تعيين روند رسوبگذاري در سامانه پخش سيلاب به روش پايش تغييرات تصاوير ماهواره‌اي

Determining sedimentation trend on flood spreading system using satellite image change detection technique

سابقه و هدف: يكي از انواع روش‌ها براي تغذيه مصنوعي آب زيرزميني، سامانه هاي پخش سيلاب مي باشند. اما مهم‌ترين مشكل آن‌ها تجمع رسوبات در سطح بوده كه به مرور زمان باعث كاهش اثربخشي سامانه مي‌شوند. در اين راستا، پايش تغييرات تصاوير ماهواره‌اي روش مناسبي براي شناخت دقيق نحوه گسترش رسوبگذاري در عرصه مي‌باشد كه در برخي مطالعات به آن اشاره شده است. در اين پژوهش كه در محدوده پخش سيلاب جارمه در شمال خوزستان انجام شده، وسعت رسوبگذاري و نحوه گسترش رسوبات در زمان هاي مختلف با پايش تغييرات تصاوير ماهواره‌اي تعيين گرديد. مواد و روش‌ها: تغييرات در سه مقطع زماني ابتداي احداث پخش سيلاب، ميانه و شرايط فعلي پايش شدند. در اجراي يك مطالعه پايش تغييرات سه مرحله اصلي وجود دارد كه شامل پيش‌پردازش داده‌ها شامل تصحيحات هندسي و راديومتريك، انتخاب روش پايش تغييرات و ارزيابي دقت نتايج مي‌باشد. در مرحله پيش‌پردازش داده‌ها تصحيح هندسي تصاوير به روش تصوير به تصوير انجام شد. همچنين از روش كاهش‌تيرگي پديده جهت تصحيح راديومتريك استفاده شده است. روش مقايسه پس از طبقه‌بندي به روش آمار پايش تغيير كه قابليت ايجاد يك جدول كامل از تغييرات و جزييات آن را دارد براي پايش تغييرات انتخاب شد. ارزيابي دقت نتايج با تعيين شاخص‌هاي دقت كلي، خطاي حذف شده، خطاي گماشته شده و ضريب كاپا كه از ماتريس خطا به‌دست مي‌آيند، انجام شد. براي طبقه‌بندي تصاوير از روش بيشينه احتمال استفاده شد همچنين به‌منظور انتخاب بهترين تركيب رنگي براي تهيه نمونه‌هاي تعليمي از فاكتور شاخص بهينه استفاده شده است. يافته‌ها: با توجه به ويژگي‌هاي منطقه مورد مطالعه، سه كلاس شامل اراضي رسوبگذاري، اراضي قلوه‌سنگي دستكاري شده و خاك دست‌نخورده در محدوده پخش سيلاب تعيين گرديد و بر اين اساس تصاوير طبقه‌بندي براي هر سال تهيه شدند. دقت كلي طبقه‌بندي براي تصاوير 1379، 1385 و 1392 به‌ترتيب 78، 85 و 83 درصد بوده است. نتايج بررسي كمّي تغييرات ايجاد شده و تعيين ميزان جابجايي بين كلاس‌ها كه با مقايسه پس از طبقه‌بندي به روش آمار پايش تغيير به‌دست آمد نشان مي‌دهد كه در فاصله زماني بين 1379 تا 1385 مساحت اراضي رسوبگذاري 234 درصد افزايش يافته و از 5/8 به 5/27 هكتار رسيده است اما در مقطع زماني 1385 تا 1392 به‌دليل وقوع خشكسالي‌ها سيلاب زيادي در عرصه، پخش نشده و صرفاً ضخامت رسوبات در برخي مناطق بيش‌تر شده است و مساحت اراضي رسوبگذاري شده با اندكي افزايش به 5/29 هكتار رسيده است. نتيجه‌گيري: نتايج مطالعه حاضر نشان داد كه سطح اراضي رسوبگذاري شده در مقطع زماني اول (يكسال پس از احداث تا ميانه) توسعه زيادي پيدا كرده است. بارش‌هاي مناسب و سيلاب‌هاي فراوان از يكطرف و عاري بودن عرصه از رسوبات باعث شده است اين تغيير به خوبي نمايان شود. اما در مقطع دوم (ميانه تا زمان فعلي) سطح اراضي رسوبگذاري شده اندكي كم‌تر شده است. به‌طور منطقي چنين نتيجه‌اي دور از انتظار است اما بررسي شرايط نشان مي‌دهد كه خشكسالي هاي اخير و عدم سيلگيري به‌ويژه در قسمت هاي مياني عرصه باعث قديمي شدن سطح رسوبات در اين مناطق شده است كه اين وضعيت باعث تغيير در خصوصيات بازتابي پديده‌ها مي شود. در اين شرايط فرايند طبقه‌بندي قادر به تفكيك برخي از مناطق رسوبگذاري نبوده است و در اصل نه تنها كاهشي در سطح اراضي رسوبگذاري اتفاق نيفتاده است بلكه حتي رسوبگذاري در برخي مناطق ابتداي عرصه پخش سيلاب در دوره زماني دوم اندكي توسعه‌يافته است.

Background and Objectives: Flood spreading system (FSS) is one of a variety of methods for artificial aquifer recharge. The systemʹs main problem is sedimentation on the FSS area, which reduces its effectiveness for aquifer recharge. In this regard, satellite image change detection technique is a proper method for accurate sediment distribution pattern diagnosis with the FSS. A relevant study has been conducted by Sarreshtehdari (2005), where classified images of 1987 and 2001 were compared and revealed a sediment distribution pattern and variations. In the present study, which was conducted on Jarmeh FSS in the north of Khuzestan Province, sedimentation area and distribution pattern in several periods was determined by satellite image change detection technique. Materials and Methods: The changes were detected for three periods: 1999 (FSS construction year) to 2000, 2000 to 2006 and 2006 to 2013. Change detection follows three main steps: 1- Data pre-processing including geometry and radiometry corrections 2- Selection of change detection method 3- Results accuracy assessment. In the data pre-processing step, image to image method was used for geometry correction and Dark Object Subtraction method was used for radiometry correction. Post-Classification comparison algorithm, change detection statistics method was selected for the present study. The method is capable of preparing a complete change matrix with details. Some indices including overall accuracy, Omission, Commission and kappa coefficient extracted from error matrix, were used to assess the accuracy of results. Maximum likelihood algorithm was selected and used for image classification. Also, Optimum Index Factor (OIF) was used to improve image color composite selection, for the preparation of training samples. Results: Based on the FSS area properties, three regions including sediments, disturbed and undisturbed terrains were separated on the FSS and the images were classified accordingly. Classification overall accuracy for 2000, 2006 and 2013 images was 78, 85 and 83%, respectively. The results of post-classification comparison algorithm by change detection statistics showed that, in the 2000 to 2006 period, sediment area increased from 8.5 to 27.5 ha. In 2006 to 2013, due to drought and the spread of flood on the FSS, the sediment area increased a little and reached 29.5 ha. Conclusions: The results showed that, the sediment area was well extended in the first period. Proper amounts of precipitation and flooding on the one hand and no sediment initial surfaces on the other hand resulted in a good change detection. However, in the second period, the sediment area slightly decreased. Such a result is logically unexpected but drought in recent years and no flooding especially on the middle area of FSS, result in old sediment surfaces with different reflection properties. In this case, the classification algorithm was unable to enhance the entire sedimentation area. Hence, not only is there no reduction in sedimentation area, but the area slightly increased in the upper FSS for the second period.