بخش زیادی از سطح زمین توسط سه پوشش اصلی آب، خاک و گیاه پوشانده شده است. از همین رو امواج الکترومغناطیسی در بسیاری از مناطق سطح زمین با پوشش گیاهی سطحی برخورد می کنند و بسیاری از بازتاب های رسیده به سنجنده حاصل بازتاب هایی است که از این پوشش تولید شده است. از همین رو آشنایی با پوشش های گیاهی و نقش آن ها در استخراج اطلاعات از تصاویر ماهواره ای از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. پوشش گیاهی به اشکال مختلفی بر روی چگونگی استخراج اطلاعات از تصاویر ماهواره ای تاثیر گذار است. در همین راستا اطلاعات این پوشش، بصورت مستقیم و غیر مستقیم برای تفسیر تصاویر ماهواره ای قابل استفاده است. در حالت مستقیم وضعیت خود گیاه در داده های ماهواره ای ارزیابی می شود و در حالت غیرمستقیم وضعیت پوشش زیر گیاه از طریق آن استخراج می شود. در این مقاله کاربردی نقش سنجش از دور در مطالعات پوشش گیاهی مورد ارزیابی قرار گرفته است. در صورتی که با این کاربردها آشنایی ندارید، این مقاله برای شما بسیار کابردی خواهد بود.
مقدمه
سنجش از دور و تصاویر ماهواره ای قابلیت های فراوانی در مطالعه پوشش گیاهی و ارزیابی وضعیت آن در مناطق مختلف سیاره زمین را دارا هستند. سنجش از دور در زمینه پایش تغییرات پوشش گیاهی، تفکیک نوع کشت، تعیین سطح زیرکشت، شناسایی تنش های مختلف قابل استفاده است. در عین حال امروزه تصاویر ماهواره ای قابلیت مدل سازی وضعیت های پوشش گیاهی و پیش بینی وضعیت در زمان آینده را نیز دارا هستند.
قابلیت های سنجش از دور در مطالعات پوشش گیاهی باعث شده است تا مطالعه اکولوژی های متنوع سطح زمین نیز با کیفیت بالاتری انجام شود. به عنوان مثال، بخش عظیمی از مناطق حاره ای توسط پوشش های گیاهی متراکم پوشانده شده است. مطالعات میدانی بسیاری (در مقیاس محلی) در این منطقه انجام شده است اما هیچ یک از آن ها بصورت گسترده و در مقیاس بزرگتر برای این مناطق کارایی ندارد. این در حالی است که امروزه با استفاده از سنجش از دور و تصاویر ماهواره ای این امر به شکل مطلوبی فراهم شده است.
تولید نقشه های پوشش گیاهی
یکی از مرسوم ترین روش های تولید نقشه در سنجش از دور و همچنین کاربردهای آن در پوشش گیاهی طبقه بندی است. یکی از مرسوم ترین روش های طبقه بندی که در این زمینه استفاده می شود در ارتباط با جداسازی پوشش گیاهی از سایر پوشش ها و یا جداسازی پوشش جنگلی از سایر کاربری ها است.
به عنوان مثال بسیاری از سازمان ها علاقه دارند بدانند که چند درصد منطقه مورد نظر آن ها توسط پوشش گیاهی پوشانده شده است و یا اینکه جنگل ها چه مساحتی از سطح زمین را پوشانده اند. حتی در بسیاری از موارد چگونگی تغییرات آن ها نیز مورد توجه است. به عنوان مثال چند درصد پوشش گیاهی منطقه یا پوشش چنگلی در طول سالیان اخیر از بین رفته و یا توسعه پیدا کرده است.
نوع دیگری از نقشه های پوشش گیاهی در زمینه کاربرد کشاورزی است. همواره جداسازی زمین های زراعی از سایر پوشش ها به عنوان یک چالش اساسی در مطالعات سنجش از دور تلقی می شود. با این حال یکی از با ارزش ترین کاربردهای سنجش از دور در این زمینه تولید نقشه های نوع کشت کشاورزی و برآورد سطح زیرکشت آن ها است.
