مقایسه برآورد رطوبت سطح خاک در اراضی کشاورزی آق قلا با استفاده از تصاویر SAR (پالسار۲- آلوس و سنتینل-۱)

پیشینه و هدف دشت آق قلا که یکی از دشت های حاصل­خیز استان گلستان است. تجمع رواناب و شکل گیری سیلاب خسارات جانی و مالی فراوان را به همراه دارد. شناخت پراکنش های زمانی و مکانی رطوبت سطح خاک یک متغیر کلیدی در شبیه سازی رواناب و کاهش مخاطرات ناشی از سیل در محدوده تحقیق است. در این تحقیق میزان رطوبت سطح خاک با استفاده از داده های ماهواره های راداری آلوس-۲ از پالسار در باند L و سنتینل-۱ در باند C مورد بررسی قرار گرفت.مواد و روش­ ها در این تحقیق، از سه سری داده راداری آلوس-۲ از سنجنده پالسار، سنتینل-۱ و داده اپتیکی سنتیل-۱ استفاده شد. برای محاسبه رطوبت سطح خاک ابتدا به روش وزنی در محل هر خوشه نمونه های خاک در عمق ۵ سانتی متری برداشت و توزین گردید پس از خشک نمودن نمونه ها در آون وزن خشک و مرطوب محاسبه گردید. در ادامه دو پارامتر مهم رطوبت خاک شامل ثابت دی الکتریک و زبری سطح خاک اندازه گیری شد. ثابت دی الکتریک با استفاده از TDR و زبری با استفاده از دو دوربین دیجیتال محاسبه گردید. با استفاده از نرم افزار Agisoft photo scan و ArcGIS مدل رقومی ارتفاعی و پروفیل ناهمواری های سطح استخراج گردید. داده های راداری با نرم افزار SNAP مربوط به آژانس فضایی اروپا ESA پردازش گردید. مراحل پردازش شامل کالیبراسیون رادیومتریکی، استخراج سیگما نات در واحد دسی بل، فیلترگذاری با فیلتر لی و کرنل سایز ۵×۵ و تصحیح هندسی و نهایتا ژئوکدینگ هر سه داده انجام شد. با داده اپتیکی سنتینل-۲ ضمن تهیه شاخص های گیاهی و نمناکی نقشه کاربری اراضی با الگوریتم راندوم فارست تهیه گردید. در ادامه با در دست داشتن مقادیر زبری، ثابت دی الکتریک و شاخص های گیاهی و نمناکی در محیط نرم افزار متلب ۲۰۱۹ دو مدل Oh و WCM کدنویسی و مقادیر رطوبت سطح خاک محاسبه و خروجی گرفته شد. سپس رطوبت حاصل از مدل باز پراکنش سطحی با رطوبت وزنی در محل و مطالعات پیشین مورد ارزیابی قرار گرفت.نتایج و بحث در بخش حساسیت سیگنال رادار به رطوبت سطح خاک در مدل Oh در پلاریزاسیون HH و HV تصاویر پالسار-۲، در  با ۰.۸۶=R۲،  با ۰.۹۰۵=R۲ و برای تصاویر سنتینل-۱، در  با ۰.۹۱=R۲ و  با ۰.۹۳=R۲ به رطوبت سطح خاک حساس است. همچنین حساسیت باز پراکنش سطحی مدل Oh در پالسار-۲ در پلاریزه HH با ۰.۹۶=R۲ و در پلاریزه HV با ۰.۹۴=R۲ و برای داده سنتینل-۱ در پلاریزه VV با ۰.۷۲=R۲ و در پلاریزه VH با ۰.۷۴=R۲ به زبری سطح حساس است. رابطه بین کل ضرایب باز پراکنش سطحی حاصل از مدل ابر آب و رطوبت اندازه­گیری شده در پلاریزاسیون HH و HV تصاویر پالسار-۲، در  و  به ترتیب با ۰.۷۳=R۲ و ۰.۳۹۹=R۲ و برای داده سنتینل-۱ در پلاریزاسیون VV و VH، در  و  به­ترتیب با ۰.۰۷۳=R۲ و ۰.۱۳=R۲  به رطوبت سطح خاک حساس است. در بخش برآورد رطوبت خاک مبتنی بر مدل Oh برای داده پالسار-۲ و سنتینل-۱ در اراضی لخت در پلاریزاسیون HH و HV برای تصاویر پالسار-۲،  و  به ترتیب با  ۱.