بررسی رابطه تغییرات کاربری اراضی و پوشش گیاهی با دمای سطح زمین در شهرستان نمین

سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی

مقاله 2، دوره 11، شماره 2 - شماره پیاپی 39، تیر 1399، صفحه 27-48   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/girs.2020.674652

نویسندگان

آزاد کاکه ممی¹؛ اردوان قربانی^{* 2}؛ صیاد اصغری سراسکانرود³؛ احسان قلعه⁴؛ سحر غفاری⁵

¹دانشجوی دکتری علوم و مهندسی مرتع، گروه منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

²استاد گروه منابع طبیعی، دانشکده‌ی کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

³دانشیار گروه ژئومورفولوژی، گروه جغرافیای طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

⁴دانشجوی دکتری ژئومورفولوژی، گروه جغرافیای طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

⁵دانش‌آموخته دکتری علوم مرتع، گروه منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

چکیده

پیشینه و هدف گسترش سریع شهرها به دلیل تغییرات گسترده در کاربری و پوشش زمین اثرات منفی بر کیفیت زیست ‌محیطی جهانی داشته است. تغییرات کاربری/پوشش اراضی، توسعه مناطق شهری و کشاورزی و جنگل‌زدایی باعث تغییر رژیم دمای منطقه‌ای و محلی می‌شود. آگاهی از میزان دمای سطح زمین کمک قابل توجهی به طیف وسیعی از مسائل مرتبط با علوم زمین مانند اقلیم شهری، تغییرات جهانی محیطی و بررسی تعاملات انسان و محیط می‌نماید. آنچه به‌عنوان یک نقص اساسی در پایش دمای سطح زمین به شمار می‌آید، نبود ایستگاه‌های هواشناسی کافی جهت آگاهی از مقادیر دمایی در نقاط فاقد ایستگاه است. با توجه به محدودیت اطلاعاتی که در تامین داده‌ها به‌ویژه در وسعت زیاد با مشکلات و موانع فراوانی همراه است و دست‌یابی در زمان واقعی سخت و یا غیر ممکن است. بنابراین، لزوم استفاده از فن‎آوری سنجش از دور با شرایط زمانی، همراه با ویژگی پیوستگی و داده‌برداری در محدوده‌های گسترده بسیار می‌تواند کارا باشد. هدف از انجام این تحقیق بررسی دمای سطح زمین شهرستان نمین در یک بازه زمانی 28 ساله و مقایسه نتایج به دست آمده با تغییرات کاربری اراضی و پوشش گیاهی بوده است.
 مواد و روش­ ها داده‌های مورد استفاده در این تحقیق شامل، تصویر ماهواره لندست 8 که از سنجنده OLI به‌منظور استخراج نقشه کاربری اراضی و از سنجنده TIRS به‌منظور استخراج دمای سطح زمین برای سال 2015 و همچنین از تصویر سنجنده TMلندست 5 به‌منظور تهیه نقشه کاربری اراضی با استفاده از باندهای مرئی و مادون قرمز و دمای سطح با استفاده از باندهای حرارتی برای سال 1987 استفاده شد. تصاویر در اواخر فصل بهار و اوایل فصل تابستان به‌منظور نبود پوشش‌های ابری و برفی بالا و همچنین بالا بودن شدت تابش نور خورشید اخذ شد. از نرم‌افزار eCognition8.9 برای طبقه‌بندی شی‌پایه استفاده شد. طبقه‌بندی در 5 کلاس (کشاورزی دیم و آبی، مرتع، جنگل و مسکونی) برای سال 1987 و 6 کلاس (کشاورزی دیم و آبی، مرتع، جنگل، مسکونی و آب) برای سال 2015 انتخاب شدند. جهت ارزیابی صحت و مقایسه نقشه‌‌های حاصل، از ماتریس خطا، صحت کلی و آماره‌‌ی کاپا استفاده شد. از روش پنجره مجزا برای استخراج دمای سطح زمین استفاده شد. در نهایت به‌منظور تجزیه و تحلیل ارتباط بین دمای سطح زمین با شاخص پوشش گیاهی، ضرایب همبستگی بین دمای سطح زمین و شاخص پوشش گیاهی براساس نوع کاربری در سال‌های 1987 و 2015 محاسبه شد.
