بومشناسي کاربردي/ سال پنجم/ شماره شانزدهم / تابستان ۱۳۹۵
استفاده از بعد فراکتالی براي بررسی اثر مقیاس بر حساسیت سنجههاي سیماي سرزمین
1 2٭ 2روشنک افراخته ،علی عسگریان و علیرضا سفیانیان
(تاریخ دریافت: 19/8/1394 ؛ تاریخ پذیرش: 14/2/1395)
چكيده
126873867918

Downloaded from ijae.iut.ac.ir at 16:10 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.ijae.5.16.85 ]

Downloaded from ijae.iut.ac.ir at 16:10 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.ijae.5.16.85 ]

حساسيت سنجههاي سيماي سرزمين به عامل مقياس يکي از اصليترين چالشهاي پـ يش رو در مطالعـات اکولـوژي سـ يماي سـرزم ين و کميسازي الگوهاي مکاني بهشمار ميآيد. مطالعه حاضر نيز در اين راستا با استفاده از شاخص فراکتالي به بررسي اثر مقياس بر حساسيت سنجههاي سيماي سرزمين در بخشهايي از مناطق دشتي شمال کشور (پيرامون شهر ساري) پرداخته است. با پردازش تصـاو ير مـاهواره ايلندست ۸ (سنجنده OLI)، نقشه طبقات کاربري/ پوشش زمين تهيه و با استفاده از روش سلول- مرکزي به نقشههايي با مقياسهاي مکـان ي۳۰، ۶۰، ۱۲۰، ۱۵۰، ۲۰۰، ۲۵۰ و ۳۰۰ متر تبديل شدند. سپس سنجههاي سيماي سرزمين در سطح سيماي سـرزم ين بـرا ي کليـ ه نقشـه هـامحاسبه شد. در نهايت براي هر سنجه، معادلات رگرسيون خطي با تبديل مقادير سنجهها به مقياس لگاريتمي تشکيل و دو شاخص ضـر يب تعيين معادله و بعد فراکتال آنها محاسبه گرديد. ضريب تعيين براي کليه سنجههاي تنوع برابر با مقدار صفر و براي ساير سنجهها در دو دستهکلي حساسيت زياد( R- افزايشي) و بدون حساسيت( N- بدون اثر) بهدست آمد. تفسير نتايج حاصل از اين دو شاخص بهخوبي توانسـتميزان حساسيت سنجههاي سيماي سرزمين به عامل مقياس (ضريب تعيين معادله) و نيز جهت و شدت تغيير سنجهها به عامل مقياس (بعـدفراکتال) را نشان دهد.
واژههاي كليدي: ضريب تعيين، بعد فراکتال، سنجههاي سيماي سرزمين، اثر مقياس

۱. گروه محيط زيست، دانشکده کشاورزي و منابع طبيعي، دانشگاه هرمزگان
۲. گروه محيط زيست ،دانشکده منابع طبيعي، دانشگاه صنعتي اصفهان
*: مسئول مكاتبات، پست الكترونيكي:asgarian.z@gmail.com
126873867918

Downloaded from ijae.iut.ac.ir at 16:10 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.ijae.5.16.85 ]

Downloaded from ijae.iut.ac.ir at 16:10 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.ijae.5.16.85 ]

