ارزيابي مدل هاي رقومي ارتفاع جهت تهيه نقشه پتانسيل فرسايش خندقي با استفاده از مدل مكسنت و سامانه اطلاعات جغرافيايي (مطالعه موردي: حوزه آبخيز سميرم، جنوب استان اصفهان)

Evaluation of of DEMs to the modeling of the potential of gully erosion using Maxent model (Case study: Semirom catchment in the south of Isfahan Province, Iran

پيشينه و هدف فرسايش خندقي به عنوان يك نوع فرسايش آبي در اقليم‌هاي متفاوتي از مناطق خشك تا مرطوب گسترش‌يافته است. اين نوع از هدر رفت خاك با تجمع رواناب‌ها، موجب جابجاي و تخريب افق‌هاي سطحي خاك مي‌گردد. در مناطق وسيعي از ايران در شمال، مركزي و جنوب با اين نوع هدر رفت خاك مواجه مي‌باشند. درواقع فرسايش خندقي به دلايل توپوگرافي متنوع، فرسايش‌پذيري خاك، عدم مديريت صحيح خاك و كاربري نامناسب اراضي در بسياري از اين مناطق رخ مي‌دهد. بنابراين براي حفاظت خاك در اين مناطق لازم هست كه نقشه حساسيت به فرسايش خندقي در دسترس مديران و برنامه ريزان قرار داشته باشد. پارامترهاي زيادي در ايجاد فرسايش خندقي تأثير دارند ازجمله خاك، زمين‌شناسي منطقه، تكتونيك، هيدرولوژي، كاربري اراضي، پوشش گياهي و توپوگرافي، كه در مطالعات مختلف در سراسر جهان به آن اشاره‌شده است. معيار توپوگرافي منطقه از پارامترهاي مهم در ايجاد فرسايش آبي ازجمله فرسايش آبكندي محسوب مي‌گردد، كه در هر منطقه با توجه به ويژگي‌هاي فيزيكي منطقه منحصربه‌فرد عمل مي­كند. اين پارامتر همچنين در واقع به صورت غيرمستقيم بر ديگر شاخص ها و يا معيارها تأثيرگذار است (مانند تأثير آن بر پوشش گياهي، اقليم يا خاك منطقه). اگرچه تحقيقات زيادي در زمينه فرسايش خندقي صورت گرفته است، ولي مطالعات كمي در زمينه كاربرد مدل‌هاي آماري تصادفي انجام‌گرفته است. اين مطالعه اولين تحقيق در زمينه كاربرد مدل آماري حداكثر آنتروپي مكسنت در مناطق مركزي ايران با تأكيد بر اهميت شاخص‌هاي توپوگرافي مستخرج از مدل‌هاي رقومي رايگان است. و به‌عنوان يك روش جديد جهت تهيه نقشه حساسيت فرسايش خندقي در حوزه آبخيز سميرم در جنوب استان اصفهان است. اين حوزه آبخيز توسط تحت تأثير فرسايش‌هاي شديد آبي از جمله خندقي، شياري و لغزشي است. همچنين اين مطالعه ارزيابي نتايج در مدل رقومي ارتفاعي SRTM و ASTER با قدرت تفكيك 30 متر در تهيه نقشه خطر فرسايش خندق است كه داده‌هاي فوق از سايت زمين‌شناسي امريكا (USGS) تهيه گرديد. تأكيد اصلي در اين تحقيق بر روي شاخص‌هاي توپوگرافي بود زيرا كه اين شاخص‌ها به صورت مستقيم و غيرمستقيم بر روي ويژگي‌ها خاك، پوشش گياهي و اقليم نيز تأثيرگذار مي‌باشند. مواد و روش ­ها در اين تحقيق براي پيش بيني مناطق حساس كه در نتيجه فرسايش خندقي مي ­باشند شامل مراحل ذيل است. در مرحله اول، با استفاده از تصاوير گوگل ارث و عكس‌هاي هوايي و همچنين عمليات ميداني اقدام به ديجتايز كردن تعدادي از مناطق فرسايش خندقي به‌صورت پلي گون انجام گرديد كه در ادامه كار تبديل به نقاط گرديدند. در مرحله دوم اقدام به تهيه مهم‌ترين شاخص‌هاي توپوگرافي مؤثر به‌عنوان لايه‌هاي محيطي مؤثر بر رخداد فرسايش خندقي گرديد. شاخص‌هاي توپوگرافي شامل شاخص رطوبت توپوگرافي، شاخص انحنا، شاخص انحنا پروفايل، شاخص شيب، شاخص جهت، شاخص قدرت فرسايندگي جريان، شاخص طول جريان، شاخص حوزه يا تمركز جريان، شاخص همگرايي، شاخص ارتفاع و شاخص LS. اين شاخص‌ها از دو مدل رقومي ارتفاعي ASTER و SRTM با دقت 30 متر در محيط نرم‌افزار ساگا