استخراج شاخص رطوبت سطحی خاک (TVDI) با استفاده از نمودار پراکندگی دما/ پوشش گیاهی و تصاویر مودیس

سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی

مقاله 3، دوره 12، شماره 1 - شماره پیاپی 42، فروردین 1400، صفحه 38-62   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/girs.2021.675968

نویسندگان

صلاح شاه مرادی^{* 1}؛ حمیدرضا غفاریان مالمیری²؛ محمد امینی³

¹دانشجوی کارشناسی ارشد سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی، دانشکده علوم انسانی، دانشگاه یزد، ایران

²استادیار گروه جغرافیا، دانشکده علوم انسانی، دانشگاه یزد، ایران

³دانشجوی دکتری سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی، دانشکده سنجش از دور، دانشگاه شهید بهشتی، ایران

چکیده

 پیشینه و هدف رطوبت خاک به عنوان یک پارامتر مهم در کنترل بسیاری از فرآیندهای سیستم آب و هوایی، یکی از پارامترهای بنیادی محیط زیست و تاثیر مستقیم آن بر زندگی گیاهی، جانوری و میکرواورگانیسم‌ها، اهمیت آن در چرخه جهانی آب، انرژی و کربن، تبادلات انرژی بین هوا و خاک، چرخه آبی طبیعت (به ویژه در توزیع باران بین رواناب سطحی و نفوذ) و مدیریت منابع آب و خاک شناخته می ­شود. رطوبت خاک در فرآیندهای تعاملی بین جو و زمین و تغییرات جهانی اقلیم نقش مهمی ایفا می­ کند. روش­ های مثلثی و ذوزنقه­ ای با ترکیب داده­ های حرارتی و مرئی، از جمله روش‌های پرکاربرد در تعیین میزان رطوبت سطحی خاک می‌باشند. هدف از انجام این تحقیق برآورد رطوبت سطحی خاک، با شاخص خشکی دما و پوشش گیاهی (TVDI)، به روش مثلثی جنوب استان آذربایجان غربی با استفاده از شاخص­ دمای سطح زمین (LST) و شاخص پوشش گیاهی (NDVI)، طی سال­ های 2010 ، 2014 و 2018، است.
مواد و روش ­ها مطالعه حاضر با استفاده از تصاویر سری زمانی سنجنده مودیس، شاخص نرمال‌شده تفاضل پوشش گیاهی (NDVI) و شاخص تغییرات دمای سطح زمین (LST)، برای برآورد شاخص رطوبت سطحی (شاخص خشکی دما و پوشش گیاهی، TVDI)، در سه بازه زمانی شامل؛ بازه زمانی اول 11 دی 1388 تا 9 دی 1389، بازه زمانی دوم 11 دی 1392 تا 9 دی 1393 و بازه زمانی سوم  11 دی 1396 تا 9 دی 1397 انجام شد. در هر بازه زمانی 12 تصویر در روز 15 ام هر ماه مورد استفاده قرار گرفت. همچنین برآورد رطوبت سطحی به دو روش یکی برقرار کردن رابطه رگرسیونی و برداشتن حداقل دما و روش دوم برقرار کردن رابطه رگرسیونی و پایین پیکسل ها انجام شد. برای ارزیابی دقت این دو روش از همبستگی رگرسیونی بین نتایج حاصل از این روش‌ها با نمونه زمینی رطوبت سطحی خاک مربوط به جهاد کشاورزی (30 نقطه) در عمق 5 تا 15 سانتی ­متر استفاده شد. علت انتخاب کردن این سه سال به دلیل تفاوت بارندگی زیاد در بعضی ماه های سال ­های مورد مطالعه است. این تحقیق که با استفاده از تصاویر مودیس برای بررسی میزان رطوبت سطحی خاک، در جنوب استان آذربایجان غربی در بخشی از منطقه غرب ایران با استفاده از روش مثلثی به دو صورت متفاوت انجام شد.