نتایج و بحث  بیشترین سطح اراضی در سال 1987 و 2015 متعلق به کاربری مرتع به ترتیب با 43781 و 34114 هکتار، دومین سطح مربوط به کاربری کشاورزی دیم به ترتیب با 23854 و 33277 هکتار است. کمترین سطح نیز در سال 1987 با توجه به عدم وجود کاربری آب متعلق به کاربری مسکونی با 1301 هکتار است در حالی که در سال 2015 با احداث سازه‌های آبی کاربری آب با مساحت 86 هکتار دارای کمترین سطح اراضی است. بیشترین افزایش سطح را کاربری کشاورزی دیم با 9423 هکتار افزایش دارا است که نسبت به سال 1987 افزایش چشمگیری را داشته است. بیشترین دمای ثبت شده برای شهرستان نمین در سال‌های 1987 و 2015 مربوط به کاربری کشاورزی دیم (به ترتیب با 34 و 27 درجه سانتی‌گراد) است. که نشان از تمرکز حرارت در این مناطق است. این کاربری به دلیل عواملی از جمله خشک بودن محصولات در این زمان و برداشت محصولات بیشترین دما را دارا است. کاربری کشاورزی دیم در سال 1987 بیشترین دما (34 درجه سانتی‌گراد) را دارا بوده است اما در سال 2015 با کاهش دما (27 درجه سانتی‌گراد) مواجه شده است کما اینکه در همین سال 2015 نیز نسبت به سایر کاربری‌ها دارای بیشترین دمای سطحی بوده است. علت آن را می‌توان در عامل برداشت محصول دانست. با توجه به اینکه محصولات دیمی محدوده مورد مطالعه،اغلب گندم بوده و در این زمان از فصل، بیشتر گندم‌ها رسیده ویا برداشت می‌شوند، بنابراین تعرق این محصولات ناچیزاست. کمترین دمای ثبت شده در شهرستان نمین به ‌ترتیب مربوط به کاربری آب (21 درجه سانتی‌گراد)، جنگل (21 درجه سانتی‌گراد) و کشاورزی آبی (22 درجه سانتی‌گراد) است. با توجه به اینکه آب دارای ظرفیت گرمایی بالایی می‌باشد، لذا بیشترین اثر را در کاهش دما دارد. در کاربری‌های جنگل و کشاورزی آبی به دلیل پوشش گیاهی بیشتر دمای سطح زمین کمترین مقدار (به ترتیب 23 و 24 درجه سانتی‌گراد در سال 1987 و 21 و 22 درجه سانتی‌گراد در سال 2015) را نسبت به سایر کاربری‌ها دارا است. کاربری مربوط به کشاورزی در این ناحیه، بعد از مناطق جنگلی دارای کمترین دمای سطحی (24 درجه سانتی‌گراد در سال 1987 و 21 درجه سانتی‌گراد در سال 2015) می‌باشد. با توجه به اینکه محصولات زراعی کشت شده دراین محدوده گیاهانی ازجمله سیب‌زمینی است و این گیاهان دارای نیاز آبی بیشتری هستند. بنابراین،این گیاهان درخرداد ماه دارای سبزینگی بالایی بوده و همین امر باعث شده که در محدوده تحت کشت آن‌ها تعرق بیشتری نسبت به سایر نواحی صورت گیرد و بالطبع در خنک نگهداشتن دمایسطحی بسیارتأثیرگذار بوده است. کاربری مرتع در هر دو سال مورد مطالعه، دمای بالایی (به ترتیب 27 و 25 درجه سانتی‌گراد) را داشته است و اختلاف ناچیزی بین هر دو سال مشاهده می‌شود.
نتیجه گیری  نوع کاربری و تغییرات کاربری اراضی و پوشش گیاهی تاثیر محسوسی در تغییرات دمای سطح زمین دارد. هرچند نواحی عاری از پوشش گیاهی دارای دمای سطحی بالاتری نسبت به نواحی است که دارای پوشش گیاهی هستند. نتایج نشان داد همبستگی معنی‎داری بین پوشش گیاهی و دمای سطح زمین وجود ندارد که عمدتا ناشی از مقدار کافی پوشش گیاهی است. به‌طور کلی نتایج نشان داد، در اکثر مناطق با دمای کمتر، پوشش گیاهی انبوه‌تری وجود دارد که بیانگر رابطه معکوس بین شاخص پوشش گیاهی و دمای سطح زمین است.

