کالیبراسیون سه‌بعدی تغییرات کاربری اراضی با استفاده از مدل تلفیقی سلول اتومای زنجیره مارکوف در حوزه آبخیز گرگان‏رود

سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی

مقاله 1، دوره 11، شماره 2 - شماره پیاپی 39، تیر 1399، صفحه 1-26   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/girs.2020.674554

نویسندگان

محبوبه حاجی بیگلو^{* 1}؛ واحد بردی شیخ²؛ هادی معماریان³؛ چوقی بایرام کمکی⁴

¹دانشجوی دکتری آبخیزداری، دانشکده مرتع و آبخیزداری، دانشگاه گرگان، گرگان، ایران

²دانشیار گروه آبخیزداری، دانشکده مرتع و آبخیزداری، دانشگاه گرگان، گرگان، ایران

³دانشیار گروه منابع طبیعی، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران

⁴استادیار گروه مدیریت مناطق بیابانی، دانشکده مرتع و آبخیزداری، دانشگاه گرگان، گرگان، ایران

چکیده

پیشینه و هدف تغییرات در کاربری/پوشش اراضی به‌عنوان یکی از موضوعات مهم در مدیریت منابع طبیعی، توسعه پایدار و تغییرات زیست‌محیطی در مقیاس محلی، ملی، منطقه‌ای و جهانی مطرح است. تبدیل کاربری‌ها به یکدیگر و تغییر کاربری‌های مجاز به غیرمجاز از قبیل تبدیل اراضی زراعی به مناطق مسکونی و یا اراضی مرتعی به دیم‌زارهای کم بازده و فرسایش یافته به‌عنوان موضوعات مهم در منابع طبیعی همواره مطرح است. شناسایی الگوهای تغییرات کاربری اراضی و پیش‌بینی تغییرات در آینده به‌منظور انجام برنامه‌ریزی مناسب در جهت بهره‌برداری بهینه از کاربری‌ها در مدیریت منابع طبیعی نیاز به مدل‌سازی تغییرات مکانی و زمانی LU/LC را آشکار می‌سازد. هدف  از تحقیق ارزیابی کارایی مدل تلفیقی سلول اتومای زنجیر مارکوف (CA-Markov model) در شبیه‌سازی و پیش‌بینی تغییرات زمانی و مکانی LU/LC در حوزه آبخیز گرگان‏رود با کاربرد آنالیز سه‌بعدی پنتیوس- ملینوس در کالیبراسیون تغییرات کاربری اراضی با استفاده از سه شاخص ارزیابی اختلاف کمی (QD)، اختلاف مکانی (AD) و درجه شایستگی (FOM) به‌عنوان شاخص‌های جدید در ارزیابی صحت مدل زنجیره مارکوف است.
مواد و روش ها به‌منظور پیش‌بینی تغییرات کاربری اراضی با استفاده از مدل تلفیقی سلول اتومای زنجیره مارکوف در حوزه آبخیز گرگان‏رود، از تصاویر سنجندِه مشاهده‌گر زمینی OLI و TM ماهواره لندست 8 و 5 مربوط به سایت USGS استفاده شد. هفت کلاس کاربری اراضی شامل کلاس اراضی جنگلی با شماره کد کاربری 1، کلاس اراضی زراعی با شماره کد کاربری 2، کلاس اراضی مرتعی (مخلوط درختچه زار/ مرتع/ زراعت) با شماره کد کاربری 3، کلاس منابع آبی با شماره کد کاربری 4، کلاس اراضی بایر (بایر/ مرتع/ زراعت) با شماره کد کاربری 5، کلاس مناطق مسکونی و صنعتی با شماره کد کاربری 6، کلاس بستر رودخانه با شماره کد کاربری 7 برای حوزه آبخیز گرگان‏رود تفکیک گردید. به‌منظور طبقه‌بندی تصاویر ماهواره‌ای لندست 5 و 8 به‌منظور استخراج کلاس‌های کاربری اراضی حوزه آبخیز گرگان‏رود از روش طبقه‌بندی شی‌ءگرا و الگوریتم ماشین بردار پشتیبان استفاده شد. مقیاس سگمنت‌سازی در این الگوریتم با مقیاس 50 واحد (SL50) به‌منظور طبقه‌بندی تصاویر ماهواره سال‌های 1987، 2000، 2009 و 2017 انتخاب شد. ارزیابی صحت الگوریتم ماشین بردار پشتیبان در طبقه‌بندی شی‌ءگرای تصاویر ماهواره‌ای بابیان دقت کلی، ضریب کاپا، صحت کاربر، صحت تولیدشده، خطای Commission و خطای Omission برای هر چهار دوره مطالعاتی انجام‌شده است. برای درک این‌که در طی دوره 30 ساله موردمطالعه، تغییرات ایجاد‌شده در منطقه چگونه بوده و کدام کلاس‌ها گسترش و کدام کلاس کاهش مساحت داشته‌اند، با استفاده از نقشه‌های طبقه‌بندی‌شده با استفاده از نرم‌افزار IDRISI، تغییرات در محدوده کلاس‌ها آشکار و درصد تغییرات هر کلاس به دست آمد. مدل CA-Markov تغییرات گروه‌های مختلف از واحدهای LU/LC را بر اساس مفهوم همسایگی مکانی و ماتریس احتمال انتقال، پیش‌بینی می‌کند. یکی از الزامات برای پیش‌بینی تغییرات کاربری اراضی با مدل CA-Markov تهیه نقشه‌های تناسب اراضی است تا تغییرات مکانی به‌وسیله قوانین احتمال از طریق فیلتر نقشه‌های تناسب برای هر کاربری کنترل شود. اعتبارسنجی مدل مارکوف با استفاده از آنالیز سه‌بعدی پنتیوس و ملینوس با سه شاخص درجه شایستگی و اختلاف‌های کمی اختلاف‌های مکانی انجام شد.
