كاليبراسيون سه‌بعدي تغييرات كاربري اراضي با استفاده از مدل تلفيقي سلول اتوماي زنجيره ماركوف در حوزه آبخيز گرگان‏رود

پيشينه و هدف تغييرات در كاربري/پوشش اراضي به‌عنوان يكي از موضوعات مهم در مديريت منابع طبيعي، توسعه پايدار و تغييرات زيست‌محيطي در مقياس محلي، ملي، منطقه‌اي و جهاني مطرح است. تبديل كاربري‌ها به يكديگر و تغيير كاربري‌هاي مجاز به غيرمجاز از قبيل تبديل اراضي زراعي به مناطق مسكوني و يا اراضي مرتعي به ديم‌زارهاي كم بازده و فرسايش يافته به‌عنوان موضوعات مهم در منابع طبيعي همواره مطرح است. شناسايي الگوهاي تغييرات كاربري اراضي و پيش‌بيني تغييرات در آينده به‌منظور انجام برنامه‌ريزي مناسب در جهت بهره‌برداري بهينه از كاربري‌ها در مديريت منابع طبيعي نياز به مدل‌سازي تغييرات مكاني و زماني LU/LC را آشكار مي‌سازد. هدف  از تحقيق ارزيابي كارايي مدل تلفيقي سلول اتوماي زنجير ماركوف (CA-Markov model) در شبيه‌سازي و پيش‌بيني تغييرات زماني و مكاني LU/LC در حوزه آبخيز گرگان‏رود با كاربرد آناليز سه‌بعدي پنتيوس ملينوس در كاليبراسيون تغييرات كاربري اراضي با استفاده از سه شاخص ارزيابي اختلاف كمي (QD)، اختلاف مكاني (AD) و درجه شايستگي (FOM) به‌عنوان شاخص‌هاي جديد در ارزيابي صحت مدل زنجيره ماركوف است. مواد و روش ها به‌منظور پيش‌بيني تغييرات كاربري اراضي با استفاده از مدل تلفيقي سلول اتوماي زنجيره ماركوف در حوزه آبخيز گرگان‏رود، از تصاوير سنجندِه مشاهده‌گر زميني OLI و TM ماهواره لندست 8 و 5 مربوط به سايت USGS استفاده شد. هفت كلاس كاربري اراضي شامل كلاس اراضي جنگلي با شماره كد كاربري 1، كلاس اراضي زراعي با شماره كد كاربري 2، كلاس اراضي مرتعي (مخلوط درختچه زار/ مرتع/ زراعت) با شماره كد كاربري 3، كلاس منابع آبي با شماره كد كاربري 4، كلاس اراضي باير (باير/ مرتع/ زراعت) با شماره كد كاربري 5، كلاس مناطق مسكوني و صنعتي با شماره كد كاربري 6، كلاس بستر رودخانه با شماره كد كاربري 7 براي حوزه آبخيز گرگان‏رود تفكيك گرديد. به‌منظور طبقه‌بندي تصاوير ماهواره‌اي لندست 5 و 8 به‌منظور استخراج كلاس‌هاي كاربري اراضي حوزه آبخيز گرگان‏رود از روش طبقه‌بندي شي‌ءگرا و الگوريتم ماشين بردار پشتيبان استفاده شد. مقياس سگمنت‌سازي در اين الگوريتم با مقياس 50 واحد (SL50) به‌منظور طبقه‌بندي تصاوير ماهواره سال‌هاي 1987، 2000، 2009 و 2017 انتخاب شد. ارزيابي صحت الگوريتم ماشين بردار پشتيبان در طبقه‌بندي شي‌ءگراي تصاوير ماهواره‌اي بابيان دقت كلي، ضريب كاپا، صحت كاربر، صحت توليدشده، خطاي Commission و خطاي Omission براي هر چهار دوره مطالعاتي انجام‌شده است. براي درك اين‌كه در طي دوره 30 ساله موردمطالعه، تغييرات ايجاد‌شده در منطقه چگونه بوده و كدام كلاس‌ها گسترش و كدام كلاس كاهش مساحت داشته‌اند، با استفاده از نقشه‌هاي طبقه‌بندي‌شده با استفاده از نرم‌افزار IDRISI، تغييرات در محدوده كلاس‌ها آشكار و درصد تغييرات هر كلاس به دست آمد. مدل CAMarkov تغييرات گروه‌هاي مختلف از واحدهاي LU/LC را بر اساس مفهوم همسايگي مكاني و ماتريس احتمال انتقال، پيش‌بيني مي‌كند. يكي از الزامات براي پيش‌بيني تغييرات كاربري اراضي با مدل CAMarkov تهيه نقشه‌هاي تناسب اراضي است تا تغييرات مكاني به‌وسيله قوانين احتمال از طريق فيلتر نقشه‌هاي تناسب براي هر كاربري كنترل شود. اعتبارسنجي مدل ماركوف با استفاده از آناليز سه‌بعدي پنتيوس و ملينوس با سه شاخص درجه شايستگي و اختلاف‌هاي كمي اختلاف‌هاي