مطالعات جغرافیایی مناطق خشک

مطالعات جغرافیایی مناطق خشک

مدلسازی تغییرات کاربری اراضی با استفاده از الگوریتم های MDC،MD،ML (مطالعه‌موردی: حوضه آبخیز میداوود-دالون)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده علوم جغرافیایی و برنامه ریزی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران.
2 گروه زمین شناسی، دانشکده منابع طبیعی ، دانشگاه علوم و فنون دریایی خرمشهر، شهر خرمشهر، ایـران.
چکیده
مواد و روش‌­ها: در این مطالعه جهت مقایسه مدل الگوریتم‌­های MDC ،MD ،ML در  پنج کلاس در بازه­‌ی زمانی ۱۹۸۷ و ۲۰۲۱ از تصاویر ماهواره­­ای لندست ۵ و ۸ استفاده شد و برآورد ارزیابی دقت مدل­‌ها با استفاده از ضریب صحت کلی، ضریب کاپا، دقت تولیدکننده، دقت کاربر، خطای اضافه، خطای حذف انجام گردید.
یافته‌ها: نتایج این پژوهش نشان داد با تغییر کاربری اراضی به مناطق مسکونی بازه‌­ی ۲۰۲۱ نسبت به سال ۱۹۸۷، نه تنها به زمین­‌های کشاورزی آسیب وارد شده؛ بلکه سبب تغییر در بستر حوضه مورد مطالعه نیز شده است. با تغییر بستر رودخانه کاهش دبی سیلاب در خروجی حوضه صورت می‌­گیرد که به­ دلیل تغییر و تصرف بستر رودخانه عرض حوضه کمتر می­‌شود در نتیجه ظرفیت عبور سیلاب کمتر گشته و سیل را تشدید می­‌کند.
نتیجه‌گیری: بر مبنای یافته‌های تحقیق می‌توان عنوان کرد که مساحت اراضی کشاورزی (از ۳۵/۴۴ به ۲/۸۰) و آبی (از ۴۰/۳۹ به ۷/۹۱) سال ۱۹۸۷ نسبت به سال ۲۰۲۱ کمتر شده و مساحت مناطق مسکونی سال ۱۹۸۷ نسبت به سال ۲۰۲۱ (از ۰/۰۸ به ۳/۱۲) بیشتر گردیده است که ناپایداری در بین کاربری‌­های محدوده مورد مطالعه را به­ همراه داشته است. چنین تغییر و تحولاتی علاوه بر این‏ که می‌­توانند اثرات منفی بر محیط‏زیست و منابع طبیعی حوضه میداوود- دالون داشته باشند. باعث گسترش خطرات و خسارات ناشی از بلایای طبیعی مانند طغیان رودخانه­ و سیلاب خواهند شد. همچنین با مقایسه ضریب صحت کلی و ضریب کاپا، برای سال ۱۹۸۷، الگوریتم حداکثر احتمال با ضریب صحت کلی (۳۳/۳۴) و ضریب کاپا (۰/۱۳) و برای سال ۲۰۲۱ الگوریتم فاصله ماهالانویی با ضریب صحت کلی (۵۵/۲۹) و ضریب کاپا (۰/۴۵)، دقت بالاتری نسبت به سایر روش‌­ها داشته‌­اند.
نوآوری و کاربرد نتایج: تغییرات کاربری اراضی صورت گرفته باعث پراکندگی نامناسب کاربری اراضی (اراضی دیم، مراتع، منابع آبی) و مناطق انسانی شده است، به گونه‌­ای که قسمتی از محدوده حوضه، در اثر رشد فیزیکی شهر دچار تغییر کاربری شده است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Modelling Land-use Changes using MDC, MD and ML Algorithms (Case Study: Midawood-Dalon Watershed)

نویسندگان English

mojgan entezari 1
heeva elmizadeh 2
Mahshid Moavi 1
1 Department of Natural Geography, Faculty of Geographical Sciences and Planning, University of Isfahan, Isfahan, Iran.
2 Department of Geology, Faculty of Natural Resources, Khorramshahr University of Marine Sciences and Technologies, Khorramshahr, Iran.
چکیده English

