پهنهبندی و مقایسه دمای سطح زمین با استفاده از دو باند حرارتی 01 و 00 تصویر لندست 8 ) مطالعه موردی شهرستان بهشهر(

Transcript

1 پهنهبندی و مقایسه دمای سطح زمین با استفاده از دو باند حرارتی 01 و 00 تصویر لندست 8 ) مطالعه موردی شهرستان بهشهر( سید علی المدرسی 1 ابوالفضل رحیم آبادی 2 صادق خضری 3 دانشگاه 1. دکتری ژئومورفولوژی استادیار گروه سنجش از دور و GIS آزاد اسالمی یزد. 2. دانشجو کارشناسی ارشد رشته GIS & RS دانشگاه آزاد واحد یزد. 3. دانشجو کارشناسی ارشد رشته GIS & RS دانشگاه آزاد واحد یزد. (almodaresi@iauyazd.ac.ir) چکیده: یا سطح زمین 1 یکی از مهمترین کاربردهای سنجش از دور حرارتی تهیه نقشه دمای (LST) می باشد. در سال های اخیر اهمیت زیادی در LST مطالعات محیطی پیدا نموده است و ابزاری مهم جهت جایگزینی ایستگاههای هواشناسی برای تعیین دمای هوا می باشد. در این مقاله برای محاسبه دمای سطح زمین از شاخص پوشش گیاهی NDVI استفاده شده است. این روش بر روی تصاویر ماهواره لندست 8 مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به اینکه دو باند 01 و 00 ماهواره لندست 8 در محدوده ی حرارتی قرار دارند هر کدام بطور جداگانه به تهیه نقشه حرارتی از شهرستان بهشهر پرداخته است که نتایج حاصله هر یک از باند ها ی مربوطه با داده های ایستگاه هواشناسی جهت ارزیابی دقت مقایسه شد. بررسی ها نشان می دهد که نقشه LST تهیه شده با باند حرارتی 00 از دقت باالتری نسبت به باند حرارتی 01 برخوردار است و هم چنین باند 01 نیز دقت بیشتری در تعیین دمای پایین تر از دمای سانتیگراد دارد. واژه های کلیدی : LST لندست 8 شاخص NDVI سنجش از دور 21 درجه 1.Land surface temperature

2 0.مقدمه: امروزه مهمترین مشکل در مناطق شهری افزایش درجه حرارت سطح زمین بخاطر دگرگونی های بوجود آمده در سطوح طبیعی می باشد که در اثر آن پوشش گیاهی طبیعی حذف شده و با سطوح غیر قابل نفوذ و غیر قابل انتقال جایگزین شده است )سنگ فلز سیمان...( این پدیده مخصوصا با اختالف متمایز و مشخص درجه حرارت بین شهر و نواحی اطراف شهر پدیده ی جزیره ی حرارتی نامیده می شود[ 1]. پدیده شهرنشینی با تبدیل پوشش طبیعی به نواحی ساخته شده تاثیر بزرگی روی اقلیم در مقیاس میکرو و متوسط دارد. شاید بتوان گفت آشکارترین مثال تاثیر انسان بر روی اقلیم در مقیاس محلی و منطقه ای پدیده جزیره حرارتی می باشد. سنجنده های حرارتی قادر هستند جزایر حرارت سطح زمین را به وسیله ی ثبت رادیانس حرارتی صادر شده از سطح مناطقی که در میدان دید سنجنده هستند بازیابی کنند[ 4 ]. به منظور کاهش اثر عوامل ناخواسته مانند تاثیرات توپوگرافی و بازتاب پوشش های سنگی و خاک لخت روی اطالعات پوشش گیاهی و افزایش اطالعات مربوط به پوشش گیاهی با استفاده از ترکیب حداقل دو باند شاخص پوشش گیاهی ایجاد می شود. در واقع شاخص گیاهی نوعی نسبت و عملیات ریاضی میان باندهای مختلف اعم از مرئی و مادون قرمز می باشد. هدف از ایجاد شاخص های گیاهی آن است که برخی از ویژگیهای پوشش گیاهی نظیر خصوصیات تاج پوشش سطح برگ یا درصد پوشش گیاهی پیش بینی و ارزیابی شود. از معروف ترین شاخص های پوشش گیاهی برای تهیه LST شاخص NDVI می باشد. به طور کلی دمای سطح زمین )LST( پارامتر کلیدی در فیزیک رفتارهای سطح زمین است. تخمین میزان حرارت سطح در مناطق مختلف شهری به منظور بررسی توزیع دمای سطح زمین و علل پیدایش آن کاربردهای فراوانی مانند تعیین نقش ترافیک و شهرک صنعتی و مراکز تجاری در گرم شدن شهر ها دارد. لذا در بررسی و آنالیز پدیده ی جزایر حرارتی در شهرها بسیار حائز اهمیت می باشد. با توجه به اینکه در سال های اخیر LST اهمیت زیادی در مطالعات محیطی پیدا نموده است اما روش های محاسبه LST هنوز کامل و دقیق نمی باشد. با این حال مطالعات گوناگونی در خصوص LST صورت گرفته است. نخستین مطالعاتی که کوشیدن با استفاده از داده های مادون قرمز حرارتی چشم انداز حرارتی شهری را مطالعه کنند از داده های سنجنده NOAA AVHRR با قدرت تفکیک 1/1 km استفاده کردند[, 46,6,6 ]. و بعدها داده های مادون قرمز حرارتی لندست ASTER ETM+ TM به ترتیب با قدرت تفکیک مکانی 0910,10,1 متر امکان استخراج درجه حرارت سطح زمین و مطالعه دقیق تر جزایر حرارتی شهری را فراهم نمود[ 06,6,601 ]. تا کنون مطالعه ای در خصوص LST در شهرستان بهشهرصورت نگرفته است. در این مقاله از شاخص NDVI و محاسبه رادیانس باند 11 و 11 ماهواره لندست 8 به تهیه LST پرداخته شده است. نتایج این پژوهش می تواند برای برنامه ریزان محیطی ناحیه ای و شهری سازمان های حفاظت محیط زیست و دانشمندان علوم شهری کشاورزی و اقتصاد سودمند باشد و به مدیران و برنامه ریزان شهری کمک کند تا در جهت کاهش اثرات جزیره حرارتی شهرستان بهشهر اقداماتی مفید و زیربنایی انجام دهند. 2.منطقه مورد مطلعه: شهرستان بهشهر در جنوب شرقی دریای مازندران واقع شده است و از شمال به شبه جزیره میانکاله و دریای مازندران از غرب به شهر نکا و ساری و از جنوب به رشته کوه البرز هم مرز است. این شهرستان قسمت