مقدمه
کمیسازي الگوهاي مکانی، یکی از ارکـان اصـلی در شناسـا ییارتباط بـ ین سـاختار و عملکردهـاي موجـود در بسـتر سـیمايسرزمین( 9) و پیشبینی اثرات متعاقب آن( 28) اسـت. امـروزهاین رویکـرد بـه یکـ ی از تحلیـ لهـا ي معمـول در شـاخههـا يگوناگون علوم زمینی مانند هیدرولوژي و منـابع آب ( 7)، حفـظتنوع زیستی و زیستگاههاي حیات وحش( 3، 10 و 12)، پـا یش (17)، احیا( 18 و 19) و مدیریت( 35) سیماي سـرزم ین تبـد یل شده است.
الگوهاي مکانی سیماي سرزمین داراي یک سـاختار سلسـلهمراتبی شامل تکـه ( یـ ک پهنـه همگـن زمینـ ی از یـ ک پدیـ ده) ،مجموعهاي از پدیدههاي همگن (کلاس) و ساختاري متشکل از انواع پدیدهها با یک پدیده غالـب در بسـتر (سـیماي سـرزم ین) هستند( 14 و 21) که با استفاده از سنجههاي سـ یماي سـرزم ین بهصورت کمی بیـ ان مـیشـوند ( 2 و 24). سـنجه هـا ي سـ یمايسرزمین، الگوهاي مکانی هر سطح را نیز از جنبههاي سـاختار ي(ماننــد ارتباطــات مکــان ی و پیچیــدگی شــکل پدیــدههــا) و ترکیببندي (تنوع و فراوانی پدیدهها) مورد بررسی قرار میدهد (14 و 21) و بر این اساس در گـروه هـا ي مختلفـ ی طبقـه بنـد يمیشوند (براي نمونه رجوع کنید به 24).
وجـــود طیـــف بســـیار متنـــوع نـــرمافزارهـــایی ماننـــد
PA4 ،(20) V-Late ،(25) Fragstats (26) و IAN(http://landscape.forest.wisc.edu/projects/IAN) تنهـ ا بـ ه بخش کمیسازي الگوهاي مکانی اشاره دارد، حال آنکه هـدف،شناسایی ارتباط بین ساختار، فرآینـدها و عملکـرد اسـت( 27).
یکی از موارد اصلی در نیل بـه ایـ ن هـدف، شناسـایی مقیاسـ یاست که الگوهـا ي مکـان ی (کـه بـهوسـ یله سـنجه هـا ي سـ یمايسرزمین کمی شدهاند) بتوانند عملکرد اکوسیستم را شناسـا یی و تفسیر کنند( 14). بهعبـارت د یگـر س یسـتم هـا ي اکولـوژ یکی (و سیماي سرزمین بهعنوان جزئی از آن) بـه صـورت سیسـتم هـا يچند مقیاسه هستند که عملکردهاي گوناگون آن در یک ساختار سلســله مراتبــی رخ مــیدهــد( 14 و 32)؛ بنــابراین شناســاییعملکردي خـاص در یـ ک اکوسیسـتم مسـتلزم شـناخت دقیـ ق مقیاس آن است( 14). مقیاس میتواند در ارتباط با زمان (ماننـدزمان وقوع یک رخـداد یـ ا دگرگـون ی در یـ ک کـارکرد سـیمايسرزمین) و مکان مطرح شود( 30). مقیاس مکـان ی، چنانچـه درسامانههاي اطلاعات جغرافیایی نیز مطرح میشود، در سه بخش اندازه سلول( یا کـوچکتر ین واحـد نقشـه در حالـت بـرداري)، گستره و نوع سیستم طبقهبندي پدیدهها در نقشههاي موضـوع یمورد بررسی قرار میگیرد( 13).