۹۲۴=RMSE، ۰.۸۸=R۲ و  ۱.۴۵=RMSE، ۰.۹۳=R۲ و برای داده سنتینل-۱،  و  به­ترتیب با  ۲.۵۷=RMSE، ۰.۸۱=R۲ و  ۰.۹۰=RMSE، ۰.۹۷=R۲ است. نتایج مدل Oh نشان داد که در پلاریزاسیون HV تصاویر پالسار-۲ و پلاریزه VH سنتینل-۱ نتایج رطوبت خاک قوی­تر است. نتایج رطوبت خاک در مدل WCM در اراضی دارای پوشش گیاهی برای تصاویر پالسار-۲ در پلاریزاسیون HH و HV در  و  به­ترتیب با  ۲.۴۴=RMSE، ۰.۸۱=R۲ و  ۲.۶۴=RMSE، ۰.۷۸=R۲ و برای Sentinel-۱ در  و  به­ترتیب با  ۲.۷۴=RMSE، ۰.۷۵=R۲ و  ۲.۶۹=RMSE، ۰.۷۶=R۲ است. در بحث برآورد رطوبت خاک با مدل WCM نتایج پالسار-۲ در پلاریزه HH با  ۰.۸۱=R۲ در اراضی با تراکم پوشش گیاهی بیشتر از ۰.۴ درصد دارای نتیجه بهتری است.نتیجه­ گیری در مدل Oh نتایج تحقیق نشان داد که حساسیت پلاریزه HV در تصاویر پالسار-۲ و پلاریزه VH در سنتینل-۱ در مناطقی که دارای پوشش گیاهی با تراکم کمتر از ۰.۴ است بسیار بیشتر از حساسیت پلاریزه HH آلوس-۲ و پلاریزه VV سنتینل-۱ است. همچنین حساسیت پلاریزه HH تصاویر پالسار-۲ و پلاریزه VH سنتینل-۱ به زبری سطح بیشتر از سایر پلاریزاسیون­ها است. در مدل ابر آب نتایج حاصل از داده سنتینل-۱ در حذف تاثیرات پوشش گیاهی و شبیه­سازی ضرایب باز پراکنش سطحی بسیار ضعیف است، دلیل این امر در نظر نگرفتن پارامتر زبری توسط مدل ابر آب و همچنین بالا بودن سطح رطوبت در محدوده مطالعاتی بوده که باعث کاهش نفوذ موج گردیده است. نتایج تحقیق نشان داد که حساسیت پلاریزه HH در مناطقی که دارای پوشش گیاهی با تراکم بیش از ۰.۴ است بسیار بیشتر از حساسیت پلاریزه HV بوده، همچنین حساسیت سیگنال راداری به نویز در پلاریزه HH کم ولی در پلاریزه HV زیاد بود. این موضوع نشان داد که قطبش همسان HH نسبت به پوشش گیاهی حساس است، بنابراین مدل در حضور پوشش گیاهی از ثبات بیشتری برخوردار خواهد بود. مقایسه دو داده SAR در محدوده نشان داد، تصاویر آلوس-۲ به دلیل طول موج بلند و عمق نفوذ بیشتر در خاک و پوشش گیاهی، برای برآورد رطوبت سطح خاک در محدوده تحقیق و مناطق مشابه کارایی بیشتری دارد. همسو با موضوع پژوهش تحقیقات دیگری صورت گرفته ازجمله آلیشان و همکاران در پژوهشی اقدام به برآورد رطوبت سطح خاک در اراضی بایر با استفاده از داده­های آلوس-۲ و سنتینل-۱ کرده­اند که به این نتیجه رسیدند که مدل WCM در حذف محتوی آب گیاهی و برآورد رطوبت سطح با استفاده از معکوس مدل در هر دو داده آلوس-۲ و سنتینل-۱ بالا بوده است. در تحقیقی که توسط زریبی و همکاران صورت گرفته بود نشان دادند که مدل Oh در دو پلاریزه HV و HH با RMSE کمتری قادر به برآورد رطوبت سطح خاک است. این تحقیق برای مدیریت محیط زیست، کشاورزی، منابع طبیعی و مدیریت منابع آب مناسب بوده و کمک شایانی به مدل­سازی­های هیدرولوژیکی می­ نماید.

کلیدواژه ها:

رطوبت سطح خاک ، سنجنده پالسار-۲ آلوس ، سنتینل-۱ ، مدل اوه ، مدل ابر آب