3 بسیاری از اراضی آن از شن زارها تشکیل شده که بصورت دست نخورده باقی مانده است. با توجه به وجود بندرامیرآباد پتانسیل صنعتی و تجاری شدن این منطقه برای استفاده از این زمین ها را فراهم ساخته است. منطقه مورد مطالعه )شهرستان بهشهر( دارای مساحت 0016 کیلومتر مربع از طول جغرافیایی 63 درجه و 01 دقیقه تا 06 درجه و 04 دقیقه شمالی و از عرض جغرافیایی 40 درجه و 96 دقیقه تا 40 درجه 96 دقیقه شرقی امتداد یافته است. شکل )1( موقعیت منطقه مورد مطالعه را نشان میدهد. شکل 1. موقعیت منطقه مورد مطالعه ( شهرستان بهشهر( 3.داده های ورودی: داده های الزم برای اندازه گیری LST به دو گروه تقسیم می شود. 1- باند های مادون قرمز حرارتی سنجنده ها. 2- داده های زمینی مانند دادههای پوشش زمین و بطور دقیق تر توان تشعشعی سطحی در باند های طیفی مختلف. نوع پوشش زمین و در صد ترکیب واحد های پوشش زمین اهمیت باالیی دارد. رطوبت زمین نیز یک عامل بسیار مهم برای محاسبه ی LST و توان تشعشعی می باشد. شیب عمومی و پستی و بلندی زمین نیز به بازتاب و تابش سطح و در نتیجه به تهیه LST تاثیر می گذارد. 4.مواد و روش ها: 0.4.جمع آوری داده ها: تصویر ماهواره ای برای تهیه نقشه LST از شهرستان بهشهر از سنجنده لندست 8 با مشخصاتی که در جدول )0( ذکر شده بدست آمده است.