کلیدواژه‌ها

کاربری اراضی؛ دمای سطح زمین؛ پوشش گیاهی؛ استان اردبیل

مراجع

Aboelnour M, Engel BA. 2018. Application of remote sensing techniques and geographic information systems to analyze land surface temperature in response to land use/land cover change in Greater Cairo Region, Egypt. Journal of Geographic Information System, 10(1): 57-88. doi:https://doi.org/10.4236/jgis.2018.101003.

Ahmadi B, Ghorbani A, Safarrad T, Sobhani B. 2015. Evaluation of surface temperature in relation to land use/cover using remote sensing data. Journal of RS and GIS for Natural Resources, 6(1): 61-77. (In Persian)

Ahmadi M, Ashorlo D, Narangifard M. 2013. Temporal–spatial variation and thermal patterns, using ETM⁺ and TM data for Shiraz city. Iranian Journal of Remote Sencing and GIS, 4(4): 55-67. (In Persian)

Akbari E, Ebrahimi M, Fiezizadeh B, Nezhadsoleimani H. 2016. Evaluating Land Surface Temperature related to the Land use Change Detection by Satellite Image (Case study: Taleghan Basin). Journal of Geography and Environmental Planning, 26(4): 151-170. (In Persian)

Asghari Saraskanroud S, Emami H. 2019. Monitoring the earth surface temperature and relationship land use with surface temperature using of OLI and TIRS Image. Journal of Researches in Geographical Sciences, 19(53): 195-215. doi:https://doi.org/10.29252/jgs.19.53.195. (In Persian)

Du Y, Wu D, Liang F, Li C. 2013. Integration of case-based reasoning and object-based image classification to classify SPOT images: a case study of aquaculture land use mapping in coastal areas of Guangdong province, China. GIScience & Remote Sensing, 50(5): 574-589. doi:https://doi.org/10.1080/15481603.2013.842292.

Feizizadeh B, Didehban K, Gholamnia K. 2016. Extraction of Land Surface Temperature (LST) based on landsat satellite images and split window algorithm Study area: Mahabad Catchment. Journal of Geographical Data, 98: 171-182. (In Persian)

Ganasri BP, Dwarakish GS. 2015. Study of Land use/land Cover Dynamics through Classification Algorithms for Harangi Catchment Area, Karnataka State, INDIA. Aquatic Procedia, 4: 1413-1420. doi:https://doi.org/10.1016/j.aqpro.2015.02.183.

García-Haro F, Camacho-de Coca B, Meliá J, Martínez B. 2005. Operational derivation of vegetation products in the framework of the LSA SAF project. EUMETSAT Meteorological Satellite Conference. Dubrovnik (Croatia). September 19-23 (Eumetsat Publ.: Darmstad). In., pp 1-6.

Ghorbannia Kheybari V, Mirsanjari M, Liaghati H, Armin M. 2017. Estimating land surface temperature of land use and land cover in Dena county using single window algorithm and landsat 8 satellite data. Journal of Environmental Sciences, 15(2): 55-74. (In Persian)

Gondwe SV, Muchena R, Boys J. 2018. Detecting Land Use and Land Cover and Land Surface Temperature Change in Lilongwe City, Malawi. Journal of Remote Sensing & GIS, 9(2): 17-26.

Heidari MA, Tavakoli A. 2017. Analyzing of the Relationship Between Land Surface Temperature Temporal Changes and Spatial Pattern of Land Use changes. The Journal of Spatial Planning, 21(3): 119-144. (In Persian)

Howarth PJ, Wickware GM. 1981. Procedures for change detection using Landsat digital data. International Journal of Remote Sensing, 2(3): 277-291. doi:https://doi.org/10.1080/01431168108948362.

