پایش اراضی کشاورزی، به منظور آشکارسازی توسعه و کاهش آن – با استفاده از سنجش از دور

مقاله پایش اراضی کشاورزی، به منظور آشکارسازی توسعه و کاهش آن با استفاده از سنجش از دور و تکنیک های پردازش تصاویر ماهواره ای منتشر شد! در مقاله کاربردی اهمیت کاربری کشاورزی و تغییرات آن به همراه روش پایش و آشکارسازی تغییرات آن با استفاده از تصاویر ماهواره ای در سنجش از دور تشریح شده است. اگر هدف شما استفاده از کاربردهای سنجش از دور در مطالعات کشاورزی است این مقاله حاوی ایده های کاربردی برای شما خواهد بود.

در این مقاله، موضوع کاربری کشاورزی از دو دیدگاه متفاوت بررسی شده است. توسعه و یا کاهش کاربری های زراعی به همراه اثرات آن ها و نقشی که سنجش از دور در این زمینه دارد ارزیابی شده است. بر همین اساس پیش از بررسی همه جانبه این موضوع، برخی از مفاهیم کاربردی در این زمینه تشریح می شود. زمین زراعی به مکانی اطلاق می شود که استفاده اولیه و اساسی آن در زمینه تولید مواد غذایی و فیبر از جمله، محصولات زراعی، باغات، مراتع و غیره است. 

در همین رابطه توسعه زمین های زراعی به فرایند تبدیل سایر کاربری ها به زمین های زراعی اطلاق می گردد. در مقابل مفهوم کاهش زمین های زراعی مورد توجه است که به عنوان یک فرایند معکوس در راستای تبدیل زمین های زراعی به سایر کاربری ها مورد توجه قرار گرفته است. آشکارسازی تغییرات به فرایند شناسایی و ثبت تغییرات تبدیل هریک از کاربری ها به زمین زراعی و برعکس گفته می شود. 

چرخه فنولوژی گیاهان، اشاره به مطالعه تغییرات ایجاد شده در فرایند رشد گیاه و محصولات گوناگون داشته و نشان دهنده آن است که یک گیاه در چه زمانی کشت شده و در چه زمانی به بیشترین رشد رسیده و در چه زمانی نیز توسط کشاورزان برداشت می شود. ولید نقشه های زمین های زراعی نیز به فرایندی اطلاق می شود که در آن، با استفاده از تصاویر ماهواره ای و داده های سنجش از دوری نقشه زمین های زراعی در قالب پوشش های دسته بندی شده تولید می شود. 

مقدمه

زمین های زراعی به اراضی بسیار بزرگی گفته می شود که برای تولید مواد غذایی و فیبر مورد استفاده قرار می گیرد. در سال های اخیر به همراه افزایش جمعیت در سراسر جهان، نیاز به مواد غذایی نیز به شکل گسترده ای افزایش یافته به طوریکه نیاز به تولیدات زراعی را دو چندان کرده است.

 بسیاری از زمین های زراعی در سطح جهان در حال توسعه هستند تا از این طریق نیازهای غذایی جوامع را پوشش دهند. در همین راستا موضوع توسعه زمین های زراعی مطرح می شود. همان طور که در ابتدا این مقاله به آن اشاره شد، توسعه زمین های زراعی شامل فرایند تبدیل سایر کاربری ها به زمین های زراعی به منظور کشت محصولات بیشتر، متفاوت تر و متنوع تر است. 

این در حالی است که در حال حاضر، در بسیاری از نقاط جهان، زمین های زراعی در حال کاهش بوده و به سایر کاربری ها تبدیل می شود. بررسی های صورت گرفته نشان داده که دلیل این امر کم سود بودن فعالیت کشاورزی به همراه عدم استفاده از تکنیک های نوین است. از سوی دیگر این کاهش سطح زمین های زراعی ناشی از عوامل انسانی و محیطی متعددی نیز هست.

عوامل طبیعی از جمله تغییر اقلیم، مانند خشک سالی ها و یا بارش های سیل آسا، آسیب های جدی به این فعالیت ها وارد می کند، خصوصا اگر در آن ها از تکنیک ها و روش های سنتی در مدیریت زمین ها استفاده شده باشد. در برخی از مکان ها فعالیت های زراعی شدیدا تابعی از آبیاری زمین ها و محصولات است که کاهش بارندگی و کاهش سطح آب های زیرزمینی خود عامل موثری در کاهش فعالیت ها و توقف زراعت است.

از سوی دیگر گاهی کاهش زمین های زراعی بدلیل توسعه کاربری های شهری است. عموما در زمین های زراعی حاشیه روستاها و شهرها، پس از چندسال بدلیل توسعه شهری، تبدیل کاربری زراعی به شهری صورت می گیرد تا از این طریق سود اقتصادی بیشتری به صاحبان آن ها برسد. 