مهم ترین نقشه های پوشش گیاهی
امروزه سنجش از دور امکان تولید نقشه های گوناگون و متنوعی را در زمینه مطالعات پوشش گیاهی فراهم ساخته است. پرکاربردترین این نقشه ها عبارت اند از:
- نقشه زمین های زراعی
- نقشه نوع کشت
- نقشه تنش محصولات
- نقشه جنگل ها
- نقشه نوع جنگل
- نقشه جنگل زدایی و جنگل زایی
- نقشه مراتع
- نقشه رطوبت گیاه
اطلاعات پوشش گیاهی
کاربردهای سنجش از دور در مطالعات پوشش گیاهی تنها به موارد بالا محدود نمی شود. امواج الکترومغناطیسی کاربردی در سنجش از دور امکان استخراج اطلاعات متنوعی از پوشش گیاهی را به خوبی فراهم می کند.
بصورت کلی دو دسته از امواج در سنجش از دور استفاده می شوند: امواج اپتیکی و امواج راداری. هریک از این دامنه های طیفی اطلاعات متفاوتی از پوشش گیاهی را تولید می کنند. امواج اپتیکی امکان استخراج اطلاعات در ارتباط با ویژگی های شیمیایی گیاهان را به خوبی فراهم می کند اما این در حالی است که با استفاده از امواج راداری اطلاعات فیزیکی در ارتباط با ساختار پوشش گیاهی قابل استخراج است. در همین راستا ارزیابی های متخصصین سنجش از دور در سراسر جهان نشان داده است که استفاده ترکیبی از این محدوده های طیفی، امکان استخراج اطلاعات فیزیکی و شیمایی دقیق تر از پوشش گیاهی را فراهم می کند.
محدوده اپتیکی طیف الکترومغناطیس بازه طیفی مرئی، مادون قرمز بازتابی و مادون قرمز حرارتی را شامل می شود. این محدوده برای استخراج انواع اطلاعات شیمیایی در ارتباط با پوشش گیاهی کاربردی است.
امواج راداری به امواجی مایکروویوی اطلاق می شود که بصورت مصنوعی توسط سنجنده های تصویر برداری تولید می شود. محدوده مایکرویو فعال (رادار) حساسیت بسیار بالایی نسبت به تغییرات فیزیکی پدیده ها داشته و از همین رو در زمینه مطالعه ویژگی های فیزیکی پدیده های گوناگون مورد استفاده قرار می گیرد.
شاخص های طیفی پوشش گیاهی
شاخص های طیفی به عنوان پرکاربردترین تکنیک سنجش از دور اپتیکی برای مطالعات پوشش گیاهی است. تقریبا تمامی اطلاعات لازم در ارتباط با پوشش گیاهی با استفاده از شاخص های طیفی اپتیکی قابل استخراج است.
شاخص های طیفی از ترکیب چندباند طیفی اپتیکی تولید می شود و حاوی اطلاعات مفیدی در ارتباط با ویژگی های بیوفیزیوشیمایی در ارتباط با گیاهان است. در حال حاضر مرسوم ترین و پرکاربردترین شاخص های پوشش گیاهی عبارت اند از:
شاخص Normalized Difference Vegetation Index یا همان NDVI تنها شاخص جهانی سنجش از دور در مطالعات پوشش گیاهی است. از این شاخص برای استخراج اطلاعات در ارتباط با تراکم، کلروفیل، سلامتی و رطوبت موجود در گیاه استفاده می شود. در حقیقت شاخص NDVI امروزه در مقایسه با سایر شاخص ها به عنوان پرکاربردترین گزینه مطالعاتی در نظر گرفته می شود.
شاخص Soil Adjusted Vegetation Index یا همان SAVI بر اساس رابطه NDVI محاسبه می شود. با این حال این شاخص عموما برای پوشش های گیاهی پراکنده (غیرمتراکم) مانند مراتع استفاده می شود. در این شاخص اثر خاک پس زمینه به شکل قابل توجهی کاسته شده است.
اثر خاک پس زمینه در شاخص NDVI مانع از شناسایی بهتر پوشش های گیاهی پراکنده می شود که در شاخص SAVI این مشکل برطرف شده است. در نهایت شاخص SAVI برای تولید نقشه پوشش های گیاهی کم تراکم بسیار کاربردی تر از NDVI است.