نتایج و بحث الگوریتم ماشین بردار پشتیبان در طبقه‌بندی کاربری اراضی به روش شی‌ءگرا نشان داد که بیشترین میزان خطای اضافه و خطای حذف به ترتیب با 19.12 و 18.55 درصد در اراضی مرتعی و اراضی زراعی در نقشه کاربری اراضی سال 2009 مشاهده گردید. پایین‌ترین صحت تولیدکننده به میزان 71.49 درصد مربوط به کلاس کاربری اراضی مرتعی در نقشه کاربری اراضی سال 2009 و پایین‌ترین صحت کاربر به میزان 71.45 درصد مربوط به کلاس کاربری اراضی زراعی در نقشه کاربری اراضی سال 2017 است. در دوره 30 ساله از سال 1987 تا 2017 بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، بیش‌ترین تغییر مثبت مربوط به افزایش کاربری اراضیزراعی و در تغییرات منفی مربوط به کاهش کاربری اراضی جنگلی و مرتعی در طول دوره موردنظر است. بیش‌ترین کاهش اراضی جنگلی با 4.8 درصد در دوره 2017-2000، بیش‌ترین افزایش اراضی زراعی با 5.3 درصد در دوره 2017-1987، بیش‌ترین کاهش اراضی مرتعی با 9 درصد در دوره 2017-2009، بیش‌ترین افزایش اراضی بایر با 4.6 درصد در دوره 2017-2009 و بیش‌ترین افزایش اراضی مسکونی و صنعتی با 0.8 درصد در دوره 2017-1987 رخ‌داده است. بعد از اعتبارسنجی تغییرات کاربری اراضی پیش‌بینی‌شده در مدل زنجیره مارکوف، بر اساس تحلیل 5 حالت موجود در آنالیز سه‌بعدی پنتیوس و ملینوس، مدل زنجیره مارکوف با پیش‌بینی صحیح شبیه‌سازی 89.92 درصد، نشان از کارایی بالای مدل زنجیره مارکوف در فرآیند شبیه‌سازی بود. بعد از اجرای تحلیل زنجیره مارکوف بر روی نقشه کاربری اراضی به‌دست‌آمده از طبقه‌بندی تصاویر ماهواره‌ای، یک ماتریس احتمال انتقال و ماتریس مساحت انتقال‌یافته ایجاد شد. در پیش‌بینی‌های انجام‌شده توسط مدل زنجیره مارکوف از سال 2017 تا سال 2035 عمده تغییرات مربوط به کاهش وسعت اراضی جنگلی و بایر به ترتیب به میزان 16966 و 6961 هکتار است و در مقابل این کاهش کاربری، افزایش وسعت اراضی زراعی، مرتعی و مسکونی به میزان 20397، 3913 و 3825 هکتار مشاهده خواهد شد.
نتیجه ­گیری آَشکارسازی تغییرات کاربری اراضی با استفاده از ابزار LCM برای دوره سی‌ساله 2017 – 1987 در حوزه آبخیز گرگان‏رود نشان داد که کاربری جنگل، زارعت و نواحی مسکونی در طی این دوره در این منطقه تغییرات چشمگیری داشته است. نتایج حاصل از پیش‌بینی تغییرات کاربری اراضی در طی هجده سال آینده با استفاده از مدل تلفیقی سلول اتومای زنجیره مارکوف نشان داد که در طی سالیان آتی با پدیده جنگل‌زدایی شدید در این حوزه روبه‌رو خواهیم بود. بررسی نتایج حاصل از اجرای مدل شبکه‌سازی کاربری آینده با استفاده از تخمینگر انتقال مارکوف نشان داد که می‌توان تغییرات کاربری آینده را با توجه به شرایط محیطی موجود پیش‌بینی کرد که نشان‌دهنده این است که در حوزه آبخیز گرگان‏رود در طی هجده سال آینده زراعت به‌شدت در این منطقه افزایش خواهد داشت. لذا باید با مدیریت بلندمدت و جامع، منابع آب‌وخاک حفظ کرد و تا حد امکان مانع از تخریب این منابع ارزشمند شد. سه شاخص QD، AD و FOM در آنالیز سه‌بعدی نقش مهمی در بیان میزان صحت و کالیبراسیون طبقه‌بندی کاربری اراضی و پیش‌بینی کاربری اراضی داشت. نتایج تغییرات کاربری اراضی مطالعه شده با استفاده از ابزار LCM و مدل تلفیقی سلول اتومای زنجیره مارکوف در طی دوره 1987 تا 2035 بیانگر تخریب بیش از 24309 هکتار از اراضی جنگلی و 31921 هکتار از اراضی مرتعی و افزایش زراعت در حوزه به مساحت 62421 هکتار است که بیانگر دخالت‌های انسانی و جنگل‌تراشی‌های پیش رو در این حوزه است.

