شماره ركورد :
1295944
عنوان مقاله :
ايجاد رابط كاربر‌گرافيكي جهت محاسبه خودكار دماي‌سطح زمين و استفاده از نتايج در ارزيابي تغييرات دمايي كاربري‌هاي اراضي شهرستان اردبيل
عنوان به زبان ديگر :
Creating a graphical user interface (GUI) to automatically calculate the land surface temperature and use the results in evaluating temperature changes in land uses in Ardabil city
پديد آورندگان :
فكرت، حسين دانشگاه محقق اردبيلي - دانشكده ادبيات و علوم‌انساني، اردبيل، ايران , اصغري سراسكانرود، صياد دانشگاه محقق اردبيلي - دانشكده ادبيات و علوم‌انساني - گروه جغرافياي طبيعي، اردبيل، ايران , علوي پناه، كاظم دانشگاه تهران - دانشكده جغرافيا - گروه سنجش از دور و GIS، تهران، ايران
تعداد صفحه :
5
از صفحه :
27
از صفحه (ادامه) :
0
تا صفحه :
31
تا صفحه(ادامه) :
0
كليدواژه :
دﻣﺎي ﺳﻄﺢ زﻣﯿﻦ , راﺑﻂ ﮐﺎرﺑﺮ ﮔﺮاﻓﯿﮑﯽ GUI , ﺗﮏﮐﺎﻧﺎل , ﺟﻨﮕﻞ ﺗﺼﺎدﻓﯽ , اردﺑﯿﻞ
چكيده فارسي :
دماي سطح زمين (LST) يك شاخص حياتي براي مطالعه تغييرات محيطي، شرايط هيدرولوژيكي و بيلان انرژي زمين محسوب مي‌شود كه با استفاده از آن مي‌توان روي تغييرات حرارتي شهرها نيز نظارت كرد. كمبود ايستگاه‌هاي هواشناسي در اكثر مناطق كشور از جمله منطقه مورد مطالعه محدوديت­ هاي اطلاعاتي در زمينه داده­ هاي دماي سطح زمين ايجاد كرده است. همچنين طيف وسيعي از كاربران غير سنجش از دوري وجود دارند كه به نقشه‌هاي دماي سطح زمين نياز دارند و اغلب آنها آشنايي كافي با نرم‌افزارهاي محاسبه كنندۀ LST ندارند و به ناچار مجبورند زمان زيادي را صرف كنند تا نقشه‌هاي مورد نظر خود را تهيه كنند. اين فرآيند حتي براي متخصصان سنجش از دور نيز در صورت بالا بودن تعداد تصاوير، زمان‌بر خواهد بود.استفاده از داده­ هاي معتبر جهت اعتبارسنجي كه از لحاظ زماني كمترين اخلاف را با زمان عبور ماهواره داشته باشد، اهميت زيادي در برآورد دقت نتايج دارد. با بررسي تحقيقات داخلي مشابه با موضوع مورد مطالعه اكثر پژوهش‌هاي داخلي براي اعتبارسنجي نتايج تنها از داده‌هاي ايستگاه هواشناسي استفاده ­كردند كه زمان ثبت داده در اين ايستگاه‌ها با زمان عبور ماهواره متفاوت است. در اين پژوهش به دليل وسعت زياد منطقه مورد مطالعه و كافي نبودن تعداد ايستگاه‌هاي هواشناسي، علاوه بر داده ­هاي دماي سطح اندازه­ گيري شده در ايستگاه‌هاي سينوپتيك، دماي سطح زمين در دو ايستگاه زميني نيز همزمان با عبور ماهواره ثبت گرديد. ايجاد رابط كاربر گرافيكي (GUI) جهت محاسبه خودكار دماي سطح شهرستان اردبيل با دو الگوريتم تك‌كانال و RTE و از نتايج در ارزيابي تغييرات دمايي كاربري‌هاي اراضي منطقه استفاده شد. مواد و روش‌ ها جهت محاسبه خودكار دماي سطح زمين شهرستان اردبيل از سه نوع داده تصاوير ماهواره‌هاي لندست 5 و 8، داده‌هاي دماي سطح ثبت شده در محل دو ايستگاه هواشناسي موجود در محدوده مورد مطالعه و همچنين به‌دليل كافي نبودن تعداد ايستگاه­ هاي هواشناسي از داده­ هاي دماي سطح اندازه­ گيري شده با دماسنج­هاي ديجيتالي همزمان با عبور ماهواره نيز استفاده شد. پس از آماده‌سازي تصاوير حرارتي و چند طيفي، ابتدا جهت مدل‌سازي ميزان انتقال­پذيري اتمسفر از از نرم­افزار محاسبه­گر تحت‌وب MODTRAN استفاده و ضرايب اتمسفري استخراج گرديد. سپس براي ايجاد رابط­ه اي كاربر گرافيكي و محاسبه خودكار LST، دماي سطح زمين با دو الگوريتم تك­كانال و روش RTE با تصاوير ماهواره لندست 5 و لندست 8 براي دو تاريخ 31/07/2000 و 21/08/2019 در