Aim: This research aims to model land-use changes using the MDC, MD, and ML algorithms technique.
Materials & Methods: Landsat 5 and 8 satellite images were used to compare the MDC, MD, and ML algorithms in five classes between 1987 and 2021 and estimate the model's accuracy. This was done using the overall accuracy coefficient, kappa coefficient, manufacturer's accuracy, user's accuracy, and addition and omission error.
Finding: With the change of land-use to residential areas in 2021 compared to 1987, not only were agricultural lands damaged, but it also caused a change in the bed of the studied basin. The flood discharge at the outlet of the basin is reduced, and due to the change and encroachment of the riverbed, the width of the basin decreases. As a result, the capacity of the flood to pass decreases, and the flood intensifies.
Conclusion: The area of residential areas in 1987 compared to 2021 (from 0.08 to 3.12) ) has increased, which has led to instability among the land uses of the studied area. Such changes and developments can have negative effects on the environment and natural resources of the Midawood-Dalon basin. They will cause the spread of risks and damages caused by natural disasters such as river flooding. Also, by comparing the overall accuracy coefficient and the Kappa coefficient, for 1987, the maximum likelihood algorithm with the overall accuracy coefficient (33.34) and Kappa coefficient (0.13), and for 2021, the Mahalanoi distance algorithm with the overall accuracy coefficient (55.29) and Kappa coefficient (0.45) with higher accuracy than other methods.
Innovation:  The land-use changes that have taken place have caused the inappropriate dispersion of land-use (rainy land, pastures, water resources) and human areas in such a way that a part of the basin area has changed use due to the city's physical growth.

کلیدواژه‌ها English

Minimum distance from the mean
maximum likelihood
Midawood-Dalon watershed
supervised classification
Mahalanowis distance
  1. Introduction

Land-use in a general sense, is the type of land-use in the current state, which includes all land use in different sectors of agriculture, natural resources, and industry. In other words, it includes all the activities in the region, such as allocating land to rainfed and irrigated agricultural activities, residential areas, forests, pastures, mines, industrial facilities, and the like, which requires identifying these resources with strong techniques. With recent sensor and satellite technology advances, remote sensing has reduced the cost and time compared to other mapping methods. In the meantime, the classification of satellite images is widely used in processing remote sensing data. Due to their superior features, such as wide coverage, repeatability, and continuous updating, satellite images can be considered the first option in recognizing and preparing land-use. Also, remote sensing technology provides suitable facilities for preparing land-use maps. The value and functionality of these maps depend on their accuracy and accuracy, and one of the most essential information natural resource managers need is land-use maps.

  1. Materials and methods

In order to model the Mahalanoi Distance (MDC) algorithm in land-use changes and compare this technique with the minimum distance from the mean (MD) and maximum likelihood (ML) algorithms from satellite images provided by the United States Geological Survey (USGS). Landsat 5 and 8 satellites were prepared and used for 1987 and 2021, respectively. The images in pass number 166 and 167 and row number 038 include the scope of the research; the pre-processing stage is always considered one of the most important stages in processing satellite images. This stage includes the preparation of images for processing. Due to geometric distortions in remote sensing images,  the pre-processing steps include geometric and atmospheric correction. By performing atmospheric corrections of two images and confirming the reference ground of the images using the image-vector method, the images were mosaiced with each other and then based on the border of the Midwood-Dallon basin, the images from the previous stage were cut and used as final images. Since one of the goals of the research is to investigate two time periods of land use in the Dalon Midavoud basin, the required images were selected among the available images that have the least cloud cover, the most amount of greenness in the plants and trees in the study area and the dates of the images are close to each other in a month. Also, ENVI 5.6 and GIS 10.8 software have been used to process and digitize these images. Five land-use classes were determined in the study area, including irrigated agriculture, pasture, rainfed lands, and residential and water areas. Supervised classification was done on them. In the continuation of the research, by preparing the output maps of the desired algorithms, the comparison of the MDC supervised classification model method, the minimum distance from the average, and the maximum probability have been discussed.

