنین سلامت توده ها با استفاده از تصاویر سنجنده سنتینل2 و شاخص های پوشش گیاهی NDVI، TNDVI، SAVI و RVI ارزیابی می شود. مواد و روش ها: در این مطالعه، ابتدا برداشت های میدانی در قالب نقاط زمینی، از جنگل کاری های موجود انجام شد و نقشه پراکنش جنگل کاری ها با استفاده از برداشت های زمینی، نرم افزار جی پی اس اندروید (GFAMP) و سامانه گوگل ارث تهیه شد. سپس تصویر سنجنده سنتینل2 مربوط به فصل رویش در شهرستان لنگرود از سایت کوپرنیکوس تهیه شد. از تصاویر سنجنده سنتینل2، شاخص های پوشش گیاهی مختلف مانند NDVI، TNDVI، SAVI و RVI مربوط به فصل رویش استخراج شد و نقشه های آنها در محدوده جنگل کاری ها تهیه شد. در ادامه، میزان هر شاخص پوشش گیاهی، در نقاط برداشت های زمینی استخراج شد و میزان همبستگی مقادیر هر شاخص پوشش گیاهی (حاصل از تصاویر فصل رویش سنجنده سنتینل2) با سلامت جنگل کاری ها (حاصل از برداشت های میدانی) بررسی شد. بدین منظور از ضریب همبستگی پیرسون استفاده شد. سپس شاخصی که بیشترین همبستگی را با سلامت جنگل کاری های شهرستان لنگرود نشان داد به عنوان مهمترین شاخص برای برآورد سلامت جنگل کاری ها انتخاب شد و رابطه رگرسیونی آن نیز با سلامت جنگل کاری ها به دست آمد. در ادامه، با استفاده از نقشه مطلوب ترین شاخص پوشش گیاهی، اطلاعات برداشت های میدانی و ارتباط بین این دو مورد، نقشه سلامت جنگل کاری ها در شهرستان لنگرود تهیه شد. نتایج و بحث: بر اساس یافته های این پژوهش، در مجموع 66 قطعه جنگل کاری در این شهرستان شناسایی شد که مساحت کل این قطعات با استفاده از روش آماربرداری صددرصد و کنترل زمینی به میزان 2/746 هکتار به دست آمده است که به طور عمده در جنوب غربی شهرستان پراکنش دارند. به علاوه نتایج نشان داد که شاخص NDVI، مطلوب ترین شاخص پوشش گیاهی برای برآورد سلامت جنگل کاری ها در شهرستان لنگرود می باشد که حاکی از قابلیت این شاخص برای ارزیابی سلامت درختان در فصل رویش است. پس از آن، شاخص SAVI بیشترین همبستگی را با سلامت درختان نشان داد که قابلیت خوب این شاخص را نیز در پایش سلامت درختان نشان می دهد. در حالی که دو شاخص TNDVI و RVI همبستگی بسیار کمتری را با سلامت درختان در محدوده جنگل کاری های لنگرود نشان دادند که استفاده از آنها برای ارزیابی سلامت درختان در مطالعات بعدی توصیه نمی شود.. از مجموع مساحت فعلی جنگل کاری ها، 56/400 هکتار آنها در وضعیت سلامت کامل، 60/305 هکتار در وضعیت سلامتی متوسط و 04/40 هکتار در وضعیت ناسالم قرار دارند. صحت کلی (OA) نقشه سلامت جنگل کاری ها در این پژوهش، 80 درصد، صحت تولیدکننده 79 درصد، صحت کاربر 78 درصد و ضریب کاپا 73/0 است. این نتایج نشان دهنده طبقه بندی مطلوب نقشه سلامت جنگل کاری ها در طبقات مختلف سلامت و شادابی درختان است. به طور کلی جنگل کاری های این شهرستان عمدتاً در سلامت کامل هستند، اما برخی از عرصه های کچل بن، لرزیان، گندم بیجاران، قازی دشت، خورش سرا و چاکسر (چاکدشت) به دلیل عدم انجام عملیات حفاظتی و نداشتن قرقبان در سال های اولیه، از موفقیت کمتری برخوردارند. نتیجه گیری: نتایج این پژوهش به مدیران جنگل برای پایش کمّی و کیفی جنگل کاری ها و تداوم آن در دوره های زمانی معین و همچنین برنامه های توسعه جنگل کاری در آینده کمک شایانی می کند. مدل رگرسیونی ارائه شده براساس همبستگی بالای شاخص NDVI با سلامت جنگل کاری ها، امکان برآورد سریع، ارزیابی کمّی، کم هزینه، مقرون به صرفه و اقتصادی وضعیت سلامت جنگل کاری ها در سطح وسیع و مناطق غیرقابل دسترس را فراهم می کند. نتایج این تحقیق با شناخت وضعیت موجود جنگل کاری ها، دید مناسبی از توان و پتانسیل های شهرستان لنگرود برای جنگل کاری با توجه به شرایط محیطی و اکولوژیکی این شهرستان، ارائه می دهد.