مكاني انجام شد. نتايج و بحث الگوريتم ماشين بردار پشتيبان در طبقه‌بندي كاربري اراضي به روش شي‌ءگرا نشان داد كه بيشترين ميزان خطاي اضافه و خطاي حذف به ترتيب با 19.12 و 18.55 درصد در اراضي مرتعي و اراضي زراعي در نقشه كاربري اراضي سال 2009 مشاهده گرديد. پايين‌ترين صحت توليدكننده به ميزان 71.49 درصد مربوط به كلاس كاربري اراضي مرتعي در نقشه كاربري اراضي سال 2009 و پايين‌ترين صحت كاربر به ميزان 71.45 درصد مربوط به كلاس كاربري اراضي زراعي در نقشه كاربري اراضي سال 2017 است. در دوره 30 ساله از سال 1987 تا 2017 بر اساس نتايج به‌دست‌آمده، بيش‌ترين تغيير مثبت مربوط به افزايش كاربري اراضيزراعي و در تغييرات منفي مربوط به كاهش كاربري اراضي جنگلي و مرتعي در طول دوره موردنظر است. بيش‌ترين كاهش اراضي جنگلي با 4.8 درصد در دوره 2017-2000، بيش‌ترين افزايش اراضي زراعي با 5.3 درصد در دوره 2017-1987، بيش‌ترين كاهش اراضي مرتعي با 9 درصد در دوره 2017-2009، بيش‌ترين افزايش اراضي باير با 4.6 درصد در دوره 2017-2009 و بيش‌ترين افزايش اراضي مسكوني و صنعتي با 0.8 درصد در دوره 2017-1987 رخ‌داده است. بعد از اعتبارسنجي تغييرات كاربري اراضي پيش‌بيني‌شده در مدل زنجيره ماركوف، بر اساس تحليل 5 حالت موجود در آناليز سه‌بعدي پنتيوس و ملينوس، مدل زنجيره ماركوف با پيش‌بيني صحيح شبيه‌سازي 89.92 درصد، نشان از كارايي بالاي مدل زنجيره ماركوف در فرآيند شبيه‌سازي بود. بعد از اجراي تحليل زنجيره ماركوف بر روي نقشه كاربري اراضي به‌دست‌آمده از طبقه‌بندي تصاوير ماهواره‌اي، يك ماتريس احتمال انتقال و ماتريس مساحت انتقال‌يافته ايجاد شد. در پيش‌بيني‌هاي انجام‌شده توسط مدل زنجيره ماركوف از سال 2017 تا سال 2035 عمده تغييرات مربوط به كاهش وسعت اراضي جنگلي و باير به ترتيب به ميزان 16966 و 6961 هكتار است و در مقابل اين كاهش كاربري، افزايش وسعت اراضي زراعي، مرتعي و مسكوني به ميزان 20397، 3913 و 3825 هكتار مشاهده خواهد شد. نتيجه گيري آَشكارسازي تغييرات كاربري اراضي با استفاده از ابزار LCM براي دوره سي‌ساله 2017 – 1987 در حوزه آبخيز گرگان‏رود نشان داد كه كاربري جنگل، زارعت و نواحي مسكوني در طي اين دوره در اين منطقه تغييرات چشمگيري داشته است. نتايج حاصل از پيش‌بيني تغييرات كاربري اراضي در طي هجده سال آينده با استفاده از مدل تلفيقي سلول اتوماي زنجيره ماركوف نشان داد كه در طي ساليان آتي با پديده جنگل‌زدايي شديد در اين حوزه روبه‌رو خواهيم بود. بررسي نتايج حاصل از اجراي مدل شبكه‌سازي كاربري آينده با استفاده از تخمينگر انتقال ماركوف نشان داد كه مي‌توان تغييرات كاربري آينده را با توجه به شرايط محيطي موجود پيش‌بيني كرد كه نشان‌دهنده اين است كه در حوزه آبخيز گرگان‏رود در طي هجده سال آينده زراعت به‌شدت در اين منطقه افزايش خواهد داشت. لذا بايد با مديريت بلندمدت و جامع، منابع آب‌وخاك حفظ كرد و تا حد امكان مانع از تخريب اين منابع ارزشمند شد. سه شاخص QD، AD و FOM در آناليز سه‌بعدي نقش مهمي در بيان ميزان صحت و كاليبراسيون طبقه‌بندي كاربري اراضي و پيش‌بيني كاربري اراضي داشت. نتايج تغييرات كاربري اراضي مطالعه شده با استفاده از ابزار LCM و مدل تلفيقي سلول اتوماي زنجيره ماركوف در طي دوره 1987 تا 2035 بيانگر تخريب بيش از 24309 هكتار از اراضي جنگلي و 31921 هكتار از اراضي مرتعي و افزايش زراعت در حوزه به مساحت 62421 هكتار است كه بيانگر دخالت‌هاي انساني و جنگل‌تراشي‌هاي پيش رو در اين حوزه است.