در مباحث مرتبط با بررسی اثر مقیاس در اکولـوژ ي سـ یمايســرزمین، مطالعــات متعــددي بــه بررســی وجــود حساســیت س نجهه اي س یماي ســرزمین ب ه عام ل مقی اس و در نتیجــه طبقهبندي آنها به گروههاي مختلفی از جمله سنجههاي حسـاسو غیرحساس به عامل مقیاس پرداختند. بهعنوان مثال عسـگر یان و جباریان (4) در یک سـ یماي سـرزم ین کشـاورز ي در منـاطقمرکزي ایران ،یوما و همکـاران ( 31) در یـ ک سـ یماي سـرزم ین غیرواقعی (شبیهسازي شده) و موارد بسیار دیگر، تنها به گزارش وجود و عدم وجود ارتباط سنجههاي سیماي سرزمین بـا عامـلمقیاس پرداختند (براي دسترسی جامع به این مطالعـات رجـوع کنید به( 30)). در سطوح بالاتر، این مطالعـات بـه مـدلسـاز يارتبــاط بــین ســنجههــاي ســیماي ســرزمین و عامــل مقیــاس پرداختهاند. بـه عنـوان مثـال وو و همکـاران( 32) نحـوه پاسـخسنجههاي سیماي سرزمین به عامـل مق یـ اس را براسـاس انـواعمدلهاي رگرسـ یونی کـال یبره شـده بـراي هـر سـنجه و نیـ ز در س یماهاي س رزمین مختل ف بررس ی کردن د .آنه ا ب ا تفس یر منحنیهاي تغییر مقیاس ،سنجههاي سیماي سـرزم ین را بـه سـهگروه سنجههاي قابل پیشبینی نسبت به عامل مقیاس تـا بـدونقابلیت پیشبینی طبقهبندي کردند. با این حال در این مطالعـات،تنها خصوصیات درونی (ذاتی) مـرتبط بـا عامـل مق یـ اس ماننـدگستره مکانی و وسعت سیماي سرزمین مورد توجه بوده اسـت؛حال آنکه عدم توجه به خصوصیات بیرونی در آنها مورد انتقـادقرار گرفته است. بهعنوان مثالی از بررسی خصوصیات بیرونـ ی، لاستیگ و همکاران( 22) به بررسی دو عامل بیرونی مـرتبط بـازیستگاههاي حیات وحش شامل 1) درصد زیسـتگاه مطلـوب و2) خود همبستگی موجود در ساختار الگوهاي مکانی (بهعنـوانشاخصــی از تکــه تکــه شــدگی ســیماي ســرزمین و تخریــب زیستگاه) پرداختند. نتایج حاصل از این مطالعـه گو یـ اي ارتبـاطقوي بین عوامل بیرونی ذکر شده و وابستگی سنجههاي سـ یمايسرزمین به عامل مقیاس است.
در راستاي مطالعات صورت گرفته، تحقیق پـ یش رو بـر آناست تا بهعنوان رویکـرد ي جدیـ د و بـا اسـتفاده از روشهـا يآماري به کمی کـردن ابعـاد فراکتـال الگوهـاي مکـان ی در یـ ک سیماي سرزمین متنوع از نظر نوع کاربري/ پوشـش سـرزمین در مناطق شمال کشور بپردازد. بر این اساس ،علاوه بر بررسـ ی اثـر
مقیاس بر سنجههاي سیماي سرزمین، جهت و شدت حساسیت سنجههاي سیماي سرزمین به عامل مقیاس نیـ ز در ایـ ن مطالعـهمشخص خواهد شد.
مواد و روشها
منطقه مورد مطالعه