 نتایج و بحث نمودار مثلث تبخیری متشکل از شاخص پوشش گیاهی و دمای سطح زمین از 11دی ماه 1388 تا 9 دی ماه 1389 تغییرات دمای زیادی رخ داده است. همین تغییراتی دمای سطح زمین باعث شده است، که نمودارها تغییرات زیادی داشته باشند. در سال 1388 طبق نمودار، حداکثر دما مردادماه و حداقل آن دی­ماه و حداکثر پوشش گیاهی در اردیبهشت ­ماه و حداقل آن آذرماه بوده است. در سال 1392، حداکثر دما در مردادماه و حداقل آن دی­ماه و حداکثر پوشش گیاهی در اردیبهشت ­ماه و حداقل آن دی­ماه و همچنین این سال نسبت به سال 1388 نسبتاً گرمتر و خشک تر بوده است. نمودار مثلث تبخیری در سال 1398 نسبت به دو سال دیگر مورد مطالعه هم میزان بارش بیشتر بوده و هم میزان پوشش گیاهی و با توجه به گراف­ ها در این سال حداکثر دما در تیرماه و حداقل آن دی­ ماه و حداکثر پوشش گیاهی در اردیبهشت­ ماه و حداقل آن در دی­ ماه است. میزان رطوبت سطحی خاک در سال 1388 برای منطقه غرب کشور ایران که حداکثر میزان رطوبت در اردیبهشت­ ماه و حداقل آن در مردادماه است. در بیشتر نقشه­ های شاخص رطوبتی در سال 1388، حداکثر رطوبت در غرب و حداقل آن در جنوب منطقه است. نتایج نقشه­ های شاخص رطوبتی در سال 1392 در این سال نسبت به سال­ های دیگر مورد مطالعه نسبتاً خشک‌تر بوده است. سال 1392 از بارش و پوشش گیاهی کمی برخوردار است. تغییرات رطوبت در این سال نسبت به سال 1388 کمتر می ­باشد. حداکثر و حداقل رطوبت در سال 1392 بین 0 تا 0.6 است. حداکثر رطوبت خردادماه و حداقل آن مردادماه می ­باشد. نقشه ­های شاخص رطوبتی TVDI سال 1396 در این سال نسبت به دو سال دیگر مورد مطالعه میزان شاخص رطوبتی بیشتر داشته است. در سال 1396 بارش زیاد باعث شده، که پوشش گیاهی افزایش و دمای سطح زمین کاهش یافته و این مسئله باعث افزایش میزان شاخص رطوبتی نسبت به سال 1388 و 1392 شده است. در سال 1396 میزان پوشش گیاهی تا حد 0.89 می ­رسد. اما در سال­ های دیگر مورد مطالعه تا 0.7 بوده است. در این سال، بیشترین میزان رطوبت مربوط به اردیبهشت ­ماه و کمترین آن در مردادماه قرار دارد. حداکثر رطوبت در طول این سال در غرب و کمترین مقدار آن جنوب است. نتایج شاخص خشکی دما و پوشش گیاهی (TVDI) برای سال های 1388، 1392 و 1396 با استفاده از روش دوم نتایج کلی این روش شبیه به روش اول می باشد. با توجه به نتایج بدست آمده از میزان دقت دو تا روش، دقت روش اول بهتر و در کل ساده ­تر از روش دوم می ­باشد. در سال 1396 در اردیبهشت ­ماه با توجه به روش اول مقدار 0.66=R² و با توجه به روش دوم مقدار 0.41=R²است.
نتیجه­ گیری برآورد رطوبت خاک سطحی برای مدیریت بهینه منابع آب و خاک ضروری است. رطوبت خاک سطحی، متغیری مهم در چرخه آبی طبیعت است که نقش مهمی در تعادل جهانی آب و انرژی به واسطه تاثیر بر فرآیندهای هیدرولوژیک، اکولوژیک و هواشناسی دارد. بررسی دو تا روش مورد استفاده حاکی از آن می باشد که روش اول که به طور کلی در این تحقیق نیز مورد استفاده قرار گرفته بود با توجه به نتایج دقت تصاویر نسبت به داده ­های زمینی دقت بالاتری برخوردار است. در سال 1388 اردیبهشت ­ماه و مردادماه با توجه به روش اول مقدار R² به ترتیب 0.61 و 0.57 است. در سال 1388 مقدار R² با توجه به داده های زمینی و استفاده از روش دوم در اردیبهشت­ ماه و مردادماه به ترتیب 0.43 و 0.47 می­ باشد. همچنین، در سال 1396 مقدارR² با استفاده از روش اول در اردیبهشت ­ماه 0.66 است. در سال 1396 مقدارR² با استفاده از روش دوم در اردیبهشت­ ماه 0.41 است. نتایج به دست آمده از مدل برآورد شاخص رطوبتی سطحی خاک در این پژوهش نشان داد که این مدل قادر به برآورد مقدار رطوبت خاک در پهنه ­های وسیع جغرافیایی با دقت قابل قبول است.
 