  1. Discussion and results

By comparing the extracted results, it can be concluded that the area of agricultural and water lands in 2021 compared to 1987 has decreased from 35.44 to 2.80 (declining state). The residential area in 2021, compared to 1987, from 0.08 to 3.12, has increased (rising state), which leads to instability among the land uses of the studied area. Unwise human actions and environmental interventions cause unprincipled environmental changes, problems, and instability. One of the obvious reasons for this is population expansion. Along with the expansion of the population, the conversion of agricultural lands into residential areas and road construction has increased. The land-use change to residential areas has not only damaged agricultural lands but also changed the studied basin's bed width and water depth. With the change of the riverbed, the flood discharge at the outlet of the basin is reduced, and due to the change and encroachment of the riverbed, the width of the basin decreases; as a result, the capacity of the flood to pass decreases, and when the flood occurs, it intensifies the flood. In addition, land use changes have caused the inappropriate dispersion of land use (rainfed lands, pastures, water resources) and human (residential) areas in such a way that a part of the surrounding area of the basin leads to the physical growth of the city and in other parts of the basin, the horizontal expansion of the city is evident.

  1. Conclusion

The results show that land-use changes in the Midawood-Dalon basin primarily harm agricultural and garden use. With the changes in land-use, the potential and fertility of agricultural land have been lost. Using agricultural land for urban construction has caused the soil type, erosion, land slope, soil depth and texture, irrigation, drainage, and water retention capabilities to be less capable. Secondly, with the changes in the water area of the studied basin, its width has decreased, which results in the aggravation of flood risks. In the third degree, it leads to a qualitative and favorable change in the water resources of the Midawood-Dalon basin. These changes in 2021 are much more visible and tangible than the period of 1987. Also, the research findings show that the most obvious factors of land-use changes in the two time periods of the Midawood-Dalon basin are human activities that have caused many changes in land use, the increase of residential areas, and the expansion of rainfed lands. Due to the reduction of agricultural lands and pastures, they have devastating effects. Such changes and developments can have negative effects on the environment and natural resources of the Midawood-Dalon basin. They will cause the spread of risks and damages caused by natural disasters such as river flooding. Furthermore, the Mahalanoi Distance Model (MDC) is one of the suitable algorithms for evaluating and monitoring land use changes. This technique is highly accurate in extracting and producing the map of land-use changes, which can show the type and intensity of changes and the stability and instability of the region.

  1. Aknowledgmant & Funding

The manuscript did not receive a grant from any organization.

  1. Conflict of Interest

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper. The authors declare no conflict of interest.