جي اي اس (SAGAGIS) تهيه گرديد كه در نهايت تبديل به فرمت ASCII جهت اجراي مدل گرديد. قبل از استخراج اين شاخص‌هاي توپوگرافي، پيش پردازهاي لازم شامل فيلترگذاري و حذف خطاهاي هيدرولوژيك و در محيط نرم‌افزار ArcGIS و ساگا و با استفاده از الگوريتم داربكس و پلانچون اقدام گرديد. مدل مكسنت مدل حداكثر آنتروپي يك روش كلي براي پيش بيني يا استنباط از اطلاعات ناكامل است. اين مدل برنامه‌هاي كاربردي در مناطق مختلف مانند نجوم، بازسازي تصوير، فيزيك آماري و پردازش سيگنال را مورد بررسي قرار مي‌دهد. ايده مدل مكسنت تخمين احتمال رخداد هدف مورد مطالعه است. در واقع اين مدل تنها نياز به داده‌هاي رخداد فرسايش خندقي نياز دارد (داده‌هاي موجود) از ديگر مزاياي اين مدل موارد زير را شامل مي‌شود؛ تنها به اطلاعات مربوط به وجود فرسايش، همراه با اطلاعات زيست محيطي براي كل منطقه مورد مطالعه نياز دارد. اين مدل مي‌تواند از هر دو نوع داده‌هاي پيوسته و يا گسسته جهت متغيرهاي مستقل در مدل بكار برده شود. نتايج و بحث با به كار بردن مدل مكسنت در حوزه سميرم، 70 درصد نقاط خندقي به عنوان نقاط تعليمي به مدل و 30 درصد آن به عنوان نقاط آزمايشي جهت تعيين صحت ارزيابي نقشه نهايي تعيين گرديد. اعتبار مدل مورد استفاده در اين تحقيق با استفاده از سطح زير نمودار راك يا سطح زير منحني AUC مورد ارزيابي قرار گرفت. نمودارهاي راك به صورت اتوماتيك با اجراي اين مدل براي دو نوع داده تعليمي و آزمايشي تهيه مي‌گردد. ميزان AUC جهت پهنه‌بندي فرسايش خندقي براي داده‌هاي تعليمي نقشه‌هاي رقومي ارتفاع ASTER و SRTM به ترتيب 0.64 و 0.72 و براي نمونه‌هاي آزمايشي 0.68 و 0.73 است. اين نتايج بيانگر آن است كه مدل ارتفاعي SRTM داراي دقت بالاتري نسبت به ASTER است، و نقشه پتانسيل فرسايش خندقي با اجرا كردن شاخص‌هاي مستخرج از مدل ارتفاعي SRTM آورده شده است به نظر مي‌رسد يكي از دلايل پايين بودن دقت مدل ASTER به دليل تأثير پوشش گياهي باشد گه باعث ايجاد خطاهاي تراس مانند شده است درحالي‌كه در نقشه رقومي ارتفاعي SRTM به دليل ماهيت راداري امواج اين خطا كاهش‌يافته و نقشه دقيق‌تري از اين مدل، تهيه‌شده است. نتايج اين پژوهش نشان داد كه شاخص‌هاي قدرت فرسايندگي جريان آب با 40.30 درصد، ارتفاع با 22.7 درصد و شاخص همگرايي با 18 درصد داراي بيشترين تأثير بر ميزان فرسايش خندقي منطقه مطالعاتي مي‌باشند. در اين مطالعه نقشه پهنه‌بندي پتانسيل فرسايش خندقي در حوزه آبخيز سميرم نشان مي‌دهد، كه مناطق با پتانسيل بالاي فرسايشي بيشتر در نواحي جنوبي و جنوب غربي حوزه مورد مطالعه است. نتيجه ­گيري اين مطالعه با استفاده از مدل مكسنت به منظور تهيه نقشه حساسيت به فرسايش خندق در حوزه آبريز سميرم در جنوب استان اصفهان و با استفاده از شاخص‌هاي توپوگرافي مؤثر و با استفاده از مدل حداكثر آنتروپي جهت شناسايي مناطق حساس فرسايش خندقي و همچنين شاخص‌هاي تأثيرگذار اقدام گرديد. از نتايج اين مطالعه مي‌توان براي برنامه‌ريزي كاربري اراضي و مديريت مناطق داراي فرسايش خندق در جهت توسعه پايدار استفاده كرد. اگرچه نتايج اين تحقيق نقش بارز شاخص‌هاي توپوگرافي را در تهيه نقشه پتانسيل خندقي نشان داده ولي جهت افرايش دقت نتايج مدل‌سازي مي‌توان با توجه به قابليت اطلاعات در دسترس در منطقه مورد از ديگر معيارهاي تأثيرگذار در فرسايش خندقي از قبيل كاربري اراضي، پوشش گياهي و خاك و غيره براي پهنه‌بندي مناطق به حساسيت فرسايش خندقي استفاده نمود.