براي انجام این مطالعه بهدلیل لزوم استفاده از یک منطقه با تنوع کاربري/ پوشش اراضی بـالا ، محـدوده اي منطبـق بـر شهرسـتانساري با استفاده از مرزهاي اکولوژیکی (خط الـراس کـوههـا يمنتهی به جلگه دشت مازندران) با وسـعت 950 کیلـومتر مربـعبین طول جغرافیایی 93/52 تـا 37/53 درجـه شـرقی و عـرضجغرافیایی 44/36 تا 82/36 درجه شمالی بهعنوان منطقـه مـوردمطالعه در این تحقیق انتخاب گردید. ایـ ن منطقـه از شـمال بـهدریــاي خــزر و از ســمت جنــوب بــه ارتفاعــات پوشــیده از جنگلهاي هیرکانی منتهی مـ یشـود. طبقـات کـاربري/ پوشـشسرزمین آن بسیار متنوع و از پراکندگی بسیار خـوب ی برخـورداراس ت. بس تر س یماي س رزمین منطق ه م ورد مطالع ه اراض یکشاورزي و دربرگیرنده آب بندهاي پراکنده و یک تکـه بـزرگسکونتگاهی (شهر ساري با وسعت تقریبی 2000 هکتار) است .
اراضی بدون پوشش شامل بستر رودخانه تجن در پیرامون شـهرساري است و اراضی جنگل در ارتفاعـات جنـوبی ایـ ن منطقـهدیده میشود .شکل 1 نشاندهنده منطقه مورد مطالعه است.
دادههاي مورد استفاده
در مطالعات صورت گرفتـه در داخـل کشـور، عمومـاعمومـاً تصـاویر ماهواره لندست بهدلیل رایگان بودن و دسترسـ ی بسـ یار راحـتبهعنوان اصلیترین منبع براي تولید اطلاعـات پا یـ ه (در مقیـ اس 1:50000 تا 1:100000) در مطالعـات محـیط زیسـت و منـابعطبیعی بهشمار میآیند. از اینـرو از تصـو یر مـاهوار ة لندسـت 8(نسل 4، سنجنده OLI) در تـار یخ 23 مـرداد 1394 بـه شـمارهردیف و گذر 36/163 براي تولید و پردازش دادههـا ي اولیـ ه در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفت.
پردازش تصاویر ماهوارهاي
در گام اول، تصویر خام ماهواره لندست بـا انجـام تصـحیحات اتمسفري با اسـتفاده از روش اصـلاح شـده سـلول تاریـ ک( 6) مستقیماماً به مقادیر بازتـاب تبـدیل شـدند. سـپس بـا جداسـازيمنطقه مورد مطالعه از تصویر و با استناد بـه سـطح اول سیسـتمطبقهبندي اندرسون و همکاران (8)، عمل شناسایی انواع طبقات کاربري/ پوشش در منطقه مورد مطالعه منجربه شناسـا یی تعـدادپــنج طبقــه شــامل پوشــش هــاي آب، جنگــل، بــایر، کــاربريســکونتگاهی و کشــاورزي انجامیــد .جــدول 1 دربرگیرنــده توضیحات مربوط به هر طبقه است.
براي پردازش تصاویر از یک روش سلسـله مراتبـی اسـتفادهشد. در گام اول، پوشش آب با استفاده از شاخص توسـعه یافتـهبراي این منظور ،NDWI، با دقت قابل قبول تهیـ ه گردیـ د( 23). کاربرد موفق این شاخص در مناطق شمالی کشور براي استخراج پوشش آب در مطالعات( 5) به اثبات رسیده است( رابطه 1).
NDWI  Xgreen Xnir / Xgreen Xnir[1]
126873867918