اسماعیلی، فاطمه، و ایلانلو، مریم. (1400). مدل‌سازی تغییرات کاربری اراضی بر پایه زنجیره مارکوف در روش LCM (نمونه موردی: شهررامهرمز). آمایش محیط، 14(54)، 147-166.: 20.1001.1.2676783.1400.14.54.7.5 doi
حسینی، سید بهروز، صارمی، علی، نوری قیداری، محمد حسین، صدقی، حسین، فیروزفر، علیرضا. (1399). طبقه‌بندی کاربری اراضی و تعیین الگوی تغییرات سال‌های 1393 تا 1396 با استفاده از داده‌های سنجنده OLI. آب و خاک، 34(1)، 55-71. doi: 10.22067/jsw.v34i2.74878.
خلجی، صبا. (1400). اثرات تغییر کاربری اراضی بر برنامه­ریزی کاربری زمین. پژوهش­های مکانی فضایی، 5(3 (پیاپی 19) )، 5-18. 2001001.1.25386050.1400.1400.19.1.2: doi.
درویشی، شادمان، رشید پور، مصطفی، سلیمانی، کریم. (1398). بررسی ارتباط تغییرات کاربری اراضی با دمای سطح زمین با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای مطالعۀ موردی: شهرستان مریوان. نشریه جغرافیا و توسعه، 17(54)، 143-162. doi: 10.22111/gdij.2019.4361.
ذاکری­نژاد، رضا، وثوقی، شیوا، انتظاری، مژگان، (1401)، مقایسة دقت انواع روش­های طبقه­بندی­های نظارت شده برای تهیة نقشة کاربری اراضی (مطالعه موردی: حوضه آبخیز علامرودشت)، پژوهش­های فرسایش محیطی، (46) 2:12. صص 145-138.  20.1001.1.22517812.1401.12.2.4 : doi.
رستمی­زاد، قباد، خان­بابایی، زهرا، طهمورث، محمد، (1401)، ارزیابی صحت الگوریتم­های طبقه­بندی نظارت شده برای استخراج نقشة کاربری اراضی (مطالعه موردی: حوضه آبخیز تهم)، پژوهش­های فرسایش محیطی، (48) 4: 12، صص 157-141. doi: 20.1001.1.22517812.1401.12.4.7.8.
رضائی، روح­اله، قدوسی، جمال، حسنی، امیرحسام، ارجمندی، رضا، وفایی‏نژاد، علیرضا. (1399). طبقه­بندی و ارزیابی تغییرات کاربری اراضی با استفاده از تصاویر ماهواره­ای لندست (مطالعه موردی: آبخوان دشت قزوین). فضای جغرافیایی. ۲۰ (۷۲) :۱۸۵-۲۰۴. http:// doi geographical-space.iau-ahar.ac.ir/article-1-3728-fa.html
رعیتی‏شوازی، منیره، کرم، امیر، غفاریان مالمیری، حمیدرضا، سپهر، عادل. (1397). مقایسه کارایی برخی الگوریتم‌های طبقه‌بندی در مطالعه تغییرات لندفرم‌های بیابانی دشت یزد-اردکان. پژوهش‏های ژئومورفولوژی کمّی، 6(1)، 57-73. doi: 20.1001.1.22519424.1396.6.1.4.1
فیضی­زاده، بختیار. (1396). مدل‌سازی تغییرات کاربری اراضی و اثرات آن بر سیستم فرسایش در حوضه‌ی سد علویان با استفاده از تکنیک‌های سنجش از دور و GIS. هیدروژئومورفولوژی، 4(11)، 21-38. doi:20.1001.1.23.833254.1396.4.111.2.3.
محمدپور، پگاه، ارجمندی، رضا، حسنی، امیرحسام،  قدوسی، جمال. (1401). طبقه‏بندی و ارزیابی تغییرات کاربری اراضی با استفاده از تصاویر ماهواره‏ای لندست (مطالعه موردی: دشت ری). انسان و محیط زیست، 20(3)، 279-297.  doi: 20.1001.1.15625532.1401.20.3.19.2
میرزایی ارجنکی، سید یحیی، امیری، رقیه، چت‏سازان، منوچهر، ندری، آرش. (1402). ارزیابی آبخوان دشت میداود-دالون در سناریوهای مختلف مدیریتی با استفاده از مدل‌ ریاضی. نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران, 13(4)، 308-311. doi: 10.22125/iwe.2023.173303
نخعی نژاد فرد، سارا، غلامی، حمید، اکبری، داوود، تلفر، ماتیو، رضایی،  مرضیه. (1397). مقایسه روش‌های مختلف طبقه‌بندی کاربری اراضی با رویکرد بهره‌گیری از باند حرارتی  در استان خراسان جنوبی. مدیریت بیابان، 6(11)، 65-81. doi: 10.22034/jdmal.2018.32324
نظرنژاد، حبیب، حسینی، مرتضی، مصطفی‎زاده، رئوف. (1398). تحلیل تغییرات کاربری اراضی حوزۀ آبخیز بالانج‌‌چای با استفاده از سنجه‌‌های سیمای سرزمین. نشریه جغرافیا و توسعه، 17(54)، 75-90. doi: 10.22111/gdij.2019.4360.
یوسفی، صالح، تازه، مهدی، میرزایی، سمیه، مرادی، حمیدرضا، توانگر، شهلا. (1393). مقایسة الگوریتم­های مختلف طبقه‌بندی تصاویر ماهواره­ای در تهیة نقشة کاربری اراضی (مطالعة موردی: شهرستان نور). سنجش‌ازدور و سامانه اطلاعات جغرافیایی در منابع طبیعی، 5(3)، 67-76.
Afrasinei, G., Melis, M., Buttau, C., Bradd, J.,& Arras, C. (2017). Assessment of remote
sensing-based classification methods for change detection of salt-affected areas (Biskra area,
Algeria). Journal of Applied Remote Sensing,11(1):http://dx.doi.org/10.1117/1.JRS.11.016025.
Chen, Liting ;  Cai, Haisheng., (2022). Study on land use conflict identification and territorial spatial zoning control in Rao River Basin, Jiangxi Province, China, Ecological indicators, 2022, Vol.145, p.109594, Article 109594. doi: 10.1016/j.ecolind.2022.109594.
