کالیبراسیون سه‌بعدی تغییرات کاربری اراضی با استفاده از مدل تلفیقی سلول اتومای زنجیره مارکوف در حوزه آبخیز گرگان‏رود

پیشینه و هدف تغییرات در کاربری/پوشش اراضی به‌عنوان یکی از موضوعات مهم در مدیریت منابع طبیعی، توسعه پایدار و تغییرات زیست‌محیطی در مقیاس محلی، ملی، منطقه‌ای و جهانی مطرح است. تبدیل کاربری‌ها به یکدیگر و تغییر کاربری‌های مجاز به غیرمجاز از قبیل تبدیل اراضی زراعی به مناطق مسکونی و یا اراضی مرتعی به دیم‌زارهای کم بازده و فرسایش یافته به‌عنوان موضوعات مهم در منابع طبیعی همواره مطرح است. شناسایی الگوهای تغییرات کاربری اراضی و پیش‌بینی تغییرات در آینده به‌منظور انجام برنامه‌ریزی مناسب در جهت بهره‌برداری بهینه از کاربری‌ها در مدیریت منابع طبیعی نیاز به مدل‌سازی تغییرات مکانی و زمانی LU/LC را آشکار می‌سازد. هدف  از تحقیق ارزیابی کارایی مدل تلفیقی سلول اتومای زنجیر مارکوف (CA-Markov model) در شبیه‌سازی و پیش‌بینی تغییرات زمانی و مکانی LU/LC در حوزه آبخیز گرگان‏رود با کاربرد آنالیز سه‌بعدی پنتیوس- ملینوس در کالیبراسیون تغییرات کاربری اراضی با استفاده از سه شاخص ارزیابی اختلاف کمی (QD)، اختلاف مکانی (AD) و درجه شایستگی (FOM) به‌عنوان شاخص‌های جدید در ارزیابی صحت مدل زنجیره مارکوف است. مواد و روش ها به‌منظور پیش‌بینی تغییرات کاربری اراضی با استفاده از مدل تلفیقی سلول اتومای زنجیره مارکوف در حوزه آبخیز گرگان‏رود، از تصاویر سنجندِه مشاهده‌گر زمینی OLI و TM ماهواره لندست 8 و 5 مربوط به سایت USGS استفاده شد. هفت کلاس کاربری اراضی شامل کلاس اراضی جنگلی با شماره کد کاربری 1، کلاس اراضی زراعی با شماره کد کاربری 2، کلاس اراضی مرتعی (مخلوط درختچه زار/ مرتع/ زراعت) با شماره کد کاربری 3، کلاس منابع آبی با شماره کد کاربری 4، کلاس اراضی بایر (بایر/ مرتع/ زراعت) با شماره کد کاربری 5، کلاس مناطق مسکونی و صنعتی با شماره کد کاربری 6، کلاس بستر رودخانه با شماره کد کاربری 7 برای حوزه آبخیز گرگان‏رود تفکیک گردید. به‌منظور طبقه‌بندی تصاویر ماهواره‌ای لندست 5 و 8 به‌منظور استخراج کلاس‌های کاربری اراضی حوزه آبخیز گرگان‏رود از روش طبقه‌بندی شی‌ءگرا و الگوریتم ماشین بردار پشتیبان استفاده شد. مقیاس سگمنت‌سازی در این الگوریتم با مقیاس 50 واحد (SL50) به‌منظور طبقه‌بندی تصاویر ماهواره سال‌های 1987، 2000، 2009 و 2017 انتخاب شد. ارزیابی صحت الگوریتم ماشین بردار پشتیبان در طبقه‌بندی شی‌ءگرای تصاویر ماهواره‌ای بابیان دقت کلی، ضریب کاپا، صحت کاربر، صحت تولیدشده، خطای Commission و خطای Omission برای هر چهار دوره مطالعاتی انجام‌شده است. برای درک این‌که در طی دوره 30 ساله موردمطالعه، تغییرات ایجاد‌شده در منطقه چگونه بوده و کدام کلاس‌ها گسترش و کدام کلاس کاهش مساحت داشته‌اند، با استفاده از نقشه‌های طبقه‌بندی‌شده با استفاده از نرم‌افزار IDRISI، تغییرات در محدوده کلاس‌ها آشکار و درصد تغییرات هر کلاس به دست آمد. مدل CA-Markov تغییرات گروه‌های مختلف از واحدهای LU/LC را بر اساس مفهوم همسایگی مکانی و ماتریس احتمال انتقال، پیش‌بینی می‌کند. یکی از الزامات برای پیش‌بینی تغییرات کاربری اراضی با مدل CA-Markov تهیه نقشه‌های تناسب اراضی است تا تغییرات مکانی به‌وسیله قوانین احتمال از طریق فیلتر نقشه‌های تناسب برای هر کاربری کنترل شود. اعتبارسنجی مدل مارکوف با استفاده از آنالیز سه‌بعدی پنتیوس و ملینوس با سه شاخص درجه شایستگی و اختلاف‌های کمی اختلاف‌های مکانی انجام