Downloaded from ijae.iut.ac.ir at 16:10 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.ijae.5.16.85 ]

Downloaded from ijae.iut.ac.ir at 16:10 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.ijae.5.16.85 ]

126873867918

Downloaded from ijae.iut.ac.ir at 16:10 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.ijae.5.16.85 ]

Downloaded from ijae.iut.ac.ir at 16:10 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.ijae.5.16.85 ]

در این معادله،Xgreen : مقادیر بازتاب بانـد سـبز وXnir :مقـاد یر بازتاب باند مادون قرمز نزدیک تصویر لندست است .هـم چنـین براي استخراج پوشش جنگـل از شـاخصNDVI (رابطـه 2) و تعیین حدود آستانه بـرا ي آن اسـتفاده شـد( 1). در ایـ ن رابطـه مقدار عددي بیش از 55/0 بهعنوان پوشش جنگل درنظر گرفتـهشد( Xred: مقادیر بازتاب باند قرمز تصویر لندست است.)
NDVI  Xnir Xred / Xnir  Xred[2]

شکل 1. منطقه مورد مطالعه
جدول 1. توصیف طبقات کاربري/ پوشش در منطقه مورد مطالعه
توضیحات کاربري/ پوشش سرزمین
آب بندها با عمق آب بیش از نیم متر آب
پوشش متراکم درخت جنگل
خاك بدون پوشش گیاهی، شنزارهاي ساحلی و بستر رودخانه بایر
اراضی انسان ساخت شامل مناطق مسکونی و راههاي ارتباطی سکونتگاه
اراضی زیر کشت و مناطق آیش کشاورزي
کاربري سکونتگاهی و بایر با استفاده از روش ماشین بـردارپشتیبان( SVM) طبقهبندي شدند. ایـ ن روش نسـبت بـه تعـدادنقاط تعلیمی حساس نیست( 33)؛ لذا بر این اسـاس تعـداد 26نقطه براي پوشش بایر و 95 نقطـه بـراي کـاربر ي سـکونتگاه یتهیه و بهروش ماشین بردار پشـت یبان معرفـ ی گردیـ د. سـرانجاممناطقی که در طبقهبنـدي هـا ي انجـام شـده جـدا نشـده بودنـدبهعنوان اراضی کشاورزي درنظر گرفتـه شـدند. بـراي حصـولاطمینان از دقت پردازش تصویر به طبقات مذکور، ماتریس خطا با استفاده از نقاط با نوع کـاربر ي معلـوم تشـکیل و آمـاره هـا يصحت کلی، ضریب کاپا محاسبه گردید. نقاط بـا نـوع کـاربريمعلوم براي نواحی در دسترس با استفاده از نقاط برداشت شـدهتوسط دسـتگاه موقع یـ ت یـ اب جهـان ی در سـال 1390 و بـرا يمناطق کوهستانی و بدون دسترس (نقاط مرتفع و دور از راههايارتباطی) با استفاده از تصاویر بـا قـدرت تفکیـ ک بسـ یار بـالا ي
. بهدست آمدgoogle earth
خطی استوار است قرار میگیرند؛ بهصورتی که این محدوده بـهمیزان تغییر مقدار عددي سنجههـا ي سـ یماي سـرزم ین حسـاسخواهــد بــود. شــاخص فراکتــال ی تعیــین شــده در ایــن روش بهصورت زیر است:
FD   1 1 a aa a00[4]
بررسی اثر مقیاس
که در آن FD، بعد فرکتالی برپایه مقادیر کمی سنجههاي سیماي
در این بخش از تحقیق، از روش سلول- مرکـزي بـرا ي تبـدیل
سرزمین است که در اثر تغییر اندازه سـلول نقشـههـا بـه دسـت
مقیاس تصویر پردازش شـده اسـتفاده شـد. بـهطـور مشـابه بـا
میآید و a: شیب مدل رگرسیون لگـار یتم- لگـار یتم اسـت کـه
مطالعات انجام شده در این زمینه( 15 و 22) مقیاسهـا ي مـورد
مقدار عددي بین 1 و 1- را در برمیگیرد. بـا توجـه بـه معادلـه
نظر برابـر بـا 30، 60، 120، 150، 200، 250 و 300 (حـداکثر
ارائه شده در بالا، مقدار شاخص فراکتالی محدوده بـین 2 و 2-
اندازه قدرت تفکیک تصاویر مـاهواره اي منـابع زمـین) انتخـاب
را شامل میشود.
گردید. در گام بعد، کلیه سنجههاي سیماي سرزمین توسعه یافته
ابعاد فراکتالی منفی (زمانی کـه 0a>) نشـاندهنـده افـزایش
در نرمافزارFragstats (25) در سطح سیماي سـرزمین محاسـبه
مقدار عددي سنجههاي سیماي سرزمین بهدلیل افـزا یش انـدازه
شدند. در مطالعات متعـددي، سـنجه هـا ي تعبیـ ه شـده در ایـ ن
سلولها است؛ در حالیکه مقدار مثبت بعد فراکتالی ( زمـانی کـه
126873867918

Downloaded from ijae.iut.ac.ir at 16:10 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.ijae.5.16.85 ]

Downloaded from ijae.iut.ac.ir at 16:10 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.ijae.5.16.85 ]

