استفاده از قابليتهاي gis و rs در تهيه نقشه سيماي فرسايش آبي حوزه آبخيز امام چاي (مقاله علمي)

[.MohammadReza. 19850]

◄ چکيده:

 

در اين تحقيق اقدام به تفکيک منفرد انواع فرسايش آبي و تهيه نقشه سيماي فرسايش با استفاده از تکنيک‌هاي GIS و RS شده و با بررسي‌هاي صحرايي در سطح واحدهاي کاري تکميل شد. چهار نوع اصلي فرسايش آبي موجود در حوزه آبخيز امام‌چاي اردبيل شامل فرسايش‌هاي سطحي، شياري، آبراهه‌اي و رودخانه‌اي تشخيص داده شده و با در نظر گرفتن مناطق فاقد فرسايش، نقشه سيماي فرسايش آبي در پنج کلاس تهيه شد. نقشه فرسايش سطحي، از ترکيب رنگي 543= RGB تصاوير ماهواره IRS هند تهيه شد. محدوده و شدت فرسايش رودخانه‌اي از روي عکس هوايي جدا شد. در تفکيک فرسايش آبراهه‌اي از تصاوير ماهواره‌اي و الگوريتم طبقه‌بندي نظارت شده در سنجش از دور (RS) و نرم‌افزار ILWIS3.2 استفاده شد. محدوده‌هاي تحت تأثير فرسايش شياري، شامل مناطقي مي‌شود که به غير از فرسايش‌هاي سطحي، آبراهه‌اي، کناررودخانه‌اي و همچنين مناطق فاقد فرسايش باشد. نتايج حاصله نشان داد که با استفاده از تکنيک RS، تفکيک حدود 70 درصد موارد فرسايش آبراهه‌اي به آساني انجام مي‌گيرد. همچنين بررسي‌ها نشان داد که 94/4 درصد منطقه فاقد آثار فرسايش، 82/15 درصد فرسايش سطحي، 71/65 درصد شياري، 09/11 درصد آبراهه‌اي و 44/2 درصد آن نيز شامل فرسايش رودخانه‌اي است.

واژه‌هاي کليدي: فرسايش آبي، GIS، RS، امام‌چاي، اردبيل

 

◄ مقدمه:

در مطالعات فرسايش آبي، تهيه نقشه سيماي فرسايش از درجه اهميت بالايي برخوردار است. سيماي فرسايش آبي در يک منطقه علاوه بر نشان دادن وضعيت و سطح پراکنش انواع فرسايش، مي‌تواند بيان کننده وضعيت زمين‌شناسي، توپوگرافي، نوع و مديريت استفاده از اراضي و ساير پارامترهاي کنترل کننده فرسايش باشد.

انواع اوليه مطالعه فرسايش خاك اساساً بصورت مفهومي بوده و اغلب شامل تهيه نقشه فرسايش از روي عكس‌هاي هوايي مي‌شد كه انواع فرسايش سطحي، شياري و خندق‌هاي اتفاق‌ افتاده در يک محل را در بر مي‌گرفت (مورگان، 1996). امروزه تهيه نقشه سيماي فرسايش خاک به روش‌هاي مختلفي انجام مي‌گيرد. به عنوان مثال، محمدي ترکاشوند و نيک‌کامي (1386) در حوزه آبخيز جاجرود تهران، نقشه 000/250 :1 شکل‌هاي فرسايش خاک را از ترکيب لايه‌هاي مختلف مؤثر بر فرسايش در سطح واحدهاي کاري و در حالت‌هاي مختلف تهيه نقشه واحد کاري تهيه کرده‌اند. جوکار سرهنگي (1385) اشکال فرسايش و فرايندهاي دامنه‌اي را بصورت کمّي و کيفي در حوزه آبخيز سياهرود مورد بررسي قرار داده‌اند. هيوز و پروسر (2003) نقشه فرسايش خندقي و كنار رودخانه‌اي را براي حوزه آبخيز موري- دارلينگ Murray-Darling استراليا با استفاده از عكس‌هاي هوايي و ايجاد مدل‌هاي شبيه‌سازي عددي تهيه كرده‌اند.