محيط نرم‌افزار متلب كد نويسي شد و با استفاده از اين كدها رابط­ه اي كاربر گرافيكي براي هر الگوريتم ايجاد و در نهايت اپليكيشن محاسبه­ گر خودكار دماي سطح زمين توليد گرديد. همچنين نقشه كاربري اراضي شهرستان اردبيل براي هر دو تاريخ مذكور با استفاده از الگوريتم جنگل تصادفي در محيط سامانه گوگل ارث انجين با 7 كلاس طبقه ­بندي و استخراج گرديد. اين الگوريتم به­دليل ساختار سلسله مراتبي كه در انتخاب هر پيكسل به طبقه مناسب دارد در مقايسه با روش­ هاي سنتي مثل حداكثر احتمال عملكرد بسيار بهتري دارد. جهت اعتبار سنجي نقشه­ هاي دماي سطح از دو نوع داده دماي سطح ثبت شده در دو ايستگاه هواشناسي و دماي سطح ثبت شده توسط دماسنج ديجيتالي كه همزمان با عبور ماهواره در دو نقطه از محيط همگن غيرشهري با كاربري كشاورزي و باير كه محصول آن برداشت شده بود، استفاده شد. براي ارزيابي دقت نقشه­ هاي كاربري اراضي نيز با استفاده از Google Earth كه توان تفكيك مكاني بهتري نسبت به تصوير مورد استفاده دارد، 248 نقطه كنترل زميني از پيكسل ­هاي خالص كاربري­ هاي مختلف اخذ گرديد و در فرآيند اعتبارسنجي بكار گرفته شد. همچنين پارامترهاي آماري مانند ماتريس خطا، دقت كلي و ضريب كاپا روي خروجي هر دو نقشه كاربري اراضي اعمال شد. نتايج و بحث با استفاده از كدهاي نوشته شده در محيط نرم افزار متلب رابط­ه اي كاربر گرافيكي (GUI) ايجاد و سپس اپليكيشن محاسبه­ گر خودكار دماي سطح زمين توليد گرديد. خروجي اپليكيشن نقشه­ هاي دماي سطح زمين با الگوريتم­ هاي تك­كانال و معادله انتقال تابشي (RTE) بود كه براي تاريخ 2000/07/31 با استفاده از تصوير حرارتي (باند 6) سنجنده TM ماهواره لندست 5 و تاريخ 2019/08/21 بوسيله باند 10 سنجنده TIRS ماهواره لندست 8 ايجاد گرديد. پس از مقايسه نقشه ­هاي خروجي با داده ­هاي ايستگاه هواشناسي و ايستگاه زميني، نتايج نشان داد كه روش تك­ كانال در هر دو سال نسبت به ايستگاه ­ها كمترين اخلاف دما را داشته است. پس از تهيه نقشه ­هاي دماي سطح و انتخاب الگوريتم بهينه (تك ­كانال) نقشه­ هاي كاربري اراضي شهرستان اردبيل با استفاده از الگوريتم جنگل تصادفي در محيط GEE تهيه گرديد. ارزيابي­هاي آماري نتايج طبقه ­بندي نشان داد كه براي سال 2000 بيشترين تداخل پيكسلي مربوط به كلاس مرتع متوسط و فقير بوده است كه با كلاس­هاي مسكوني و كشاورزي ديم جابه­جايي 16 پيكسلي دارد. با توجه به بهبود توان تفكيك مكاني ماهواره لندست 8 نسبت به لندست 5 و به دنبال آن تفكيك بهتر كلاس­ها، اين جابه‌جايي پيكسلي در نقشه كاربري سال 2019 مقدار كمتري را نشان مي‌دهد. به گونه ­اي كه بيشترين خطا مربوط به كلاس كشاورزي آبي بوده كه جابه ­جايي 10 پيكسلي با كلاس‌هاي مرتع غني و كشاورزي ديم داشته است. در نهايت با استفاده از نقشه دماي سطح و نقشه كاربري اراضي، تغييرات دمايي كاربري­ها در بازه زماني 19 ساله مورد ارزيابي قرار گرفت. با واردسازي تصاوير ورودي و پارامترهاي اتمسفري در اپليكيشن دماي سطح زمين را با دو الگوريتم تك‌كانال و روش RTE محاسبه گرديد. ارزيابي نقشه‌هاي خروجي با داده‌هاي هواشناسي و زميني نشان داد كه اﻟﮕﻮرﯾﺘﻢ ﺗﮏ ﮐﺎﻧﺎل ﺑﺎ اﺧﺘﻼف 2/5+ و 2- ﺑﺎ اﯾﺴﺘﮕﺎه ﻫﺎي 1 و 2 ﺑﺮاي ﺳﺎل 2000 و ﺑﺎ اﺧﺘﻼف دﻣﺎي 1/3+، 0/9+، 1- و 0/9- ﺑﻪ ﺗﺮﺗﯿﺐ ﺑﺎ اﯾﺴﺘﮕﺎه ﻫﺎي 3 ،2 ،1 و 4 در ﺳﺎل 2019 دﻗﺖ ﺑﺎﻻﺗﺮ ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ روش RTE داﺷﺘﻪ اﺳﺖ. ﻫﻤﭽﻨﯿﻦ ﻧﺘﺎﯾﺞ اﻋﺘﺒﺎرﺳﻨﺠﯽ ﻧﻘﺸﻪ ﻫﺎي ﮐﺎرﺑﺮي اراﺿﯽ ﻧﯿﺰ ﻧﺸﺎن از دﻗﺖ ﮐﻠﯽ 0/95 و ﺿﺮﯾﺐ ﮐﺎﭘﺎي 