نرمافزار بهعنوان اصلیتـر ین معیارهـا ي کمـی کـردن الگوهـاي0a<) نشـان دهنـده کـاهش مق دار عـددي سـنجه هـاي س یماي
سیماي سرزمین مورد استفاده قـرار گرفتـهانـد ( 30). جـدول 2
سرزمین در نتیجه افزایش اندازه سلولها است. ذکـر ا یـن نکتـه
نشاندهنده سنجههاي مورد استفاده در این تحقیق است.
لازم است که مقدار عددي بعد فراکتـالی برابـر بـا 1، بـ ه معنـ ی
براي بررسی اثر مقیاس بـر حساسـیت سـنجههـا ي سـیماي
مقدار صفر در شیب خط مدل رگرسیونی است که در آن، مقدار
سرزمین از مدل رگرسیون خطی لگاریتم- لگاریتم ( بـهصـورت
عددي سنجههاي سیماي سرزمین تحت تأثیر تغ ییـرات مقیـ اس تبدیل اولیه دادهها بـه مقـادیر لگـار یتم آنهـا ) اسـتفاده شـد کـه
مکانی تغییر نمیکند .
بهصورت زیر تعریف میشود( رابطه 3):
ضریب تع یـین ( تشـخیص) مـدل رگرسـیون خطـ ی (در حالـت
2logM  a logG b[3]
لگاریتم- لگاریتم)، که با عنوان R (مربع ضریب همبستگی) نیز
در این معادله، مؤلفه M، ارزش معیارهاي سیماي سرزمین است
شناخته میشود، درجه حساسیت سـنجه هـا ي سـ یماي سـرزم ین
که بهوسیله سنجهها تعیین میشود ،G: اندازه سلولها در نقشـه
نسبت به مقیاسهاي مختلف را مطابق مدل رگرسیونی لگاریتم-
کــاربري زمــین ،a: مقــدار شــیب و b: عــرض از مبــدأ مــدل
لگاریتم اندازهگیري میکند( رابطه 5).
n 
رگرسیفنگون و خطیهمکارانلگاری( تم15-) با لگاریتبدیتم ل شیاست.ب این معادله به یک تابع Ri1 logG avg logG logM avg logM 
220833-149621

فراکتالی توانستند مقدار حساسیت سنجههاي سیماي سرزمین را 2in1logG avg logG 2in1logM avg logM 
[5]در گستره مشخصی بین دو عدد مشخص تعیین کننـد. بـه ب یـان
در این معادله ،(avg(logG و (avg(logM بهترتیب نشـاندهنـد ةدیگر، اعداد بهدست آمـده از کمـی کـردن سـنجههـا ي سـیماي
میانگین ارزش لگاریتم G و لگاریتم M هستند. مقادیر نزدیک به سرزمین (در حالت تبدیل شده به مقیاس لگاریتمی) در محدودة
یـک ا یـن ضـر یب نشـاندهن دة حساسـیت ز یـاد سـنجههـا ب ه
جدیدي از دو عدد که برمبناي ( شـیب) یـ ک مـدل رگرسـیونی
24484186128

جدول 2. خصوصیات سنجههاي سیماي سرزمین مورد استفاده در سطح سیماي سرزمین
نام ویژگی
بدون واحد
تعداد در 100هکتار
متر در هکتار NP
PD
ED تعداد لکه
تراکم لکه
تراکم حاشیه
شاخص بزرگترین شکل و
حاشیه
درصد LPI لکه هکتار MPS متوسط اندازه لکه بدون واحد GYRATE شاخص چرخش 24484319880

ویژگی سیمانام سنجهواحدنام سنجهنام اختصاريواحداختصاريسیما
واحدبدون واحدبدون DIVISION COHESION شاخص تقسیم شدگی
شاخص پیوستگی لکه تجمع
SPLIT شاخص تفرق بدون
24484179671



قیمت: تومان


پاسخ دهید