در تحقيق حاضر نيز با بکارگيري قابليت‌هاي GIS و RS اقدام به تهيه نقشه سيماي فرسايش آبي در حوزه آبخيز امام‌چاي اردبيل شده است که از طريق تفکيک منفرد انواع فرسايش آبي و با بررسي‌هاي صحرايي در سطح واحدهاي کاري به انجام رسيد.

[.MohammadReza. 19850]

◄ مواد و روش‌ها:

منطقه مطالعه شده در استان اردبيل با حدود جغرافيايي َ52 ‚ ْ37 تا َ59 ‚ ْ37 عرض شمالي و َ47 ‚ ْ47 تا َ00 ‚ ْ48 طول شرقي مي‌باشد. اين منطقه داراي متوسط ارتفاع از سطح درياي 2125 متر و مساحت 13670 هکتار مي‌باشد. روش تحقيق انجام شده به ترتيب دربرگيرنده مواردي است که در ادامه با ذکر عناوين مربوطه به آن پرداخته مي‌شود.

◄ نقشه واحد کاري و تشخيص رخساره‌هاي ژئومرفولوژي:

نقشه واحد کاري ژئومرفولوژي به منظور تشخيص رخساره‌هاي ژئومرفولوژي و بررسي زميني انواع فرسايش آبي تهيه شد. در تهيه نقشه واحد کاري، از روي نقشه زمين‌شناسي، نقشه سنگ‌شناسي تهيه شده و سپس از روي عکس‌هاي هوايي و تصاوير ماهواره‌اي، تيپ و رخساره مشخص شد. با اضافه شدن لايه نقشه شيب، نقشه واحد کاري با 30 واحد بدست آمد.

نقشه سيماي فرسايش آبي بر اساس داده‌هاي حاصل از سنجش از دور و با بررسي‌هاي صحرايي تکميل مي‌شود که براي اينکار نياز به تهيه موزائيک عکس‌هاي هوايي بود.

 

◄ موزائيک عکس‌هاي هوايي:

به منظور استفاده از عکس‌هاي هوايي در محيط GIS و انطباق آن با نقشه‌هاي توپوگرافي، زمين‌شناسي، خاک‌هاي منطقه و منابع اراضي از يک سو و از سوي ديگر با تصاوير ماهواره‌اي، اقدام به اسکن کردن عکس‌ها و تهيه فتوموزائيک منطقه شد. عکس‌هاي مورد استفاده در اين تحقيق در مقياس 000/20 :1 توسط سازمان نقشه‌برداري کشور تهيه شده است.

در تهيه فتوموزائيک منطقه، با استفاده از نرم افزار “ArcGIS9.2”، ابتدا تک تک عکس‌هاي اسکن شده -که در مجموع شامل 41 عکس هوايي مي‌شد- زمين مرجع شده و سپس با استفاده از الگوريتم “Mosaic” نرم افزار مذکور، فتوموزائيک کل منطقه بطور يکدست و با اندازه پيکسل 1 × 1 متر بدست آمد (شکل 1). البته قبل از اين مرحله لازم است تا عکس‌هاي هوايي ژئورفرنس شده، “Resample” نيز شده باشند [4].

[.MohammadReza. 19850]

◄ شناسايي موقعيت و توزيع مکاني اشکال فرسايش آبي:

نقشه اشکال فرسايش آبي تهيه شده در سطح واحدهاي کاري بوده است. بطوريکه از روي عکس‌هاي هوايي و تصاوير ماهواره‌اي، مساحت تحت تأثير هر يک از انواع فرسايش‌هاي آبي منطقه تشخيص داده شده و تعيين شده است [1 و 6]. سپس در سطح واحدهاي کاري در نقاط متعددي فرسايش‌هاي زمان حال چک صحرايي شده‌اند. نمونه‌اي از بررسي انواع فرسايش آبي از طريق تصوير ماهواره‌اي در شکل 2 ارائه شده است که لازمه اينکار تهيه يک تصوير رنگي از تصاوير ماهواره‌اي به گونه اي است که در آن عوارض فرسايشي تا حد ممکن نمايان شود. نمونه‌هاي متعددي از تصاوير رنگي مي‌توانند بکار گرفته شوند که برخي براي تشخيص عوارض خطي و برخي براي عوارض زميني ديگر مناسب هستند. نرم افزار GIS “Idrisi32” يکي از بهترين ترکيب‌هاي رنگي را بدست مي‌دهد که در اين تحقيق نيز ترکيب‌هاي رنگي مورد نياز با استفاده از اين نرم افزار تهيه شده است.