Jensen JR. 2015. Remote sensing and digital image processing. Introductory Digital Image Processing A Remote Sensing Perspective: 1-34.

Johnson B, Tateishi R, Kobayashi T. 2012. Remote sensing of fractional green vegetation cover using spatially-interpolated endmembers. Remote Sensing, 4(9): 2619-2634. doi:https://doi.org/10.3390/rs4092619.

Kakeh Mami A, Ghorbani A, Kayvan Behjoo F, Mirzaei Mosivand A. 2017. Comparison of visual and digital interpretation methods of land use/cover mapping in Ardabil province. Journal of RS and GIS for Natural Resources, 8(3): 121-134. (In Persian)

Lillesand T, Kiefer RW, Chipman J. 2015. Remote sensing and image interpretation. John Wiley & Sons, 736p.

Lu D, Li G, Moran E, Freitas C, Dutra L, Sant’Anna S. 2012. A comparison of maximum likelihood classifier and object-based method based on multiple sensor datasets for land-use/cover classification in the Brazilian Amazon. Proceedings of 4th Geographic Object-Based Image Analysis (GEOBIA), Rio de Janeiro, Brazil: 7-9.

Mir Yaghoubzadeh M, Ghanbarpour M. 2009. The application of remote sensing data in land surface temperature estimation (A case study of the Westin watershed, East Azerbaijan). Journal of Rangeland, 4(2): 723-734. (In Persian)

Nduati EW, Murimi NM, Mundia CN. 2013. Effects of vegetation change and land use/land cover change on land surface temperature in the mara ecosystem. International Journal of Science and Research, 8(2): 22-28.

Rajeshwari A, Mani N. 2014. Estimation of land surface temperature of Dindigul district using Landsat 8 data. International Journal of Research in Engineering and Technology, 3(5): 122-126.

Sobrino JA, Jiménez-Muñoz JC, Paolini L. 2004. Land surface temperature retrieval from LANDSAT TM 5. Remote Sensing of Environment, 90(4): 434-440. doi:https://doi.org/10.1016/j.rse.2004.02.003.

Stehman SV. 2004. A critical evaluation of the normalized error matrix in map accuracy assessment. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 70(6): 743-751. doi:https://doi.org/10.14358/PERS.70.6.743.

USGS L. 2015. 8 (L8) data users handbook. USGS: Reston, VA, USA, URL:http://earthexplorerusgsgov.

Valizadeh Kamran K, Gholamnia K, Eynali G, Moosavi M. 2017. Estimation land surface temperature and extract heat islands using split window algorithm and multivariate regression analysis (Case Study of Zanjan). Journal of Research and Urban Planning, 30(8): 33-50. (In Persian)

Veysi S, Naseri A, Hamzeh S, Moradi P. 2016. Estimation of sugarcane field temperature using Split Window Algorithm and OLI LandSat 8 satellite images. Journal of RS and GIS Techniques for Natural Resources, 7(1): 27-40. (In Persian)

Wan Z, Dozier J. 1996. A generalized split-window algorithm for retrieving land-surface temperature from space. IEEE Transactions on geoscience and remote sensing, 34(4): 892-905. doi:https://doi.org/10.1109/36.508406.

Xiong Y, Huang S, Chen F, Ye H, Wang C, Zhu C. 2012. The impacts of rapid urbanization on the thermal environment: A remote sensing study of Guangzhou, South China. Remote sensing, 4(7): 2033-2056. doi:https://doi.org/10.3390/rs4072033.

Yuan F, Bauer ME. 2007. Comparison of impervious surface area and normalized difference vegetation index as indicators of surface urban heat island effects in Landsat imagery. Remote Sensing of Environment, 106(3): 375-386. doi:https://doi.org/10.1016/j.rse.2006.09.003.

Zhi-qiang L, Zhou Q-g. 2011. Utility of Landsat Image in the Study of Land Cover and Land Surface Temperature Change. Procedia Environmental Sciences, 10: 1287-1292. doi:https://doi.org/10.1016/j.proenv.2011.09.206.