http://dorl.net/dor/20.1001.1.26767082.1400.12.1.3.4

کلیدواژه‌ها

سنجش از دور؛ رطوبت سطحی خاک؛ دمای سطح زمین (LST)؛ شاخص نرمال‌شده تفاوت پوشش گیاهی (NDVI)؛ غرب کشور ایران

مراجع

Alkhaier F, Su Z, Flerchinger G. 2012. Reconnoitering the effect of shallow groundwater on land surface temperature and surface energy balance using MODIS and SEBS. Hydrology and Earth System Sciences, 16(7): 1833-1844. doi:https://doi.org/10.5194/hess-16-1833-2012.

Babaeian E, Homayi M, Nowruz A. 2013. Deriving and validating point spectrotransfer functions in VIS-NIR-SWIR range to estimate soil water retention. Journal of Water and Soil Resources Conservation, 2(3): 27-41. (In Persian).

Baghdadi N, Aubert M, Cerdan O, Franchistéguy L, Viel C, Eric M, Zribi M, Desprats JF. 2007. Operational mapping of soil moisture using synthetic aperture radar data: application to the Touch basin (France). Sensors, 7(10): 2458-2483. doi:https://doi.org/10.3390/s7102458.

Carlson NT, Capehart JW, Gillies RR. 1995. A new look at the simplified method for remote sensing of daily evapotranspiration. Remote Sensing of Environment, 54(2): 161-167. doi:https://doi.org/10.1016/0034-4257(95)00139-R.

Carlson TN, Gillies RR, Perry EM. 1994. A method to make use of thermal infrared temperature and NDVI measurements to infer surface soil water content and fractional vegetation cover. Remote Sensing Reviews, 9(1-2): 161-173. doi:https://doi.org/10.1080/02757259409532220.

Dashtaki Victim N, Homayi M. 2013. Estimation of soil moisture curve using transfer functions. Journal of Agricultural Sciences, 10(4): 157-166. (In Persian).

Farrokhian Firoozi A, Homayi M. 2005. Establish a point transfer function to estimate the moisture curve of gypsum soils. Journal of Agricultural Engineering Research, 6(24): 129-142. (In Persian).

Gao Z, Gao W, Chang N-B. 2011. Integrating temperature vegetation dryness index (TVDI) and regional water stress index (RWSI) for drought assessment with the aid of LANDSAT TM/ETM+ images. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 13(3): 495-503. doi:https://doi.org/10.1016/j.jag.2010.10.005.

Homaee M, Firouzi AF. 2008. Deriving point and parametric pedotransfer functions of some gypsiferous soils. Soil Research, 46(3): 219-227.

Khodaverdiloo H, Homaee M, Martinus T, Dashtaki SG. 2011. Deriving and validating pedotransfer functions for some calcareous soils. Journal of Hydrology, 399(1): 93-99. doi:https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2010.12.040.

Koster RD, Dirmeyer PA, Guo Z, Bonan G, Chan E, Cox P, Gordon C, Kanae S, Kowalczyk E, Lawrence D. 2004. Regions of strong coupling between soil moisture and precipitation. Science, 305(5687): 1138-1140. doi:https://doi.org/10.1126/science.1100217.