 

◄ نتايج و بحث:

+ فرسايش سطحي

تفکيک و تعيين محدوده تحت تأثير فرسايش سطحي از روي عکس‌هاي هوايي و تصاوير ماهواره‌اي کار راحتي است و شامل مناطقي است که فاقد هرگونه عوارض فرسايشي باشد. منتهي مشکل اصلي در جدا کردن آنها از مناطق بدون فرسايش است که اين مسئله نيز از طريق بازبيني‌هاي صحرايي قابل رفع است. در تهيه نقشه فرسايش سطحي منطقه در زمان حاضر، از ترکيب رنگي 543= RGB تصاوير ماهواره IRS هند استفاده شده و نقشه تهيه شده پس از بازبيني‌هاي صحرايي بصورت شکل 3 به دست آمده است.

شکل 1: فتوموزائيک منطقه

 

شکل 2: استفاده از تصاوير ماهواره‌اي در تفکيک انواع فرسايش

[.MohammadReza. 19850]

+ فرسايش رودخانه‌اي

از آنجا که فرسايش رودخانه‌اي مختص مناطق تحت تأثير رودخانه‌ها مي‌باشد، بنابراين براي مکانيابي آنها نيز مناطق کنار رودخانه‌ها مورد بررسي قرار مي‌گيرد. تشخيص رودخانه‌ها و وضعيت فرسايشي آنها از روي عکس هوايي به آساني صورت مي‌گيرد و از آنجا که تغييرات مکاني رودخانه‌ها در مدت زمان طولاني ثابت باقي مي‌ماند و فقط ممکن است شدت فرسايش در نقاط مختلف آن متغير باشد، بنابراين در تحقيق حاضر محدوده فرسايش رودخانه‌اي از روي عکس هوايي جدا گشته و شدت آن در نقاط مختلف از طريق بررسي‌هاي زميني مورد مطالعه قرار گرفته است.

 

 

 

شکل 3: محدوده تحت تأثير فرسايش سطحي شکل 4: محدوده تحت تأثير و شدت فرسايش رودخانه‌اي

 

همانطور که از شکل 4 پيداست، شدت فرسايش رودخانه‌اي در سه حالت جزئي و پراکنده، متوسط و پراکنده و شديد و وسيع تقسيم‌بندي شده است.

 

+ فرسايش آبراهه‌اي

در تفکيک فرسايش آبراهه‌اي از تصاوير ماهواره‌اي کمک گرفته شده است. بدين منظور از الگوريتم طبقه‌بندي نظارت شده Supervised classification در سنجش از دور (RS) و نرم افزار ILWIS3.2 استفاده شده است. در اين نوع طبقه‌بندي، ابتدا يک تصوير رنگي ترکيبي که در آن فرسايش آبراهه‌اي تا حد ممکن قابل تشخيص باشد، تهيه شده و سپس نمونه‌هاي تعليمي در روي آن تعيين شدند. نمونه‌هاي تعليمي از طريق بررسي‌هاي صحرايي بدست آمده و با استفاده از GPS[Global Positioning System ] تعيين موقعيت شدند که در نقاط مختلف حوزه در آبراهه‌هاي فرسايشي، اين نمونه‌هاي تعليمي تهيه شده و به نقشه GIS منتقل شدند. بدين ترتيب پس از انتخاب نمونه‌هاي تعليمي به تعداد بيش از 7000 پيکسل، بر اساس الگوريتم حداکثر احتمالMaximum likelihood، اقدام به طبقه‌بندي نظارت شده در دو طبقه آبراهه و غيرآبراهه شده است.