کلیدواژه‌ها

الگوریتم ماشین بردار پشتیبان؛ ابزار LCM؛ مدل تلفیقی سلول اتومای زنجیره مارکوف؛ آنالیز سه‌بعدی پنتیوس- ملینوس

مراجع

Al-sharif AAA, Pradhan B. 2014. Monitoring and predicting land use change in Tripoli Metropolitan City using an integrated Markov chain and cellular automata models in GIS. Arabian Journal of Geosciences, 7(10): 4291-4301. doi:10.1007/s12517-013-1119-7.

Anand J, Gosain AK, Khosa R. 2018. Prediction of land use changes based on Land Change Modeler and attribution of changes in the water balance of Ganga basin to land use change using the SWAT model. Science of The Total Environment, 644: 503-519. doi:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.07.017.

Araya YH, Cabral P. 2010. Analysis and modeling of urban land cover change in Setúbal and Sesimbra, Portugal. Remote Sensing, 2(6): 1549-1563. doi:https://doi.org/10.3390/rs2061549.

Arsanjani JJ, Helbich M, Kainz W, Darvishi Boloorani A. 2013. Integration of logistic regression, Markov chain and cellular automata models to simulate urban expansion. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 21: 265-275. doi:https://doi.org/10.1016/j.jag.2011.12.014.

Askarizadeh D, Arzani H, Jafary M, Bazrafshan J, Prentice I. 2018. Surveying of the past, present and future of vegetation changes in the central Alborz ranges in relation to climate change. Journal of RS and GIS for Natural Resources, 9(32): 1-18. (In Persian)

Beygi Heidarlou H, Banj Shafiei A, Erfanian M, Tayyebi A, Alijanpour A. 2019. Effects of preservation policy on land use changes in Iranian Northern Zagros forests. Land Use Policy, 81: 76-90. doi:https://doi.org/10.1016/j.landusepol.2018.10.036.

Clancy D, Tanner JE, McWilliam S, Spencer M. 2010. Quantifying parameter uncertainty in a coral reef model using Metropolis-Coupled Markov Chain Monte Carlo. Ecological Modelling, 221(10): 1337-1347. doi:https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2010.02.001.