شد. نتایج و بحث الگوریتم ماشین بردار پشتیبان در طبقه‌بندی کاربری اراضی به روش شی‌ءگرا نشان داد که بیشترین میزان خطای اضافه و خطای حذف به ترتیب با 19.12 و 18.55 درصد در اراضی مرتعی و اراضی زراعی در نقشه کاربری اراضی سال 2009 مشاهده گردید. پایین‌ترین صحت تولیدکننده به میزان 71.49 درصد مربوط به کلاس کاربری اراضی مرتعی در نقشه کاربری اراضی سال 2009 و پایین‌ترین صحت کاربر به میزان 71.45 درصد مربوط به کلاس کاربری اراضی زراعی در نقشه کاربری اراضی سال 2017 است. در دوره 30 ساله از سال 1987 تا 2017 بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، بیش‌ترین تغییر مثبت مربوط به افزایش کاربری اراضیزراعی و در تغییرات منفی مربوط به کاهش کاربری اراضی جنگلی و مرتعی در طول دوره موردنظر است. بیش‌ترین کاهش اراضی جنگلی با 4.8 درصد در دوره 2017-2000، بیش‌ترین افزایش اراضی زراعی با 5.3 درصد در دوره 2017-1987، بیش‌ترین کاهش اراضی مرتعی با 9 درصد در دوره 2017-2009، بیش‌ترین افزایش اراضی بایر با 4.6 درصد در دوره 2017-2009 و بیش‌ترین افزایش اراضی مسکونی و صنعتی با 0.8 درصد در دوره 2017-1987 رخ‌داده است. بعد از اعتبارسنجی تغییرات کاربری اراضی پیش‌بینی‌شده در مدل زنجیره مارکوف، بر اساس تحلیل 5 حالت موجود در آنالیز سه‌بعدی پنتیوس و ملینوس، مدل زنجیره مارکوف با پیش‌بینی صحیح شبیه‌سازی 89.92 درصد، نشان از کارایی بالای مدل زنجیره مارکوف در فرآیند شبیه‌سازی بود. بعد از اجرای تحلیل زنجیره مارکوف بر روی نقشه کاربری اراضی به‌دست‌آمده از طبقه‌بندی تصاویر ماهواره‌ای، یک ماتریس احتمال انتقال و ماتریس مساحت انتقال‌یافته ایجاد شد. در پیش‌بینی‌های انجام‌شده توسط مدل زنجیره مارکوف از سال 2017 تا سال 2035 عمده تغییرات مربوط به کاهش وسعت اراضی جنگلی و بایر به ترتیب به میزان 16966 و 6961 هکتار است و در مقابل این کاهش کاربری، افزایش وسعت اراضی زراعی، مرتعی و مسکونی به میزان 20397، 3913 و 3825 هکتار مشاهده خواهد شد. نتیجه ­گیری آَشکارسازی تغییرات کاربری اراضی با استفاده از ابزار LCM برای دوره سی‌ساله 2017 – 1987 در حوزه آبخیز گرگان‏رود نشان داد که کاربری جنگل، زارعت و نواحی مسکونی در طی این دوره در این منطقه تغییرات چشمگیری داشته است. نتایج حاصل از پیش‌بینی تغییرات کاربری اراضی در طی هجده سال آینده با استفاده از مدل تلفیقی سلول اتومای زنجیره مارکوف نشان داد که در طی سالیان آتی با پدیده جنگل‌زدایی شدید در این حوزه روبه‌رو خواهیم بود. بررسی نتایج حاصل از اجرای مدل شبکه‌سازی کاربری آینده با استفاده از تخمینگر انتقال مارکوف نشان داد که می‌توان تغییرات کاربری آینده را با توجه به شرایط محیطی موجود پیش‌بینی کرد که نشان‌دهنده این است که در حوزه آبخیز گرگان‏رود در طی هجده سال آینده زراعت به‌شدت در این منطقه افزایش خواهد داشت. لذا باید با مدیریت بلندمدت و جامع، منابع آب‌وخاک حفظ کرد و تا حد امکان مانع از تخریب این منابع ارزشمند شد. سه شاخص QD، AD و FOM در آنالیز سه‌بعدی نقش مهمی در بیان میزان صحت و کالیبراسیون طبقه‌بندی کاربری اراضی و پیش‌بینی کاربری اراضی داشت. نتایج تغییرات کاربری اراضی مطالعه شده با استفاده از ابزار LCM و مدل تلفیقی سلول اتومای زنجیره مارکوف در طی دوره 1987 تا 2035 بیانگر تخریب بیش از 24309 هکتار از اراضی جنگلی و 31921 هکتار از اراضی مرتعی و افزایش زراعت در حوزه به مساحت 62421 هکتار است که بیانگر دخالت‌های انسانی و جنگل‌تراشی‌های پیش رو در این حوزه است.