 

البته ممکن است تعداد طبقات غيرآبراهه‌اي بيش از يک مورد باشد که در نهايت همگي تحت عنوان مناطق غيرآبراهه‌اي تقسيم‌بندي مي‌شوند. شکل (5 الف) نقشه حاصل از اين نوع طبقه‌بندي را براي منطقه مورد مطالعه نشان مي‌دهد. با استفاده از اين نقشه، تفکيک حدود 70 درصد موارد فرسايش آبراهه‌اي به آساني انجام گرفته و براي کاملتر کردن آن از تفسير بصري و بازبيني‌هاي صحرايي استفاده شده است. همانطوريکه از اين نقشه معلوم است، اولاً مناطق تحت تأثير فرسايش رودخانه‌اي نيز در اين طبقه‌بندي در اکثر موارد جزو فرسايش آبراهه‌اي قلمداد شده است که بايستي با در نظر گرفتن نقشه فرسايش رودخانه اي (شکل 4) از اين نقشه حذف شوند. ثانياً يک مشکل اصلي، وجود تک پيکسل‌هايي است که بطور پراکنده در سطح حوزه گسترده شده‌اند و آنها نيز بايستي حذف شوند. ثالثاً يک مشکل ديگر وجود مناطقي است که به لحاظ طيف رنگي، مشابه نمونه‌هاي تعليمي بوده و در طبقه‌بندي جزو فرسايش آبراهه جدا شده‌اند.

اين مناطق که اکثراً شامل مناطق متأثر از سايه مي‌باشند، بطور سطحي عمل کرده و براي تفکيک آنها حتماً بايد از مشاهدات صحرايي کمک گرفت. در نهايت پس از انجام مراحل ذکر شده، نقشه تحت تأثير فرسايش آبراهه‌اي بصورت شکل (5 ب) درآمده است. لازم به ذکر است که در تفکيک فرسايش آبراهه‌اي، سطح تحت تأثير آنها مد نظر قرار گرفته و از تفکيک خطي آنها صرفنظر شده است تا بدين ترتيب همخواني لازم را با انواع ديگر فرسايش داشته باشد.

 

 

شکل 5- تفکيک محدوده فرسايش آبراهه‌اي: الف- نتيجه حاصل از طبقه‌بندي نظارت شده و

ب- تفکيک محدوده تحت تأثير فرسايش آبراهه‌اي

[.MohammadReza. 19850]

+ فرسايش شياري

در تفکيک سطوح تحت تأثير فرسايش شياري، ديدگاه بسيار ساده‌اي در نظر گرفته شده است. بطوريکه محدوده‌هاي تحت تأثير فرسايش شياري، شامل مناطقي مي‌شود که به غير از فرسايش‌هاي سطحي، آبراهه‌اي، رودخانه‌اي و همچنين مناطق فاقد فرسايش باشد. بدين ترتيب نقشه محدوده تحت تأثير فرسايش شياري بصورت شکل 6 بدست آمده است.

 

+ نقشه‌ مناطق تحت تأثير انواع فرسايش آبي

با تلفيق انواع نقشه‌هاي مناطق تحت تأثير فرسايش آبي، به شکلي که نحوه تهيه آنها در بندهاي "الف" تا "د" بيان شده، نقشه مناطق تحت تأثير فرسايش آبي بدست آمد (شکل 7). همانطوريکه از اين نقشه و جدول (1) معلوم است، 94/4 درصد منطقه، فاقد هر گونه آثار فرسايش آبي است. 82/15 درصد، شامل فرسايش سطحي، 71/65 درصد، فرسايش شياري، 09/11 درصد، فرسايش آبراهه‌اي و 44/2 درصد آن نيز شامل فرسايش رودخانه‌اي است. يعني فرسايش شياري بيشترين سطح و فرسايش رودخانه‌اي کمترين سطح را دارا هستند.

شکل 6- محدوده تحت تأثير فرسايش شياري شکل 7- وضعيت سيماي فرسايش آبي

 

شکل 8- نمودار مرتب شده درصد مساحت انواع فرسايش‌هاي آبي

[TABLE]

[TR]

[TD=bgcolor: #6699ff] رخساره فرسايشی

[/TD]

[TD=bgcolor: #6699ff] مساحت (هکتار)[/TD]

[TD=bgcolor: #6699ff] درصد مساحت[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD=bgcolor: #6699ff] بدون فرسايش[/TD]

[TD=bgcolor: #6699ff] 7/669[/TD]

[TD=bgcolor: #6699ff] 9/4[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD=bgcolor: #6699ff] فرسايش سطحی

[/TD]

[TD=bgcolor: #6699ff] 5/2159[/TD]