توسعه و کاهش زمین های زراعی، عواقب مهم و جدی را برای اقتصاد و امنیت غذایی جوامع ایجاد می کند. نباید این نکته را فراموش کرد که فعالیت های زراعی نیز دارای اثراتی بر روی محیط زیست و سایر کاربری ها دارد. از جمله مهم ترین این اثرات می توان به فرسایش خاک، آلودگی های ناشی از کودها و سموم دفع آفات، کاهش ذخایر آبی، فرونشت زمین، کاهش کربن خاک و افزایش گازهای گل خانه ای، اشاره کرد. 

چه از دید توسعه و یا کاهش زمین های زراعی نگاه کنید، به هر صورت این تغییرات اثرات جدی را بر امنیت غذایی، تغییرات محیطی و توسعه پایدار خواهد داشت. در همین راستا نقش سنجش از دور آن است تا ارزیابی دقیقی از توسعه زمانی و مکانی زمین های زراعی در سراسر جهان داشته باشد. پایش موثر زمین های زراعی و تغییرات آن با استفاده از تصاویر ماهواره ای، اطلاعات مهم و اساسی را در اختیار تصمیم گیرندگان، اقتصاد دانان، و یا دولت ها قرار می دهد تا با استفاده از آن برنامه ریزی موثری را در ارتباط با موضوع امنیت غذایی برای آیندگان داشته باشند. 

سجش از دور و پایش زمین های زراعی

سنجش از دور به عنوان یک علم و روش مقرون به صرفه به منظور تولید نقشه زمین های زراعی است که با کمترین هزینه امکان تولید بهترین نتایج (متناسب با امکانات موجود) را فراهم می آورد. داده های چندزمانه ماهواره ای در سنجش از دور که با استفاده تصویر برداری پیوسته ماهواره های مشاهده زمین تولید شده است امکان پایش انواع تغییرات و تبدیلات در زمین های زراعی را فراهم می آورد. 

برای پایش تغییرات زمین های زراعی حداقل به دو تصویر از تاریخ های مختلف نیاز دارید که نشان دهنده تغییرات ایجاد شده در زمین زراعی در یک بازه زمانی مشخص باشند. برای همین منظور از دو رویکرد استفاده می شود: ۱) مقایسه تصاویر ماهواره ای طبقه بندی شده از دو زمان متفاوت، ۲) طبقه بندی مستقیم تصاویر ماهواره ای چند زمانه. با استفاده از این تکنیک ها و رهیافت های آشکارسازی تغییرات، امکان محاسبه کمی تغییرات مربوط به توسعه و کاهش زمین های زراعی فراهم می گردد. 

تولید نقشه زمین های زراعی

یکی از مرسوم ترین پروژه های سنجش از دور و تصاویر ماهواره ای در کشاورزی، تولید نقشه های زمین های زراعی است که با استفاده از تکنیک های متفاوتی در زمینه طبقه بندی نظارت شده و نظارت نشده اجرا می شود. پایه این روش های طبقه بندی مبتنی بر رفتار طیفی متفاوت زمین های زراعی و محصولات آن ها در مقایسه با سایر پوشش ها است. با استفاده از تکینک مقایسه رفتارهای طیفی امکان شناسایی زمین هایی که نوع محصول مشابه و متفاوتی دارد به خوبی فراهم است، به گونه ای که محصولات متفاوت به عنوان کلاس های متفاوت و یا یکسان نمایش داده شوند. 

پیشرفت های اخیر سنجش از دور امکانی را فراهم آورده تا پوشش های زراعی متفاوت از طریق چرخه فنولوژی قابل شناسایی باشند. به عبارت دیگر با استفاده از مدل سازی چرخه فنولوژی گیاهان و محصولات زراعی، امکان جداسازی آن ها و تولید نقشه هایی با دقت بالا فراهم می شود. شناسایی چرخه فنولوژی گیاهان در زمین های زراعی با استفاده از شاخص های طیفی مانند NDVI و تصاویر چندزمانه به راحتی قابل استخراج است.

با توجه به اینکه محصولات متفاوت، چرخه رشد (چرخه فنولوژیکی) گوناگونی دارند، به راحتی با استفاده از داده های چند زمانه ماهواره ای قابل شناسایی و تفکیک هستند. بنابراین یکی از مهم ترین قابلیت های سنجش از دور در کاربری زراعی و تغییرات آن شامل تولید نقشه های نوع کشت در مکان های گوناگون است. 