0/94 ﺑﺮاس ﺳﺎل 2000 و دﻗﺖ ﮐﻠﯽ 0/96 و ﺿﺮﯾﺐ ﮐﺎﭘﺎي 0/95 ﺑﺮاي ﺳﺎل 2019 داﺷﺘﻪ اﺳﺖ. ارزﯾﺎﺑﯽ رواﺑﻂ ﺑﯿﻦ دﻣﺎي ﺳﻄﺢ و ﻧﻘﺸﻪ ﻫﺎي ﮐﺎرﺑﺮي اراﺿﯽ ﻧﺸﺎن داد ﮐﻪ ﺑﺮﺧﻼف رﺷﺪ ﻓﯿﺰﯾﮑﯽ ﻗﺎﺑﻞ ﺗﻮﺟﻪ ﺑﺨﺶ ﺷﻬﺮي در ﺑﺎزه زﻣﺎﻧﯽ 19 ﺳﺎﻟﻪ، ﺑﺠﺰ ﮐﺎرﺑﺮي ﻣﻨﺎﻃﻖ ﻣﺴﮑﻮﻧﯽ، ﻫﻤﻪ ﮐﺎرﺑﺮي ﻫﺎ در ﺳﺎل 2019 ﻧﺴﺒﺖ ﺑﻪ ﺳﺎل 2000 ﺑﺎ اﻓﺰاﯾﺶ دﻣﺎي ﻣﺘﻮﺳﻂ ﺳﻄﺢ روﺑﻪ رو ﺑﻮده اﻧﺪ. نتيجه‌گيري نتايج تحقيق نشان داد كه عواملي مانند گسترش زمين­ه اي كشاورزي با كشت آبي اطراف بخش شهري تا شعاع 10 كيلومتري و درهم تنيدگي اين مزارع با بخش شهري، تاثير زيادي در تعديل دماي بخش شهري محدوده شده است. اين اراضي در سال 2000 عمدتاً زير كشت محصولات ديمي بودند و با حل مشكل آب (حفر چاه ­هاي عميق و پروژه­ هاي انتقال آب) تبديل به باغات و مزارع كشت آبي مثل سيب­زميني شدند. اين محصولات به دليل نياز آبي بالا داراي سبزينگي بالايي نيز هستند و اين عامل خود باعث بالا رفتن ميزان تبخير و تعرق و به دنبال آن خنكي محدوده كشت و بخش شهري شده است. از بين ساير كلاس­ها نيز در هر دو سال كاربري آب كمترين و كاربري اراضي باير بيشترين مقدار متوسط دماي سطح را داشته است. اپليكيشن توليد شده امكان اجرا روي هر سيستم عاملي كه از فرمت exe پشتيباني مي­ كند را دارد و كاربر مي­تواند با تعيين پارامترهاي اتمسفري دماي سطح زمين را به­ صورت خودكار برآورد كند. همچنين اين برنامه كاربردي قابليت به ­كارگيري در بخش ­هاي مختلف مانند سامانه­ هاي كشاورزي، اقليمي و مديريت منابع آب را نيز دارد.
چكيده لاتين :
Land surface temperature is a vital indicator for studying environmental changes, hydrological conditions and the energy balance of the earth, which can also be used to monitor the temperature changes of cities. The lack of meteorological stations in most parts of the country, including the study area, has created information limitations in the field of surface temperature data. There are also a large number of non-remote sensing users who need LST maps, and most of them are not familiar enough with LST computing software and inevitably have to spend a lot of time mapping to prepare their maps. This process can be time-consuming even for remote sensing professionals if the number of images is high. The use of valid data for validation that has the least time difference with the satellite passes time is very important in estimating the accuracy of the results. By reviewing internal research similar to the one under study, most internal studies used only meteorological station data to validate the results, the data recording time at these stations is different from the satellite passes time. In this study, due to the large area of the study area and the insufficient number of meteorological stations, in addition to the surface temperature data measured in synoptic stations, the land surface temperature in two ground stations was recorded simultaneously with the satellite. Creating a graphical user interface (GUI) to automatically calculate the surface temperature of Ardabil city with two single-channel and RTE algorithms and use the results to evaluate the temperature changes of land uses Materials and Methods In this study, in order to automatically