[TD=bgcolor: #6699ff] 8/15[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD=bgcolor: #6699ff] فرسايش شياری[/TD]

[TD=bgcolor: #6699ff] 9/8979[/TD]

[TD=bgcolor: #6699ff] 7/65[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD=bgcolor: #6699ff] فرسايش آبراهه‌ای[/TD]

[TD=bgcolor: #6699ff] 1/1517[/TD]

[TD=bgcolor: #6699ff] 1/11[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD=bgcolor: #6699ff] فرسايش رودخانه‌ای[/TD]

[TD=bgcolor: #6699ff] 328[/TD]

[TD=bgcolor: #6699ff] 4/2[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD=bgcolor: #6699ff] جمع[/TD]

[TD=bgcolor: #6699ff] 13668[/TD]

[TD=bgcolor: #6699ff] 0/100[/TD]

[/TR]

[/TABLE]

 

 

جدول (1): مساحت و درصد مساحت انواع فرسايش‌هاي آبي

◄ نتيجه‌گيري:

نتايج اين مطالعه نشان داد که استفاده از قابليت‌هاي مشترک GIS و RS به طرز صحيحي باعث تفکيک رخساره‌هاي فرسايش آبي مي‌شود. مناطق بدون فرسايش و فرسايش‌هاي سطحي و شياري به آساني از روي عکس‌هاي هوايي جدا مي‌شوند. حتي در تفکيک مناطق با فرسايش سطحي مي‌توان از تصاوير ماهواره‌اي با قدرت تفکيک زميني نزديک به 30 متر نيز بهره برد. فرسايش‌هاي خطي عميق مثل آبراهه‌اي و رودخانه‌اي هم از روي عکس‌هاي هوايي و هم از روي تصاوير ماهواره‌اي قابل شناسايي هستند ولي استفاده از تصاوير ماهواره‌اي و سيستم‌هاي مختلف طبقه‌بندي در آن با استفاده از قابليت GIS موجب تسريع در کارها مي‌شود. همان طوريکه اين مطالعه نشان داد تفکيک فرسايش آبراهه‌اي با دقت 70 درصد و بدون نياز به بازديدهاي صحرايي مي‌‌تواند به انجام رسد. محمدي ترکاشوند و نيک‌کامي (1386) نيز با بررسي صحت و دقت روش‌هاي مختلف تهيه نقشه شکل‌هاي فرسايش به اين نتيجه رسيدند که روش تفسير تصاوير ماهواره‌اي بالاترين صحت را در تهيه نقشه شکل‌هاي فرسايش دارد. هيوز و پروسر (2003) نيز به طرز موفقيت‌آميز نقشه فرسايش‌هاي خندقي و کنار رودخانه‌اي را با استفاده از عکس‌هاي هوايي براي حوزه آبخيز موري-دارلينگ استراليا تهيه کردند.

[.MohammadReza. 19850]

◄ منابع:

 

1. احمدي، ح. (1385). ژئومرفولوژي كاربردي ج 1 (فرسايش آبي). تهران: انتشارات دانشگاه تهران.

2. جوکار سرهنگي، ع. (1385). بررسي کمّي و کيفي اشکال فرسايش و فرايندهاي دامنه‌اي (مطالعه موردي: حوضه سياهرود). فصلنامه، تحقيقات جغرافيايي، 84: 115-99.

3. محمدي، ج. (1377). تهيه نقشه فرسايندگي باران در ايران با استفاده از شاخص فورنيه و روش آماري کريجينگ. مجله علوم کشاورزي و منابع طبيعي گرگان، 5: 3 و 4.

 

4. Daba, S., Rieger, W. and Strauss, P. (2003). Assessment of gully erosion in eastern Ethiopia using photogrammetric techniques. Catena 50: 273-291.

 

5. Hughes, A.O. and Prosser, I.P. (2003). Gully and riverbank erosion mapping for the Murray-Darling basin. CSIRO land and water, Canberra, Technical report 3/03.

 

6. Martinez-Casasnovas, J.A. (2003). A spatial information technology approach for the mapping and quantification of gully erosion. Catena 50: 293-308.

 

7. Morgan, R.P.C. (1996). Soil erosion and conservation. Second Edition, 198 pp