Dezhkam S, Jabbarian Amiri B, Darvishsefat AA, Sakieh Y. 2017. Performance evaluation of land change simulation models using landscape metrics. Geocarto international, 32(6): 655-677. doi:https://doi.org/10.1080/10106049.2016.1167967.

Esch T, Asamer H, Bachofer F, Balhar J, Boettcher M, Boissier E, d'Angelo P, Gevaert CM, Hirner A, Jupova K. 2020. Digital world meets urban planet–new prospects for evidence-based urban studies arising from joint exploitation of big earth data, information technology and shared knowledge. International journal of digital earth, 13(1): 136-157. doi:https://doi.org/10.1080/17538947.2018.1548655.

Ghorbannia K, Mirsanjari M, Armin M. 2017. Forecasting of forest land changes in the Chaloosrood watershed. Journal of RS and GIS for Natural Resources, 8(2): 79-91. (In Persian)

Ghosh P, Mukhopadhyay A, Chanda A, Mondal P, Akhand A, Mukherjee S, Nayak SK, Ghosh S, Mitra D, Ghosh T, Hazra S. 2017. Application of Cellular automata and Markov-chain model in geospatial environmental modeling- A review. Remote Sensing Applications: Society and Environment, 5: 64-77. doi:https://doi.org/10.1016/j.rsase.2017.01.005.

Guan D, Li H, Inohae T, Su W, Nagaie T, Hokao K. 2011. Modeling urban land use change by the integration of cellular automaton and Markov model. Ecological Modelling, 222(20): 3761-3772. doi:https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2011.09.009.

Hajbigloo M, Sheikh V, Memarian H, Bairam Komaki C. 2020. Determination of quantity and allocation disagreement indices in selection of appropriate algorithm for land use classification in pixel and objected base in Gorgarood river basin. Journal of RS and GIS for Natural Resources, 10(4): 1-20. (In Persian)

Kelly dOB, Alvares Soares Ribeiro CA, Marcatti GE, Lorenzon AS, Martins de Castro NL, Domingues GF, Romário de Carvalho J, Rosa dos Santos A. 2018. Markov chains and cellular automata to predict environments subject to desertification. Journal of Environmental Management, 225: 160-167. doi:https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.07.064.

Khalifa MA. 2015. Evolution of informal settlements upgrading strategies in Egypt: From negligence to participatory development. Ain Shams Engineering Journal, 6(4): 1151-1159. doi:https://doi.org/10.1016/j.asej.2015.04.008.

Ku C-A. 2016. Incorporating spatial regression model into cellular automata for simulating land use change. Applied Geography, 69: 1-9. doi:https://doi.org/10.1016/j.apgeog.2016.02.005.

Kumar KS, Kumari KP, Bhaskar PU. 2016. Application of Markov Chain & Cellular Automata based model for prediction of Urban transitions. In: 2016 International Conference on Electrical, Electronics, and Optimization Techniques (ICEEOT). IEEE, pp 4007-4012. doi:https://doi.org/4010.1109/ICEEOT.2016.7755466.

Liu Y, Feng Y, Pontius RG. 2014. Spatially-explicit simulation of urban growth through self-adaptive genetic algorithm and cellular automata modelling. Land, 3(3): 719-738. doi:https://doi.org/10.3390/land3030719.

Mansour S, Al-Belushi M, Al-Awadhi T. 2020. Monitoring land use and land cover changes in the mountainous cities of Oman using GIS and CA-Markov modelling techniques. Land Use Policy, 91: 104414. doi:https://doi.org/10.1016/j.landusepol.2019.104414.

Memarian H, Balasundram SK, Talib JB, Sung CTB, Sood AM, Abbaspour K. 2012. Validation of CA-Markov for simulation of land use and cover change in the Langat Basin, Malaysia. Journal of Geographic Information System, 4(6): 542-554. doi:https://doi.org/10.4236/jgis.2012.46059.

Mohammadi S, Habashi K, Pourmanafi S. 2018. Monitoring and prediction land use/land cover changes and its relation to drought (Case study: sub-basin Parsel B2, Zayandeh Rood watershed). Journal of RS and GIS for Natural Resources, 9(1): 24-39. (In Persian)

Munthali MG, Mustak S, Adeola A, Botai J, Singh SK, Davis N. 2020. Modelling land use and land cover dynamics of Dedza district of Malawi using hybrid Cellular Automata and Markov model. Remote Sensing Applications: Society and Environment, 17: 100276. doi:https://doi.org/10.1016/j.rsase.2019.100276.