calculate the land surface temperature of Ardabil city from three types of data: Landsat 5 and 8 satellite images, land surface temperature data recorded at two meteorological stations in the study area and also due to an insufficient number of stations Meteorological data land surface temperature data measured with digital thermometers are also used as the satellite passes. After preparing thermal and multispectral images, first MODTRAN web computing software was used to model the atmospheric transferability and atmospheric coefficients were extracted. Then, to create graphical user interfaces and automatic calculation of LST, land surface temperature with two algorithms single-channel and RTE method with Landsat 5 and Landsat 8 satellite images for two dates: 31/07/2000 and 21/08/2019 in MATLAB software were coded and using these codes, graphical user interfaces were created for each algorithm and finally, an automatic land surface temperature calculator application was produced. Also, the land use map of Ardabil city for both mentioned dates was classified and extracted using a random forest algorithm in the Google Earth engine system environment with 7 classes. This algorithm has a much better performance compared to traditional methods such as maximum likelihood due to its hierarchical structure in selecting each pixel to the appropriate class. To validate surface temperature maps from two types of surface temperature data recorded in two meteorological stations and surface temperature recorded by a digital thermometer that simultaneously passes the satellite in two points of the homogeneous non-urban environment with agricultural use (alfalfa) and Bayer that product It was harvested, used. To evaluate the accuracy of land use maps, using Google Earth, which has a better spatial resolution than the image used, 248 ground control points were obtained from pure pixels of different land uses and used in the validation process. Also, statistical parameters such as error matrix, overall accuracy and kappa coefficient were applied to the output of both land use maps. Results and Discussion Using the codes written in MATLAB software, graphical user interfaces (GUI) were created and then the automatic LST calculator application was produced. The output of the application was surface temperature maps with single channel algorithms and radiation transfer equation (RTE) for 31/07/2000 using thermal image (band 6) of Landsat 5 satellite TM and 21/08 / 2019 was created by the 10 TIRS sensor band of Landsat 8 satellite. After comparing the output maps with the meteorological station and ground station data, the results showed that the single-channel method had the lowest temperature deviations compared to the stations in both years. After preparing LST maps and selecting the optimal algorithm (single channel), land use maps of Ardabil city were prepared using a random forest algorithm in the GEE platform. Statistical