تخمین رطوبت سطح خاک با استفاده از دمای سطح زمین و شاخص نرمال گیاهی
چکیده
رطوبت خاک یک مولفه مهم برای تحقیقات هیدرولوژی، خشکسالی و فرایندهای دیگر سطح زمین است. تغییرات رطوبت خاک، تاثیرات مهمی را بر فرسایش زمین، رواناب منطقه ای و بهره وری گیاهی می گذارند. در این تحقیق، سه الگوریتم تخمین رطوبت خاک در بخشی از منطقه مرکزی ایران مورد ارزیابی قرار گرفته است. این سه الگوریتم به ترتیب استفاده از شاخص خشکی گیاه- دما (tvdi)، محاسبه ضریب انتقال تبخیر خاک (ha) و تخمین رطوبت خاک تنها با استفاده از دمای سطح زمین (lst) هستند. برای تنظیم و اعتبارسنجی تخمین رطوبت خاک با این الگوریتم ها در دو نوبت برداشت های زمینی در قسمتی از منطقه مرکزی ایران انجام شده است. در ضمن برای پیاده سازی این سه الگوریتم، تعدادی از تصاویر سنجنده ی modis terra مربوط به خردادماه 1390 بکار برده شده است. در الگوریتم اول، lst و شاخص ndvi محاسبه شده و پس از ایجاد نمودار پراکندگی آنها، یک فضای مثلثی حاصل شده است. شاخص tvdi، بر اساس این فضای مثلثی برای هر پیکسل تعیین شده و روابط رگرسیون مختلفی مانند خطی، توانی و لگاریتمی بین tvdi و رطوبت سطحی خاک بررسی شده اند. در الگوریتم دوم ضریب ha که تنها بر اساس دما محاسبه می شود، برای تخمین رطوبت خاک استفاده و پیاده سازی شده و نتایج آن مورد ارزیابی قرار گرفته است. برای محاسبه ی ha به دمای سطح زمین، دمای هوا و دمای خاک مرجع (خاک خشک بدون تبخیر) نیاز است. برای محاسبه ی دمای خاک خشک مرجع، دو روش ماکزیمم دمای محلی و روش تشکیل فضای مثلثی به کار برده شد. در این الگوریتم استفاده از روش تشکیل فضای مثلثی برای تعیین دمای خاک مرجع به عنوان یک ایده جدید مطرح شده است. سپس روابط رگرسیونی مختلفی بین رطوبت سطحی خاک و ضریب انتقال تبخیر خاک ارزیابی شد. در الگوریتم سوم با توجه به پوشش گیاهی ضعیفی که در منطقه مورد مطالعه وجود دارد از lst برای برآورد رطوبت خاک استفاده شد و روابط رگرسیونی مختلف بین آنها بررسی شد. از میان روابط رگرسیونی مختلفی که در این سه الگوریتم مورد تحقیق قرار گرفت رابطه لگاریتمی tvdi و رطوبت سطحی خاک با ضریب r2 معادل با 69/0، رابطه خطی و لگاریتمی بین ha و رطوبت سطحی خاک در هر دو روش تشکیل فضای مثلثی با ضریب r2 های 58/0 و 63/0 و روش ماکزیمم دمای محلی برای ابعاد ?2 × ?2 با ضریب r2 برابر با 74/0 برای هر دو رابطه و رابطه لگاریتمی lst با رطوبت سطحی خاک با 74/0 = r2 به عنوان روابط رگرسیونی با ضریب r2 بالاتر انتخاب شدند. rmse متوسط برای تخمین رطوبت سطحی خاک با استفاده از این روابط رگرسیونی در نقاط تست حدود cm3/cm3 011/0 بوده است. ضریب r2 برآورد رطوبت خاک با الگوریتم های بالا در عمق cm 10-0 کمتر از ضریب r2 تخمین رطوبت خاک با همین الگوریتم ها در عمق cm 5-0 است. این مسئله نشان می دهد که با وجود توانایی این الگوریتم ها برای تخمین رطوبت خاک، قابلیت این روش ها با افزایش عمق کاهش می یابد. نقشه های رطوبت خاک در زمینه های مختلفی مانند هواشناسی، هیدرولوژیکی و ... کاربردی است. در این تحقیق با استفاده از روابط رگرسیونی به دست آمده، نقشه رطوبت خاک برای منطقه مطالعاتی تهیه شده است.