4 جدول 1.اطالعات سنجنده لندست 8 سنسور باند طیفی طول موج )μm( قدرت تفکیک )m( زمان تاریخ مادون قرمز 81,/01-1,/1 910,/5/, 9:51:40 AM /8,5-1/885 01/01-00/01 00/51-09/51 مادون قرمز نزدیک حرارتی 11 حرارتی 11 ETM+ TIRS و همچنین دمای اندازه گیری شده توسط ایستگاه هواشناسی بندر امیرآباد شهرستان بهشهر به تاریخ,/5/,910 2 برای مقایسه دقت نقشه LST استفاده شده است. ساعت, صبح از سایت هواشناسی کشور برای محاسبه رادیانس و گسیلمندی و همچنین تهیه تصویر افزار ENVI روشنایی و دمای سطح زمین از نرم افزار از نرم دمای محاسبه و برای NDVI Arc GIS استفاده شده است. 2.4.محاسبه دمای تابشی: برای محاسبه دمای تابشی ابتدا باید داده های مادون قرمز حرارتی به رادیانس تبدیل شود. در واقع پس از استفاده از عکس قانون پالنک )برای تبدیل رادیانس به دمای تابشی( الزم است دمای تابشی به دمای واقعی تبدیل شود. که از رابطه )1( دمای تابشی محاسبه می شود. K2 Tb K1 Ln 1 R )0( در این رابطه دمای تابشی بر حسب درجه کلوین می باشد و k1 و k2 ضریب کالیبراسیون که مقدار آن در جدول )2( برای دو باند حرارتی مشخص شده است. 2.

5 K2 0090/ /00 جدول 2. ضرایب کالیبراسیون دمای روشنایی سنجنده TIRS K1,,0/8, 081/8, ضریب کالیبراسیون باند 11 باند محاسبه رادیانس: با توجه به اینکه اجسام پدیده ها و پوشش های سطح زمین جزء گروه اجسام سیاه قرار نمی گیرند بنابراین الزم است که دمای تابشی به دست آمده از باندهای سنجنده را با لحاظ کردن مقادیر توان تشعشعی و شرایط جوی به دمای واقعی سطح زمین تبدیل کنیم. برای دستیابی به دمای تابشی باید ابتدا مقدار DN هر پیکسل به رادیانس تبدیل شود که با استفاده از رابطه )9( استفاده می شود. R ( RMB * B) RAB )9( RMB و RAB از متادیتا تصویر استخراج شده است که برای دو باند حرارتی یکسان می باشد. 4.4.محاسبه :NDVI در روش NDVI با استفاده از رابطه بین NDVI و توان تشعشعی محاسبه الزم انجام می گیرد. فرض این روش این است که NDVI و توان تشعشعی در طول روز برای هر پیکسل ثابت است. اما رطوبت و اثر باران توان تشعشعی را تغییر می دهد. بنابراین بیشترین مقدار NDVI در طول روز برای تمام مدت روز در محاسبه توان تشعشعی برای هر پیکسل بکار می رود. برای محاسبه NDVI از رابطه )6( استفاده می شود. ) 0( NDVI NIR R NIR R NIR باند مادون قرمز انعکاسی و R باند مادون قرمز می باشد. محدوده ی این شاخص بین 0- و 0 + است که مقادیر باالی این شاخص نشان دهنده ی تراکم پوشش گیاهی می باشد. مقادیر مربوط به آب و ابر معموال کمتر از صفر است و مقادیر باالتر نشان دهنده ی پوشش گیاهی هم بست تری می باشد.

6 4.4.محاسبه توان تشعشعی: برای محاسبه توان تشعشعی از رابطه )4( استفاده شد. s 1 d ),( که εv گسیلمندی پوشش گیاهی )9900( εs گسیلمندی خاک )9900( Pv درصد پوشش گیاهی که درصد پوشش گیاهی از رابطه )5( استفاده شد. NDVI NDVI a NDVI max )4( max NDVI min a در این تحقیق 0/6 در نظر گرفته شد. dε اثر توزیع هندسی سطوح طبیعی و همچنین انعکاس درونی آنها را نشان می دهد. برای سطوح هموار این بخش قابل اغماض است. ما در این تحقیق dε به دلیل هموار بودن سطح زمین در نظر نگرفتیم. 4.4.محاسبه دمای سطح زمین)کلوین( : در نهایت برای محاسبه دمای سطح زمین به درجه سانتیگراد از رابطه )3( محاسبه گردیده است. Tb ST Tb 1 ( ) Ln ثابت بولتمر برابر است با h 0/ J/K ثابت پالنک برابر است با JS 6/626 )6( m/s سرعت نور و برابر است با c /003 بنابراین p= 0/ mk می باشد. 4.نتایج و یافته ها: نقشه )2( و برای باند LST منطقه مورد مطالعه برای باند 00 در بازه ی دمایی بین 91 تا 81 درجه سانتیگراد در شکل 01 در بازه ی دمایی بین,0 تا 81 درجه سانتیگراد در شکل )6( را نشان می دهد.

7 شکل 2. پراکندگی دمای سطح زمین با باند 11 لندست 8 برحسب سانتیگراد شکل. 3 پراکندگی دمای سطح زمین با باند 11 لندست 8 برحسب سانتیگراد برای ارزیابی دقت دمای بدست آمده سطح زمین از دو باند مذکور با مدل خطی که رابطه ی بین دمای سطح زمین و دمای هوا می باشد از رابطه )7( محاسبه و مورد بررسی قرار گرفت[ 9 ].