آشکارسازی تغییرات و ارزیابی آن ها

مرسوم ترین تکنیک های آشکارسازی تغییرات در سنجش از دور کشاورزی به روش های زیر دسته بندی می شود:

• تحلیل ترکیبی تصاویر چندزمانه
• محاسبات بین باندی
• مقایسه نقشه های طبقه بندی شده چند زمانه
• روش ماسک باینری
• تحلیل برداری تغییرات طیفی
• روش cross correlation
• روش های مبتنی بر آگاهی (knowledge based)

به منظور ارزیابی کمی توسعه و کاهش زمین های زراعی، عموما از نقشه های طبقه بندی شده در زمان های مختلف استفاده می شود. در این روش شما نیاز به استفاده از حداقل دو تصویر ماهواره ای از زمان های متفاوت هستید. سپس این دو تصویر نسبت به یکدیگر از لحاظ هندسی تصحیح شده و هریک بصورت جداگانه طبقه بندی می شوند. در گام بعدی  تغییرات تصاویر طبقه بندی شده، بصورت پیکسل به پیکسل با یکدیگر مقایسه شده و یک ماتریس آشکارسازی تغییرات شکل می گیرد.

این ماتریس بصورت کمی بوده و دارای رهیافت from to برای نمایش دادن نوع تغییرات ایجاد شده است. خروجی حاصل از این روش، یک نقشه طبقه بندی شده است که هر کلاس آن نشان دهنده تغییرات از یک کاربری به کاربری دیگر (from to) است به طوریکه کاملا در آن توسعه زمین های زراعی و یا تبدیل آن به سایر کاربری ها به همراه مساحت آن قابل مشاهده است. 

توجه داشته باشید که به منظور پایش تغییرات زمین های زراعی باید دقت زیادی داشته باشید. روش های مبتنی بر پردازش رقومی و تفسیری تصاویر ماهواره ای، حتما باید تغییرات چرخه فنولوژی محصولات مختلف، اختلاف توان تفکیک مکانی سنجنده های متفاوت، نویزهای رادیومتریکی و تصحیحات هندسی تصاویر ماهواره ای مورد استفاده توجه داشته باشید. اهمیت این موارد به اندازه ای است که نادیده گرفتن هریک از آن ها کاهش دقت در محاسبات کمی نهایی را به همراه خواهد داشت. 

چالش های نقشه های زراعی

زمین های زراعی به شدت پویا و تغییر پذیر از لحاظ زمانی هستند. تصاویر ماهواره ای منعکس کننده اطلاعات فیزیکی هریک از کاربری ها هستند اما نمی توانند اطلاعاتی در زمینه ویژگی های فیزیکی هریک از پوشش ها ارائه کنند. به عنوان مثال جنگل، یکی از کاربری های سطح زمین است که با استفاده از تصاویر ماهواره ای قابل شناسایی است.

اما اینکه هدف استفاده از جنگل، برای فعالیت های تفریحی و یا صنعتی است توسط سنجش از دور قابل شناسایی نیست. در حقیقت یکی از مهم ترین مشکلات کنونی سنجش از دور آن است که تغییرات را می توان شناسایی و میزان آن را در کاربری های متفاوت اندازه گیری کرد اما نمی توان گفت که این تغییرات ناشی از چه چیزی هستند و دقیقا توسط چه عامل ایجاد شده است. 

برای پایش دقیق توسعه و کاهش زمین های زراعی با استفاده از تصاویر ماهواره ای، نیاز به ارزیابی دقیق داده های چند ساله است. از سوی دیگر تنها اطلاعات تصاویر ماهواره ای برای این هدف مناسب نیست بلکه داده های زمینی و مکمل از وضعیت منطقه نیز لازم است. داده های زمینی برای اعتبار سنجی نتایج حاصل از تصاویر ماهواره ای و همچنین شناسایی دلایل تغییرات استفاده می شوند. 

چالش مهم دیگر در خود زمین های زراعی و محصولات است. بسیاری از محصولات از رفتارطیفی و یا حتی چرخه فنولوژی مشابهی برخوردارند و همین امر تفکیک آنها با تصاویر ماهواره ای را با مشکل مواجه می کند. این مشکل زمانی بیشتر می شود که الگوی مکانی این محصولات نیز یکسان باشد. در چنین مواردی برای جداسازی هرچه بهتر محصولات نیاز به استفاده از داده های زمینی بیشتری خواهید داشت و صرفا استفاده از تصاویر ماهواره ای و اطلاعات جدول کشت در این رابطه کافی نخواهد بود. 

دانلود فایل PDF

به منظور دانلود رایگان نسخه PDF این مقاله بر روی گزینه زیر کلیک کنید. برای دانلود فایل PDF مقالات حتما باید در سایت girs عضو باشید. 

لینک های مفید

• تولید نقشه نوع کشت با تصاویر سنتینل ۲
• پایش تغییرات مساحت پوشش گیاهی در ArcGIS
• تولید نقشه کشت برنج با تصاویر سنتینل ۱