بهره گيري از رويكرد بوت استرپ براي مقايسه روش هاي مدل سازي آماري در برآورد سنجش ازدوري زي توده روي زميني جنگل هاي زاگرس

پيشينه و هدف با توجه به اهميت اكوسيستم هاي جنگل ها در پروژه هاي تعديل تغيير اقليم، روش هاي دقيق و كم‌هزينه براي برآورد زي توده روي زميني موردنياز است. روش هاي معمول مورد استفاده براي برآورد زي توده روي زميني شامل اندازه گيري در عرصه، محاسبه زي توده با استفاده از معادلات آلومتري و استفاده از فنون سنجش از دوري است. سنجش از دور به طور گسترده براي برآورد زي توده جنگل ها در دهه هاي اخير مورد استفاده قرارگرفته است. يكي از عوامل بسيار مهم در استفاده از داده هاي سنجش از دوري براي برآورد زي توده روي زميني روش مدل سازي آماري مورد استفاده است. تعداد زيادي تحقيق در زمينه استفاده از روش هاي مدل سازي انجام شده است. به هرحال، اين مطالعات با چالش هاي مختلفي روبرو هستند كه براي مثال مي توان به موارد زير اشاره كرد: 1) هيچ روش مدل سازي به عنوان بهترين روش معرفي نشده است، 2) عملكرد اين روش ها متأثر از نوع جنگل، ساختار جنگل و ميزان آشفتگي هاي موجود است. 3) ارزيابي عملكرد و مقايسه نتايج آن ها با استفاده از آزمون نكويي برازش و روش هاي ارزيابي متقابل انجام گرفته است. با توجه به نقش انتخاب روش مدل سازي مناسب، مطالعه حاضر باهدف بررسي نه روش مدل سازي شامل رگرسيون خطي، مدل تجمعي تعميم يافته، جنگل تصادفي، ماشين بردارپشتيبان، درختان رگرسيون تقويت‌شده، kامين نزديك‌ترين همسايه، مدل پردازش گوسي و رگرسيون اسپلاين تطبيقي چندگانه با استفاده از فرآيند بوت استرپ براي برآورد زي توده روي زميني جنگل هاي زاگرس با استفاده از تصويرهاي لندست 8 انجام شد. مواد و روش ها مطالعه حاضر در جنگل هاي كرمانشاه كه در غرب ايران دركوه هاي زاگرس واقع شده است با گونه درختي غالب بلوط انجام شد. جنگل هاي زاگرس اغلب به صورت تنك و باز بوده و حدود 20 درصد از سطح ايران و 40 درصد از مناطق جنگلي اين كشور را شامل مي شود. براي اجراي اين مطالعه دو منطقه جنگلي با شدت دخالت‌هاي انساني مختلف انتخاب شد: منطقه سرفيروزآباد با شدت تخريب بالا و منطقه جنگلي گهواره با حداقل تخريب. مختصات جغرافيايي اين مناطق به ترتيب براي سرفيروزآباد و گهواره عبارتند از 33 درجه و 57 دقيقه تا 34 درجه و 4 دقيقه شمالي و 47 درجه و 3 دقيقه تا 47 درجه و 17 دقيقه شرقي، و 34 درجه 21 دقيق تا 34 درجه و 24 دقيقه شمالي و 46 درجه و 16 دقيق تا 46 درجه و 23 دقيق شرقي است. براي جمع آوري نمونه هاي زميني در دو منطقه مورد مطالعه، از نقشه شاخص سطح برگ تهيه شده از تصويرهاي لندست براساس مدل جهاني استفاده شد. هر دو منطقه به سه طبقه كم، متوسط و زياد شاخص سطح برگ طبقه بندي شده و در هر طبقه موقعيت مكاني نمونه ها با استفاده از آماربرداري منظم در قالب يك شبكه 200×200 متر مشخص گرديد. نمونه هاي زميني به تعداد 124 نمونه مربعي شكل (63 نمونه در منطقه گهواره و 61 نمونه در منطقه سرفيروزآباد) با ابعاد 30×30 متر به اندازه پيكس ل هاي تصوير لندست مورد استفاده برداشت شد. مقدار زي توده روي زميني هر درخت يا جست گروه توسط معادله آلومتري پيشنهاد شده براي گونه هاي بلوط جنگل هاي زاگرس محاسبه شد. معادله آلومتري مورد استفاده براي برآورد اندوخته زي توده هر درخت يا جست گروه از دو قطر عمود بر هم تاج درختان استفاده مي كند. از جمع اندوخته زي توده تك تك درختان موجود در قطعه نمونه، مقدار قطعه زي توده در سطح قطعه نمونه بر حسب تن در هكتار محاسبه شد. منطقه هاي مورد مطالعه در يك فريم از تصويرهاي لندست 8 به شماره گذر 167 و شماره رديف 36 قرار داشتند. يك تصوير لندست بدون پوشش ابرناكي مربوط به تاريخ 19 مرداد سال 1394 (10 آگوست 2015) مربوط به زماني