8 Ta LST ),( Ta دمای هوا و LST دمای سطح زمین می باشد. با توجه به دردسترس بودن دمای هوا ساعتی ایستگاه هواشناسی بندرامیرآباد بهشهر که در ساعت, صبح ثبت گردیده است با دمای هوا بدست آمده از رابطه )7( برای دو باند 11 و 11 مورد بررسی قرار گرفت که در جدول )6( داده های بدست آمده را نشان می دهد. همچنین برای تفسیر نقشه LST از بازدید میدانی نیز بهره گرفته شده است. جدول 3.ارزیابی نقشه دمایی با داده هواشناسی,9 درجه سانتیگراد,,/,9 درجه سانتیگراد, 09/8 درجه سانتیگراد 8,/,9 درجه سانتیگراد, 9,/1 درجه سانتیگراد 9/09 درجه سانتیگراد,1/1 درجه سانتیگراد دمای هوا ایستگاه هواشناسی بندرامیرآباد )Ts( دمای سطحی محاسبه شده از تصویر )LST( باند 01 دمای سطحی محاسبه شده از تصویر )LST( باند 00 دمای هوا محاسبه شده از تصویر )Ta( باند 01 دمای هوا محاسبه شده از تصویر )Ta( باند 00 اختالف اختالف Ts و Ta Ts و Ta برای باند 01 برای باند 00 با مقایسه داده های بدست آمده دمای اندازه گیری شده توسط باند 00 از دقت باالتری برخوردار است که با توجه به اختالف زمانی 5, دقیقه ای بین تصویر گرفته شده از ماهواره لندست 8 و دمای ثبت شده توسط ایستگاه هواشناسی بندرامیرآباد اختالف موجود قابل اغماض می باشد. با توجه به نقشه LST حداقل دما ثبت شده توسط باند 01 در بازه ی,0 تا 08 درجه سانتیگراد می باشد در صورتیکه برای باند 00 حداقل دما بین 91 تا 99 درجه سانتیگراد ثبت گردیده است. همچنین این موضوع برای دماهای باالتر کامال بر عکس می باشد به طوری که میزان پیکسل های ثبت شده در دمای باالتر از 08 درجه برای باند 00 دو برابر تعداد پیکسل ها ی ثبت شده برای باند 01 می باشد. با این تفاسیر باند 01 برای ثبت دما در درجات پایین تر از حساسیت باالتری برخوردار است و همچنین این حساسیت ثبت دما برای درجات باالتر برای باند 00 می باشد. از این رو با در نظر گرفتن مقایسه دما با ایستگاه هوا شناسی و حضور زیاد پیکسل هایی با رنج دمایی باال که نشان از دقت در آن رنج از دما می باشد از نقشه LST تهیه شده با باند 00 برای بررسی های بعدی مورد مطالعه قرار گرفت. در نقشه LST توسط باند 00 شکل ),( در قسمت شمالی نقشه لکه ی قرمز رنگی را نشان می دهد که دمای بین 1, تا 81 درجه را بخود اختصاص داده است. در بررسی های میدانی صورت گرفته این احتمال بوجود آمده که در ساعت تصویربرداری در آن نقطه آتش سوزی رخ داده است و با توجه به کشاورزی بودن منطقه و مقدار مساحت لکه این احتمال قوت می گیرد.در قسمت شمالی نقشه دما بیشتر می باشد که به دلیل شوری زمین زمین های آن منطقه دارای پوشش گیاهی بسیار ضعیف می باشد که دما بین,0 تا 1, درجه می باشد. در قسمت شمال غربی که منتهی به دریای مازندران است