Background and ObjectiveGully erosion is a type of water erosion that occurs in many climate areas, from arid to humid areas. This type of soil loss causes the displacement and destruction of soil surface horizons by the accumulation of runoff. In many parts of Iran, in the north, south and central faced with this type of soil loss. In fact, gully erosion occurs in this area due to the complex topography, erodible soils, mismanagement of soil and land use/land cover. Therefore, in order to protect the soil in these areas, it is necessary that a susceptible map should be available to the managers and policymakers. Many parameters affect the occurrence of gullu erosion, including soil, geology, tectonics, hydrology, land use, vegetation and topography, that have been mentioned in various studies around the world. The topographic indices are the most important parameters in the event of gully erosion, which operates differently in each region according to the physical characteristics of the areas. This parameter also indirectly affects the other indicators or criteria (for example, its impact on the vegetation, climate and soil of the area). Even there are many researches on the gully erosion, but there are only a few studies on the modelling with applying the stochastic approaches. This study is the first attempt to the modelling of gully erosion in the central of Iran with applying the maximum Entropy model and topographic indices that have been applied with using the free of charge of digital elevation model. This study uses a new approach to preparing the susceptibility map of gully erosion in the Semirom catchment in the South of Isfahan province. This area is affected by different types of water erosion, same as; gully, rill and landslide. Also, the purpose of this research is to compare the accuracy of two digital elevation model, ASTER and SRTM with 30 m resolution, (DEM) from USGS website, for the modelling of gully erosion in the study area. The emphasis of this research was on the topography indices because it has most important on the event of gully erosion. Materials and MethodsIn this research for the prediction of the susceptible areas in the result of the main type of gully erosion, the following steps have been applied; In the first step the locations of some sampled gullies, have been digitized randomly with using the Google Earth (GE) images, aerial photos and fieldwork in polygon shapes for each gully. Subsequently, we converted the polygons and into equally spaced points. In the second step, we determine the most important criteria as the environment layers for the modeling. These topography indices including, wetness Index (TWI), curvature, profile curvature, slope, aspect, catchment area, flow length, elevation, slope, LS factor, Stream Power Index (SPI). The topographic indices have been extracted in SAGA GIS from the SRTM DEM with 30m spatial resolution and were then converted to the ASCII format to run in the model. Before applying the indices, the DEM was preprocessed with low pass filtering to extract artefacts and errors, like local noise and with using ArcGIS. Subsequently, the DEM was hydrologically corrected eliminating sinks using the algorithm proposed by Planchon & Darboux. The Maximum Entropy Model is a general-purpose method for making predictions or inferences from incomplete information. MEM explores applications in diverse areas such as astronomy, portfolio optimization, image reconstruction, statistical physics and signal processing. The idea of Maxent is to estimate a target probability. In fact, this model needs only the gullies feature (present data). The advantages of this model include the following; It requires only presence data together with environmental information for the whole study area. It can utilize both continuous and categorical data and can incorporate interactions between different variables. Results and Discussion With applying the Maxent model in the Semirom catchment, it was trained using 70% of the mapped points of gully features as the target or dependent variable and 30% of the mapped gully as testing samples. The raster type of environmental layers (topographic indices) as the independent variable. The validity of the model used in this study was assessed using the level below ROC or Area Under Curve (AUC). The ROC curve was automatically generated by running this model for both training and testing data. The AUC for training data for SRTM and ASTER is 0.64 and 0.72 respectively and also for testing is 0.68 and 0.72 respectively. These results indicate that the SRTM elevation model has higher accuracy than the ASTER DEM. One of the reasons for the low accuracy of the ASTER DEM can be due to the impact of vegetation, which has caused terrace-like errors, while in the SRTM DEM, due to the radar nature of the waves, this error is reduced and a more accurate map of this the model has been prepared. Our results show that SPI index with 40.3% contribution, elevation with 22.7% and convergence with 18% are the most important factors for the zoning of the susceptible areas. Regarding the predicted map of the potential of gully erosion, the area in the central and south of the study area are in the high probability. Conclusion This study applied the Maxent model to map the susceptibility of gully erosion in the Semirom catchment in the Isfahan Province, using various topographic effective factors and the Maxent model. Stochastic approaches like statistical mechanics provide a powerful tool to study the relations between locations of gully erosion features and corresponding environmental characteristics. The result of this study can be used for land-use planning and management of the areas with gully erosion for sustainable development in the prone areas. Although the results of this study show the prominent role of the topographic indicators for the prediction of the potential gully map, to increase the accuracy of the modeling results, in the furture researches the other criteria such as land use, vegetation and used soil, etc according to the availability of information to can be applied.