كه تاجدرختان كاملاً بسته بوده و نزديك به زمان آماربرداري زميني از سايت USGS دانلود شد. پيش پردازش تصوير مورد استفاده شامل تصحيحات راديومتري و توپوگرافي به روش C اعمال شد كه در مطالعات قبلي پيشنهاد شده است. براي برآورد زي توده روي زميني در منطقه هاي مورد مطالعه با استفاده از سنجش از دور، تعداد 38 متغير طيفي شامل مقدار هاي باندي، نسبت هاي ساده باندي، شاخص هاي گياهي و تبديل هاي خطي رايج مانند تسلدكپ و آناليز مولفه هاي اصلي از تصوير لندست 8 مورد استفاده استخراج شدند. به‌طوركلي كارايي 9 روش مدل سازي آماري مختلف شامل روش هاي پارامتري (رگرسيون خطي)، نيمه پارامتري (مدل جمعي تعميم يافته) و ناپارامتري (جنگل تصادفي، ماشين بردار پشتيبان، kامين نزديك ‌ترين همسايه، درختان رگرسيون تقويت ‌شده، رگرسيون اسپلاين تطبيقي چندمتغيره، كوبيست و مدل پردازش گوسي) براي برآورد زي توده روي زميني مورد مقايسه قرار گرفت. ارزيابي مدل ها با استفاده از روش fold10 و با 1000 مرتبه تكرار و با محاسبه دو آماره ضريب تبيين و جذر ميانگين مربعات خطا انجام گرفت. اين تعداد اطمينان از پايداري نتايج را تامين مي‌كند. نتايج و بحث مشخصه هاي آماري اندازه گيري شده از قطعه نمونه هاي زميني نشان داد كه ميانگين زي توده روي زميني براي منطقه هاي سرفيروزآباد و گهواره به ترتيب 12.6 و 20.5 تن در هكتار است. تجزيه واريانس نشان داد كه اختلاف معني داري در سطح 0.001 براي مشخصه هاي ضريب تبيين و جذر ميانگين مربعات خطاي محاسبه شده براي 1000 مرتبه تكرار توسط fold10 وجود دارد. روش مدل سازي كوبيست در منطقه سرفيروزآباد با ميانگين ضريب تبيين محاسبه شده 0.61 نتايج بهتري نسبت به ساير روش ها ارائه كرد. اين نتايج براي منطقه گهواره بيانگر كارايي بهتر روش هاي رگرسيون خطي، مدل جمعي تعميم يافته و kامين نزديكتريين همسايه با ميانگين ضريب تبيين 0.87 بود. مقايسه هاي روش هاي مختلف مدل سازي در مورد جذرميانگين مربعات خطاي برآوردها با استفاده از آزمون تكي Tukey نشان داد كه در منطقه سرفيروزآباد روش كوبيست با مقدار ميانگين 3.3 تن در هكتار و روش هاي kامين نزديكترين همسايه و جنگل تصادفي با ميانگين 5.8 تن در هكتار اختلاف معني داري با ساير روش ها داشت. به طوركلي، نتايج اين تحقيق بيانگر كارايي مناسب تصوير لندست 8 در برآورد زي توده روي زميني جنگل هاي زاگرس است. اين موضوع مي تواند به دليل مقدار كم زي توده در منطقه هاي مورد بررسي و نرسيدن آن ها به نقطه اشباع به عنوان يكي از چالش هاي استفاده از تصويرهاي نوري مانند لندست باشد. نتايج ديگر اين تحقيق ارزيابي اثر روش مدل سازي براي افزايش صحت برآورد سنجش از دوري زي توده روي زميني است. برخلاف نتايج پژوهش‌هاي قبلي، رگرسيون خطي نتايج بهتري نسبت به روش هاي ناپارامتري ارائه كرد كه دليل آن مي تواند وجود رابطه خطي زي توده روي زميني و متغيرهاي طيفي استخراج شده از تصويرهاي لندست باشد. در بين متغيرهاي طيفي مختلفي كه استفاده شد مقدارهاي باند قرمز، مادون قرمز نزديك و مادون قرمز با طول موج كوتاه 1 و 2 به عنوان متغير نهايي در اغلب روش هاي مدل سازي استفاده شدند. نتيجه گيري در اين تحقيق، كارايي روش هاي مختلف مدل سازي را در برآورد زي توده روي زميني با استفاده از تصويرهاي لندست مورد بررسي قرار گرفت.  برآوردهاي زي توده با استفاده از 9 روش پارامتري، نيمه پارامتري و ناپارامتري و با استفاده از ارزيابي متقابل fold10  و با 1000 مرتبه تكرار مورد مقايسه قرار گرفتند. نتايج بيانگر قابليت خوب تصويرهاي لندست براي برآورد زي توده روي زميني جنگل هاي بلوط زاگرس با هزينه كم است. برآورد زي توده در منطقه جنگلي گهواره با دست خوردگي كمتر صحت بالاتري نسبت به منطقه جنگلي سرفيروزآباد با تخريب بالاتر داشت.