Cui, Fengqi ; Wang, Bojie ; Zhang, Qin ; Tang, Haiping ; De Maeyer, Philippe ; Hamdi, Rafiq ; Dai, Luwei, (2020). Climate change versus land-use change—What affects the ecosystem services more in the forest-steppe ecotone?. The Science of the total environment, 2021, Vol.759, p.143525. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.143525 .
Feng, Yongjiu ; Chen, Shurui ; Tong, Xiaohua ; Lei, Zhenkun ; Gao, Chen ; Wang, Jiafeng. (2020). Modeling changes in China’s 2000–2030 carbon stock caused by land use change, Journal of cleaner production, 2020, Vol.252, p.119659. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.119659.
Gilani, Hammad ; Ahmad, Adeel ; Younes, Isma ; Abbas, Sawaid, (2022). Impact assessment of land cover and land use changes on soil erosion changes (2005–2015) in Pakistan. Land degradation & development, 2022, Vol.33 (1), p.204-217. https://doi.org/10.1002/ldr.4138.
Hashim, Bassim Mohammed ; Al Maliki, Ali ; Sultan, Maitham A. ; Shahid, Shamsuddin ; Yaseen, Zaher Mundher, (2022). Effect of land use land cover changes on land surface temperature during 1984–2020: a case study of Baghdad city using landsat image, Natural hazards (Dordrecht), 2022, Vol.112 (2), p.1223-1246. doi: 10.1007/s11069-022-05224.
Hussain, s.,  and Karuppannan , s. (2021), Land use/land cover changes and their impact on land surface temperature using remote sensing, technique in district Khanewal, Punjab Pakistan. https://doi.org/10.1080/24749508.2021.1923272.
Kezemi, M. A., & Nohegar, Mirdady, M. Y, (2017). Selecting the best classification method inland use mapping using Landsat 8 satellite OLI sensor data (Case study of Paradise Lost
Watershed, Fars Province), Quarterly of Iranian Natural Ecosystems, 8(1), 79-97. https://doi.org/10.5194/isprs-archives-XLII-4-W18-77-2019.
Lal A.M., and Margret Anouncia S. (2015). Semi-supervised change detection approach combining sparse fusion and constrained k means for multi-temporal remote sensing images The Egyptian. Journal of Remote Sensing and Space Sciences. 18: 279–288. https://doi.org/10.1016/j.ejrs.2015.10.002.
Pandian, M., Rajagopal, N., Sakthivel, G., Amrutha, D.E., (2014). Land use and land cover change detection using remote sensing and GIS in parts of Coimbatore and Tiruppur districts, Tamil Nadu, India. International Journal of Remote Sensing & Geoscience, Vol. 3 (1), pp. 15-20.
Rodríguez Echeverry, J., Echeverría, C., Oyarzún, C., Morales, L., (2018). Impact of land-use change on biodiversity and ecosystem services in the Chilean temperate forests. Landscape Ecology, Vol. 33, pp 439-453. doi: 10.1007/s10980-018-0612-5.
Rwanga, s., Ndambuki, J. M. (2017). Accuracy Assessment of Land Use/Land Cover Classification Using Remote Sensing and GIS. International Journal of Geosciences,  v( 8): 611-622. doi: 10.4236/ijg.2017.84033.
Schulte to Bühne, Henrike ; Tobias, Joseph A. ; Durant, Sarah M. ; Pettorelli, Nathalie, (2021). Improving Predictions of Climate Change–Land Use Change Interactions. Trends in ecology & evolution (Amsterdam), 2021, Vol.36 (1), p.29-38.
Tewabe, D., & Fentahun, T. (2020). Assessing land use and land cover change detection
using remote sensing in the Lake Tana Basin, Northwest Ethiopia, Cogent Environmental
Science, 6, 1-11. https://doi.org/10.1080/23311843.2020.1778998.
Tewierik, S.A ; Cammeraat, E.L.H ; Gupta, J ; Artzy-Ranup, Y.A, (2021). Reviewing the Impact of Land Use and Land-Use Change on Moisture Recycling and Precipitation Patterns. Water resources research, 2021, Vol.57 (7), p.n/a. doi: 10.1029/2020WR029234.

  • تاریخ دریافت 02 بهمن 1402
  • تاریخ بازنگری 12 اسفند 1402
  • تاریخ پذیرش 14 اسفند 1402
  • تاریخ انتشار 13 بهمن 1403