evaluations of the classification results showed that for 2000, the highest pixel interference was related to the middle and poor rangeland class, which has a 16-pixel displacement with residential and rainfed agricultural classes. Due to the improved spatial resolution of the Landsat 8 satellite compared to the Landsat 5, followed by better class separation, this pixel displacement in the 2019 user map shows a smaller value. The most common error was related to the aquaculture class, which had a displacement of 10 pixels with rich rangeland and rainfed agriculture classes. Finally, using the LST map and land use map, the temperature changes of the land uses over a period of 19 years were evaluated. By entering the input images and atmospheric parameters in the application, the land surface temperature was calculated with two one-channel algorithms and the RTE method. Evaluation of output maps with meteorological and terrestrial data showed that the single-channel algorithm with a difference of +2.5 and -2 with stations 1 and 2 for the year 2000 and with a temperature difference of +1.3, +0.9, -1 and -0.9 with stations 1, 2, 3 and 4 in 2019, respectively, had higher accuracy than the RTE method. Also, the results of validation of land use maps showed an overall accuracy of 0.95 and a kappa coefficient of 0.94 for 2000 and overall accuracy of 0.96 and a kappa coefficient of 0.95 for 2019. Conclusion Assessing the relationship between land surface temperature and land use maps showed that despite the significant physical growth of the urban sector over a period of 19 years, except for residential areas, all land uses in 2019 compared to 2000 with an increase in average surface temperature. It seems that factors such as the expansion of agricultural lands with irrigated cultivation around the urban area up to a radius of 10 km and the entanglement of these farms with the urban sector have a great impact on the temperature adjustment of the urban sector. In 2000, these lands were mainly under cultivation of rain-fed crops, and by solving the water problem (digging deep wells and water transfer projects), they became orchards and irrigated farms such as potatoes. Due to the high water requirement, these products also have high greenery, and this factor has increased the rate of evapotranspiration, followed by cooling of the cultivation area and the urban sector. Among other classes, in both years of water use, the lowest and the use of barren lands had the highest average surface temperature. The generated application can be run on any operating system that supports the exe format, and the user by specifying atmospheric parameters can automatically estimate the LST. This application can also be used in various sectors such as agricultural systems, and climate and water resources management.
سال انتشار :
1401
عنوان نشريه :
سنجش از دور و سامانه اطلاعات جغرافيايي در منابع طبيعي
فايل PDF :
8710742
لينک به اين مدرک :
بازگشت