شاخص Enhanced Vegetation Index یا همان EVI به منظور برآورد سبزینگی پوشش گیاهی مورد استفاده قرار می گیرد. این شاخص در ابتدا برای سنجنده مادیس و برآورد سبزینگی پوشش گیاهی طراحی شد. با این حال پس از مدتی نمونه های کاربردی آن برای سایر ماهواره های کاربردی سنجش از دور مانند لندست نیز ارائه گردید. این شاخص در زمینه محاسبه سبزینگی گیاه در مقایسه با NDVI از دقت بالاتری برخوردار است.
شاخص Leaf Area Index یا همان LAI برای اندازه گیری تراکم پوشش گیاهی استفاده می شود. در فارسی از آن با عنوان شاخص سطح برگ یاد می شود. این شاخص یکی از معتبرترین شاخص های سنجش از دور در زمینه اندازه گیری ویژگی های فیزیکی گیاهان محسوب می شود.
شاخص NDVI در تراکم های بالای پوشش گیاهی همواره اشباع می شود. منظور از اشباع شدن آن است که با افزایش سطح تراکم از یک حد معین امکان تفکیک آن توسط این شاخص از بین میرود. اما این در حالی است که شاخص LAI چنین محدودیتی نداشته و به خوبی قابلیت جداسازی پوشش گیاهی بر اساس تراکم های متفاوت را فراهم می کند.
شاخص Canopy Water Index یا همان CWI یک شاخص طیفی تخصصی در زمینه اندازه گیری رطوبت موجود در تاج پوشش گیاهان است. در مقایسه با شاخص NDVI این شاخص از دقت بالاتری در زمینه برآورد رطوبت برخوردار است. فراموش نکنید که امروزه شاخص های گوناگون و مختلفی در جهان با این نام ایجاد شده و هر کدام از شکل محاسباتی متفاوتی نیز برخوردار است. از همین رو سعی کنید تا از روابطی استفاده نمایید که دقت محاسباتی بالاتری دارند.
کاربردهای شاخص های طیفی
نتایج حاصل از شاخص های طیفی به دو صورت کمی و کیفی در مطالعات سنجش از دور مورد استفاده قرار می گیرد. از لحاظ طیفی شاخص های گیاهی به خوبی محدوده پوشش های گیاهی از سایر پوشش ها و کاربری ها را متمایز می سازد و نقش موثری در تفسیر بصری تصاویر ماهواره ای دارد. از لحاظ کمی نیز نتایج آن ها در زمینه ارزیابی وضعیت پوشش گیاهی از لحاظ تراکم، رطوبت، سلامتی و غیره بسیار کاربردی است. با این حال نتایج کمی حاصل از شاخص های طیفی به صورت کلی در دو زمینه مورد استفاده قرار می گیرد:
عموما در بسیاری از مطالعات نتایج حاصل از شاخص های طیفی برای مقایسه با داده های حاصل از برداشت های زمینی استفاده می شود. به عنوان مثال برای ارزیابی میزان دقت کلروفیل برآورد شده، مقادیر عددی شاخص حاصل از آن با داده های زمینی حاصل از گیاه مقایسه شده و میزان دقت شاخص در زمینه تعیین کلروفیل و تولید نقشه پیوسته آن تعیین می شود.
یکی دیگر از کاربردهای بسیار مهم شاخص های طیفی در زمینه تولید نقشه های موضوعی است. به عنوان مثال برای جداسازی هرچه بهتر زمین های زراعی در فرایند طبقه بندی از تصاویر چند زمانه NDVI استفاده می شود. برای جداسازی هرچه بهتر انواع کلاس های مربوط به پوشش گیاهی اعم از حنگل، مزارع و مراتع تنها شاخص های طیفی هستند که به عنوان بهترین داده مکمل در کنار آن مورد استفاده قرار می گیرد.
شاخص های طیفی امکان تولید انواع مدل سازی ها را برای کاربران فراهم می کنند. به عنوان مثال با استفاده از شاخص NDVI امکان مدل سازی تغییرات چرخه رشد محصولات زراعی و تفکیک آن ها به خوبی فراهم شده است.