Lunt I, Hubbard S, Rubin Y. 2005. Soil moisture content estimation using ground-penetrating radar reflection data. Journal of Hydrology, 307(1): 254-269. doi:https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2004.10.014.

Maduako IN, Ndukwu RI, Ifeanyichukwu C, Igbokwe O. 2017. Multi-Index Soil Moisture Estimation from Satellite Earth Observations: Comparative Evaluation of the Topographic Wetness Index (TWI), the Temperature Vegetation Dryness Index (TVDI) and the Improved TVDI (iTVDI). Journal of the Indian Society of Remote Sensing, 45(4): 631-642. doi:https://doi.org/10.1007/s12524-016-0635-9.

Mekonnen DF. 2009. Satellite remote sensing for soil moisture estimation: Gumara catchment, Ethiopia. Thesis of Geo-information Science and Earth Observation, Specialisation: (Integrated Watershed Modelling and Management). WREM Department of ITC, Enschede, the Netherlands. 120 p. In. ITC.

Navabian M, Liaqat A, Homayi M. 2003. Estimation of saturated blue conductivity using transfer functions. Journal of Agricultural Engineering Research, 16: 1-12. (In Persian).

Njoku EG, Jackson TJ, Lakshmi V, Chan TK, Nghiem SV. 2003. Soil moisture retrieval from AMSR-E. IEEE transactions on Geoscience and Remote Sensing, 41(2): 215-229. doi:https://doi.org/10.1109/TGRS.2002.808243.

Patel N, Anapashsha R, Kumar S, Saha S, Dadhwal V. 2009. Assessing potential of MODIS derived temperature/vegetation condition index (TVDI) to infer soil moisture status. International Journal of Remote Sensing, 30(1): 23-39. doi:https://doi.org/10.1080/01431160802108497.

Richards L. 1949. Methods of measuring soil moisture tension. Soil science, 68(1): 95.

Sandholt I, Rasmussen K, Andersen J. 2002. A simple interpretation of the surface temperature/vegetation index space for assessment of surface moisture status. Remote Sensing of Environment, 79(2): 213-224. doi:https://doi.org/10.1016/S0034-4257(01)00274-7.

Schirmbeck LW, Fontana DC, Schirmbeck J. 2018. Two approaches to calculate TVDI in humid subtropical climate of southern Brazil. Scientia Agricola, 75(2): 111-120. doi:https://doi.org/10.1590/1678-992x-2016-0315

Wang C, Chen J, Chen X, Chen J. 2019. Identification of concealed faults in a grassland area in Inner Mongolia, China, using the temperature vegetation dryness index. Journal of Earth Science, 30(4): 853-860. doi:https://doi.org/10.1007/s12583-017-0980-9.

Wang C, Qi S, Niu Z, Wang J. 2004. Evaluating soil moisture status in China using the temperature–vegetation dryness index (TVDI). Canadian Journal of Remote Sensing, 30(5): 671-679. doi:https://doi.org/10.5589/m04-029.

Wang L, Qu JJ. 2009. Satellite remote sensing applications for surface soil moisture monitoring: A review. Frontiers of Earth Science in China, 3(2): 237-247. doi:https://doi.org/10.1007/s11707-009-0023-7.

Weidong L, Baret F, Xingfa G, Qingxi T, Lanfen Z, Bing Z. 2002. Relating soil surface moisture to reflectance. Remote Sensing of Environment, 81(2): 238-246. doi:https://doi.org/10.1016/S0034-4257(01)00347-9.

Western AW, Grayson RB. 1998. The Tarrawarra data set: Soil moisture patterns, soil characteristics, and hydrological flux measurements. Water Resources Research, 34(10): 2765-2768. doi:https://doi.org/10.1029/98WR01833.

Zhang D, Tang R, Zhao W, Tang B, Wu H, Shao K, Li Z-L. 2014. Surface soil water content estimation from thermal remote sensing based on the temporal variation of land surface temperature. Remote Sensing, 6(4): 3170-3187. doi:https://doi.org/10.3390/rs6043170.