برآورد رطوبت خاك در زمين هاي داراي پوشش گياهي با استفاده از تجزيه تصاوير راداري

كارشناسي ارشد

با توجه به اهميت برآورد رطوبت خاك در مباحث هيدرولوژي، هواشناسي، كشاورزي و پيش بيني سيلاب و ديگر موراد ضروري، تحقيقات مختلفي در زمينه برآورد رطوبت خاك با استفاده از سنجش از دور صورت گرفته است در اين ميان با توجه به پيشرفت هاي اخيري كه در زمينه سنجش از دوري راداري اتفاق افتاده است، اقبال بيشتري به منظور برآورد رطوبت خاك با استفاده از تصاوير ماهواره اي راداري شده است. مدل هاي مختلفي به منظور برآورد رطوبت خاك در زمين هاي باير و داراي پوشش گياهي با استفاده از تصاوير راداري ارائه گرديده است، در زمين هاي باير و بدون پوشش گياهي مدل هاي فيزيكي، نيمه تجربي و تجربي ارائه شده اند كه مي توانند ارتباط بين رطوبت خاك و ويژگي هاي داده هاي راداري را برقرار كنند. در زمين هاي داراي پوشش گياهي با توجه به تاثير پوشش گياهي بر برآورد رطوبت خاك بايد تاثير پوشش گياهي در برآورد رطوبت خاك لحاظ گردد از اين رو برخي روش ها مثل شبكه عصبي مصنوعي، روش هاي water cloud و روش هاي Change detection به منظور برآورد رطوبت خاك ارائه شده اند. برآورد رطوبت خاك با استفاده از روش هاي تجزيه از جمله روش هايي است كه اخيرا مورد توجه قرار گرفته است. روش هاي تجزيه كه پيشتر به منظور اهداف طبقه بندي مورد استفاده قرار مي گرفت؛ مي توانند مكانيسم-هاي پراكنش ها را تشخيص داده و ويژگي هاي سطحي خاك را محاسبه كنند. با توجه به اينكه الگوريتم-هاي تجزيه عموما بر روي تصاوير تمام پلاريمتريك انجام شده از اين رو تحقيقاتي در زمينه برآورد رطوبت خاك با استفاده از الگوريتم معمولي تجزيه داده هاي تمام پلاريمتريك مثل روش هاي تجزيه Freeman dorden،Yamaguchi, Vanzi انجام شده است كه مي توانند رطوبت خاك را محاسبه كنند. در اين تحقيق نيز هدف برآورد رطوبت خاك در زمين هاي داراي پوشش گياهي با استفاده از تجزيه تصاوير نيمه پلاريزه Sentinel1است. با توجه به غير رايگان بودن دسترسي به تصاوير تمام پلاريتريك، ماهواره Sentinel1 انتخاب گرديد. مطالعه موردي بر روي ايستگاه اندازه گيري رطوبت خاك Tonzi در كشور آمريكا صورت گرفته است. اين منطقه از آن جهت انتخاب شد كه تعداد 13 سنسور فعال در نقاط مختلف به فاصله زماني بيست دقيقه، مي توانند داده رطوبت خاك ثبت كنند؛ در نتيجه در زمان عبور ماهواره از منطقه مورد نظر به فاصله زماني خيلي كم، رطوبت خاك ثبت شده از سنسورهاي منطقه خواهيم داشت. تعداد 3 تصوير ماهواره اي در تاريخ هاي 9، 15 و 21 ژوئن سال 2019 از ايستگاه مورد نظر، دانلود گرديد، سپس بر روي تصاوير ماهواره اي Sentinel1 كه به صورت تصاوير راداري نيمه پلاريزه هستند پيش پردازش هاي مورد نياز انجام شد. استفاده از الگوريتم هاي معمول تجزيه، نيازمند داده هاي تمام پلاريمتريك است و با توجه به اينكه ماهواره مورد استفاده در اين تحقيق كه ماهواره Sentinel1است حاوي داده هاي نيمه پلاريزه در قطبش هاي VH وVV است، نمي توان روش هاي معمولي عمل تجزيه را انجام داد و بنابراين بايد الگوريتمي به منظور تجزيه داده¬هاي نيمه پلاريزه Sentinel1 گسترش مي يافت تا از طريق آن اثر پوشش گياهي حذف شود و بتوان به رطوبت خاك دست پيدا نمود. براي نيل به اين هدف با تعريف بردارهاي پراكنش جديد و صرف نظر از اثر پراكنش دو برخورد الگوريتم تجزيه مدل مبنايي گسترش يافت تا مكانيسم پراكنش سطحي و مكانيسم پراكنش پوشش گياهي را با استفاده از داده هاي نيمه پلاريزه Sentinelجدا كند. ولي از آن جا كه معادله به دست آمده از الگوريتم تجزيه داراي يك مجهول بيشتر از معادلات بود از اين رو از تصاوير سه زمانه به منظور مساوي كردن تعداد معادلات و مجهولات استفاده شد و با توجه به اينكه معادلات موجود همگي به صورت غير خطي بودند از اين رو از الگوريتم ژنتيك به منظور حل عددي اين معادلات استفاده گرديد. با با توجه به نقش پوشش گياهي در محاسبه رطوبت خاك سه سناريوي مختلف به منظور مدل سازي آن ها با استفاده از جهت گيري دو قطبي هاي الكتريكي شامل جهت گيري تصادفي در سناريوي اول، جهت گيري قائم در سناريوي دوم و جهت گيري افقي در سناريوي سوم تعريف گرديدند و محاسبات برآورد ضريب دي الكتريك و رطبت خاك با استفاده از اين سه سناريو صورت گرفت تا مناسب ترين سناريو پراكنش حجمي براي منطقه مورد نظر مشخص گردد. در نهايت سناريوي پيشنهادي با استفاده از جهت گيري دو قطبي هاي الكتريكي با ميزان RMSE از 1.05 تا 1.52 به عنوان مناسب ترين سناريو انخاب شد. بعد از آنكه ميزان ضريب دي الكتريك خاك در هر يك از تاريخ ها براي سه سناريوي اول و دوم و سوم محاسبه گرديد ميزان رطوبت خاك نيز براي هر يك از تاريخ¬ها و براي سناريوهاي ذكر شده با استفاده از رابطه Topp محاسبه شد. مشابه با ضريب دي الكتريك خاك مناسب ترين سناريو جهت برآورد رطوبت خاك نيز جهت گيري تصادفي دو قطبي هاي الكتريكي انتخاب شد كه ميزان RMSE در برآورد رطوبت خاك در اين سناريو از 2.09 تا 2.76 محاسبه ميگردد.

194337

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي و مديريت منابع آب

دكتر برات مجردي - دكتر حسين عليزاده