تخمین رطوبت سطحی خاک با استفاده از روش مثلث بهبودیافته و شاخص خاک

چکیده رطوبت سطح زمین یکی از متغیرهای کنترل چرخه ی تبادل آب و حرارت بین زمین و اتمسفر می باشد که با تبخیر و تعرق سطحی روی این فرایند تأثیر می گذارد. این میزان رطوبت برای چرخه های هیدرولوژیکی، بیولوژیکی و بیوشیمیایی نیز حائز اهمیت می باشد. به کمک اطلاعات رطوبت خاک در بازه های زمانی منظم می توان درجه ی پیشرفت خشکسالی را در مناطق با آّب و هوای خشک تعیین کرد. همچنین پایش مستمر رطوبت خاک مناطق کشاورزی، به ما در آبیاری محصولات به شکلی موثر کمک می کند. از رطوبت خاک همچنین برای شناسایی مناطق آتشخیز جنگل ها استفاده شده است. بنابراین پایش رطوبت خاک در هر منطقه و در مقاطع زمانی مختلف امری مهم می باشد. با توجه به عواملی مانند عدم یکنواختی در ویژگی های فیزیکی خاک، توپوگرافی، پوشش زمین، تبخیر و تعرق و میزان بارش در منطقه، رطوبت خاک به عنوان عاملی متغیر در بازه های مکانی و زمانی شناخته می شود. بنابراین استفاده از روش های سنتی تعیین رطوبت خاک (مانند روش وزنی و میله ی نوترون) برای درک رفتار مکانی و زمانی این متغیر در سطوح وسیع مناسب نمی باشد. برای رفع این مشکل در دو دهه ی گذشته تکنولوژی سنجش از دور (به خصوص در حوزه ی مرئی/مادون قرمز نزدیک و حرارتی) به طور گسترده برای تخمین غیرمستقیم رطوبت خاک مورد استفاده قرار گرفته است. بخشی از تحقیقات در حوزه ی تخمیـن رطوبت خاک به کمک فنـاوری سنجش از دور، به رابـطه ی بین دمای سطح، شاخص-های گیاهی و رطوبت خاک پرداخته است. نتایج این مطالعات روش مثلث فراگیر می باشد که با تشکیل فضای دمای سطح زمین (lst) و شاخص گیاهی تفاضلی نرمال شده (ndvi) و ارتباط با تعدادی از نقاط کنترل رطوبت زمینی به بازیابی رطوبت خاک می پردازد. مطالعات متعددی (مانند استفاده از معادلات چندجمله ای) با استفاده از روش مثلث برای دستیابی به رطوبت خاک صورت گرفته است. در یکی از رایج ترین این تحقیقات، رطوبت خاک با استفاده از شاخص tvdi (شاخص خشکی گیاهی- دمایی) تعیین می شود. این شاخص تفسیری ساده از فضای ndvi-lst ارائه می کند. در تمامی روش های مرتبط با روش مثلث، تشکیل فضای مثلث برای مناطق بدون پوشش گیاهی و یا با پوشش گیاهی کم و پراکنده، به خوبی صورت نمی گیرد. با توجه به عدم وجود پوشش گیاهی قابل توجه در منطقه ی مورد مطالعه، در این تحقیق سعی می شود برای این گونه مناطق و نیز بهبود شاخص tvdi در تخمین رطوبت خاک، از ویژگی های فیزیکی خاک (مانند نوع، بافت و نفوذپذیری) به عنوان عاملی مهم در تخمین رطوبت خاک استفاده شود. در همین راستا با نرمال کردن مقادیر tvdi نسبت به هر نوع خاک، با افزایش چشمگیر دقت و تعمیم پذیری روبرو شدیم؛ به طوری که معیار rmse با استفاده از این روش 3 برابر افزایش دقت خواهد داشت. در این حالت و برای سه نوع غالب خاک منطقه، به طور متوسط برای معیارهای r2 و rmse (به ترتیب) مقادیر 9097/0 و 477/0 حاصل گشت. منطقه ی مورد مطالعه در حد فاصل دو شهر اصفهان و نائین واقع شده است که از اقلیمی خشک برخوردار بوده و پوشش گیاهی غالب منطقه را بوته ها و درختچه ها تشکیل می دهد. نمونه برداری های زمینی به منظور معتبرسازی نتایج در 150 ایستگاه و طی سه روز در ماه های خرداد و تیر انجام گرفت. جهت جامع بودن نتایج تحقیق، این نمونه ها در 4 نوع مختلف خاک با ویژگی های فیزیکی متفاوت انتخاب شد. همچنین برای اندازه گیری رطوبت این نمونه ها از روش وزنی استفاده شد. با توجه به این که سنجنده ی modis داده هایی روزانه و با قدرت تفکیک یک کیلومتری را به صورت رایگان در اختیار ما قرار می دهد، در این تحقیق برای دستیابی به اطلاعات سنجش از دوری lst و ndvi، از محصولات سنجنده ی modis (mod09 و mod11) استفاده گردید. واژگان کلیدی: رطوبت خاک، سنجش از دور، شاخص tvdi، ویژگی های فیزیکی خاک، سنجنده ی modis