9 دمای سطح آب در بازه 91 تا 99 درجه قرار دارد که پایین ترین دما را به خود اختصاص داده است. در قسمت جنوبی و میانی و قسمتی از شمال غربی که از پوشش جنگلی و باغی برخوردار است دما در بازه,9 تا 01 قرار دارد. همینطور مناطق با دمای بین 01 تا,0 جزء زمین های کشاورزی فصلی یا دست نخورده می باشد که دارای پوشش گیاهی کوتاه می باشد. با توجه به اینکه سطح شهرها درختکاری شده هستند باعث کاهش دمای سطحی شهری شده که دما بین,0 تا,0 درجه است. شکل 4.پراکندگی دما در مناطق با کاربری مختلف 4.نتیجه گیری: برای تهیه نقشه LST شهرستان بهشهر از تصویر لندست 8 استفاده شد. برای ارزیابی دقت دمای هوا بدست آمده از LST با دمای ایستگاه هواشناسی بندرامیرآباد مورد مقایسه قرار گرفت. LST بدست آمده با باند 11 به دلیل طول موج بلند از دقت باالیی برخوردار می باشد و همچنین از حساسیت باالتری برای ثبت دما در درجات باالتر دارا می باشد. در مقابل برای باند 01 این حساسیت برای درجات پایین تر بیشتر نمود دارد. پوشش گیاهی سطح نقش کلیدی در تعدیل شرایط حرارتی دارد. دمای آب با توجه به خاصیت اینرسی آن و همچنین زمان تصویربرداری در روز باعث شده که دمای کمتری نسبت به دمای سطح زمین داشته باشد. پیشنهادات: برای تهیه LST در مناطق سردسیر و یا استفاده از تصاویری که در فصل سرما ثبت شده بهتر است از باند حرارتی 01 لندست 8 استفاده گردد. همچنین در مناطق گرمسیر و یا استفاده از تصاویری که در فصل گرما ثبت شده بهتر است از باند حرارتی 11 لندست 8 استفاده گردد. با این حال برای استفاده از باند های مذکور که در چه مرز

10 دمایی از تشخیص دقیقی برخوردار هستند باید مورد تحقیق قرار بگیرد. همچنین با توجه به باال بودن وسعت مناطق بایر در شهرستان بهشهر و با رشد مراکز صنعتی و اختصاص این زمین ها به ساخت این مراکز این نگرانی را بوجود می آورد که در سال های آینده جزایر حرارتی در این شهرستان روند صعودی را در پیش گیرد و همچنین با رشد مراکز صنعتی باعث آلودگی های محیطی در منطقه گردد و بخش کشاورزی و باغداری را مختل نماید. از این رو پیشنهاد می گردد کاربری ها و پوشش هایی در نظر گرفته شود که سبب کاهش جزایر حرارتی گردد. این کاربری ها نیز با توجه به دیدگاه توسعه پایدار کاربری زمین باید طوری طراحی گردد که باعث رشد فضای سبز و پوشش گیاهی مفید در منطقه و حفظ جنگل ها و باغات این شهرستان گردد. منابع: 1- پیمان ملک پور محمد طالعی بوسف رضائی مهدی خوش گفتار بررسی درجه حرارت سطح زمین و ارتباط آن با کالس های پوشش-کاربری زمین شهری با استفاده از داده های سنجنده ETM+ مطالعه موردی شهر تهران همایش ملی ژئوماتیک, 8 - اردیبهشت, علیرضا صادقی نیا بهلول علیجانی پرویز ضیائیان تحلیل فضایی-زمانی جزیره حرارتی کالن شهر تهران با استفاده از سنجش از دور و سیستم اطالعات جغرافیایی جغرافیا و مخاطرات محیطی شماره چهارم ص,0-0 زمستان 00,0 0- Amiri K., Q. Weng., A. alimohamadi., K. alavipanah. Spatial temporal dynamics of land surface temperature in relation to fractional vegetation cover and land use/cover in the Tabriz urban area Iran. Remote Sensing of Environment, Vol. 113, pp (2009). 0- Balling R. C., S. W. Brazell. High resolution surface temperature patterns in a complex urban terrain. Photogrammetric Engineering and remote sensing, Vol. 54, No. 9, pp (1988). 4- Falahatkar S., S. M. Hosseini., A. R. Soffianian. The relationship between land cover changes and spatial-temporal dynamics of land surface temperature. Indian Journal of Science and Technology, Vol. 4,No.2, pp (2011). 6- Gallo K.P., A. L. McNab., T. R. Karl., J. F. Brown., J. J. Hood., J. D. Tarpley. The use of NOAA AVHRR data for assessment of the urban heat island effect. Journal of Applied Meteorology, Vol. 32, No.5, pp (1993).,- Gallo K.P., T. W. Owen. Assessment of urban heat island: A multi-sensor perspective for the Dallas-Ft. Worth, USA region. Geocarto International, Vol. 13, No. 4, pp (1998). 8- Streutker D. R. Satellite-measured growth of the urban heat island of Houston, Texas. Remote Sensing of Environment, Vol. 85, pp (2003).,- Weng Q. A remote sensing-gis evaluation of urban expansion and its impact on surface temperature in the Zhujiang Delta. China.International Journal of Remote Sensing, Vol. 22, No. 10, pp (2001).

11 01- Weng Q., D. Lu., B. Liang. Urban Surface Biophysical Descriptors and Land Surface Temperature Variations. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, Vol. 72, No. 11. pp (2006).