Pontius Jr RG, Millones M. 2011. Death to Kappa: birth of quantity disagreement and allocation disagreement for accuracy assessment. International Journal of Remote Sensing, 32(15): 4407-4429. doi:https://doi.org/10.1080/01431161.2011.552923.

Pontius Jr RG, Peethambaram S, Castella J-C. 2011. Comparison of three maps at multiple resolutions: a case study of land change simulation in Cho Don District, Vietnam. Annals of the Association of American Geographers, 101(1): 45-62. doi:https://doi.org/10.1080/00045608.2010.517742.

Prestele R, Alexander P, Rounsevell MD, Arneth A, Calvin K, Doelman J, Eitelberg DA, Engström K, Fujimori S, Hasegawa T. 2016. Hotspots of uncertainty in land‐use and land‐cover change projections: a global‐scale model comparison. Global change biology, 22(12): 3967-3983. doi:https://doi.org/10.1111/gcb.13337.

Ralha CG, Abreu CG, Coelho CGC, Zaghetto A, Macchiavello B, Machado RB. 2013. A multi-agent model system for land-use change simulation. Environmental Modelling & Software, 42: 30-46. doi:https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2012.12.003.

Rimal B, Zhang L, Keshtkar H, Haack BN, Rijal S, Zhang P. 2018. Land use/land cover dynamics and modeling of urban land expansion by the integration of cellular automata and markov chain. ISPRS International Journal of Geo-Information, 7(4): 154. doi:https://doi.org/10.3390/ijgi7040154.

Saaty TL. 1990. How to make a decision: the analytic hierarchy process. European journal of operational research, 48(1): 9-26.

Salehi N, Ekhtesasi M, Talebi A. 2019. Predicting locational trend of land use changes using CA-Markov model (Case study: Safarod Ramsar watershed). Journal of RS and GIS for Natural Resources, 10(1): 106-120. (In Persian)

Singh SK, Mustak S, Srivastava PK, Szabó S, Islam T. 2015. Predicting Spatial and Decadal LULC Changes Through Cellular Automata Markov Chain Models Using Earth Observation Datasets and Geo-information. Environmental Processes, 2(1): 61-78. doi:https://doi.org/10.1007/s40710-015-0062-x.

Solomon N, Hishe H, Annang T, Pabi O, Asante IK, Birhane E. 2018. Forest cover change, key drivers and community perception in Wujig Mahgo Waren forest of northern Ethiopia. Land, 7(1): 32. doi:https://doi.org/10.3390/land7010032.

Stefanov WL, Ramsey MS, Christensen PR. 2001. Monitoring urban land cover change: An expert system approach to land cover classification of semiarid to arid urban centers. Remote Sensing of Environment, 77(2): 173-185. doi:https://doi.org/10.1016/S0034-4257(01)00204-8.

Tajbakhsh M, Memarian H, Shahrokhi Y. 2016. Analyzing and modeling urban sprawl and land use changes in a developing city using a CA-Markovian approach. Global Journal of Environmental Science and Management, 2(4): 397-410. doi:https://doi.org/10.22034/GJESM.2016.02.04.009.

Varga OG, Pontius RG, Singh SK, Szabó S. 2019. Intensity Analysis and the Figure of Merit’s components for assessment of a Cellular Automata – Markov simulation model. Ecological Indicators, 101: 933-942. doi:https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2019.01.057.

Verburg PH, Soepboer W, Veldkamp A, Limpiada R, Espaldon V, Mastura SSA. 2002. Modeling the Spatial Dynamics of Regional Land Use: The CLUE-S Model. Environmental Management, 30(3): 391-405. doi:10.1007/s00267-002-2630-x.

Yu H, Jia H. 2017. Simulating the spatial dynamics of urban growth with an integrated modeling approach: A case study of Foshan, China. Ecological Modelling, 353: 107-116. doi:https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2016.04.005.

Zang S, Huang X. 2006. An aggregated multivariate regression land-use model and its application to land-use change processes in the Daqing region (northeast China). Ecological Modelling, 193(3): 503-516. doi:https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2005.08.026.