كارايي سامانه گوگل ارث انجين (GEE) در ارزيابي تغييرات كاربري اراضي و پيش‌ بيني آن با مدل ماركوف (مطالعه موردي دشت اروميه)

پيشينه و هدف كاربري اراضي منعكس‌كننده ويژگي هاي تعاملي بين انسان و محيط‌ زيست و تشريح نحوه بهره برداري انسان براي يك يا چند هدف بر روي زمين است. كاربري اراضي، معمولاً بر اساس استفاده انسان از زمين، با تأكيد بر نقش كاربردي زمين در فعاليت هاي اقتصادي تعريف مي شود. نقش كاربري اراضي يكي از فاكتورهاي اساسي در مطالعات منابع طبيعي و مديريت محيط ‌زيست است. اطلاع از تغييرات كاربري اراضي و بررسي علل و عوامل آن ‌ها در يك دوره زماني مي تواند مورد توجه برنامه ريزان و مديران باشد. استفاده از داده هاي ماهواره اي به دليل فراهم ساختن ديد وسيع و يكپارچه از يك منطقه، قابليت تكرارپذيري، دسترسي آسان، دقت بالاي اطلاعات به ‌دست ‌آمده و سرعت ‌بالاي تجزيه‌ و تحليل ابزار مناسبي براي تهيه نقشه كاربري اراضي مخصوصاً در مناطق جغرافيايي وسيع است. يكي از روش هاي پركاربرد استخراج اطلاعات از تصاوير ماهواره اي، طبقه بندي است كه به كاربران امكان توليد اطلاعات مختلف را مي دهد. براي تفكيك پديده هاي موضوعي و استخراج دقيق تر اطلاعات، با توجه به نوع روش طبقه بندي، منطقه موردمطالعه، ويژگي هاي نقاط تعليمي نتايج متفاوتي حاصل مي شود. سامانه گوگل ارث انجين (GEE)، سيستمي مبتني بر وب و محاسبات ابري است كه توسط شركت گوگل و به‌منظور ذخيره ‌سازي و تحليل حجم عظيمي از داده ها در مقياس پتا بايت (ازجمله تصاوير مختلف ماهواره اي، مدل هاي رقومي ارتفاعي، داده هاي اقليمي، داده هاي وكتوري)، راه‌ اندازي شده است. سرعت در پردازش و دسترسي به داده هاي متنوع از مسائل و مشكلات مطالعات مربوط به تغييرات كاربري اراضي است. اين مشكلات به لطف سامانه گوگل ارث انجين، برطرف شده است. هدف مقاله حاضر طبقه بندي تصاوير ماهواره ‌اي با استفاده از روش يادگيري ماشين بردار در دو دوره 2000 و 2020 و تهيه نقشه كاربري اراضي اين دو دوره در محيط سامانه گوگل ارث انجين است. مواد و روش هادر پژوهش حاضر شهر اروميه به همراه نواحي اطراف آن (دشت اروميه)، مورد ارزيابي قرارگرفته است. به‌منظور تهيه نقشه هاي كاربري اراضي و مطالعه تغييرات آن، تصاوير مربوط به سنجنده ETM+ ماهواره لندست 7 براي سال 2000 و سنجنده OLI لندست 8 مربوط به سال 2020 استفاده ‌شده است. از تصاوير مربوط به ماه جون، زماني كه پوشش گياهي به حداكثر رشد رويشي رسيده است، استفاده گرديد. روش هاي مختلفي براي پايش و اندازه گيري تغييرات پوشش زمين و كاربري اراضي توسعه پيداكرده است. در مقاله حاضر كارايي سامانه گوگل ارث انجين به ‌منظور گردآوري، مديريت و پردازش داده هاي سنجش ‌از دور مورد ارزيابي قرار گرفته است تا بتوان سرعت و دقت اين سامانه را اثبات و معرفي كرد. جهت تهيه نقشه كاربري اراضي، از روش طبقه ‌بندي ماشين بردار پشتيبان (Support Vector Machine)، استفاده‌ شده است. تفاوت عمده اين مقاله با ساير پژوهش ها اين است كه مديريت و پردازش تصاوير در سامانه گوگل ارث انجين صورت گرفته است كه اين امر سبب مي شود تا محقق نيازي به نرم ‌افزارهاي پرهزينه و سنگين مانند ENVI نداشته باشد و تنها با دسترسي به اينترنت بتواند پردازش هاي مورد نظر را انجام دهد. با توسعه كد مربوط به طبقه‌ بندي تصاوير با استفاده از روش ماشين بردار پشتيبان، اقدام به طبقه ‌بندي تصاوير سال هاي 2000 و 2020 شد. شش كلاس كاربري شامل زمين هاي باير، اراضي انسان‌ساخت، باغات، كشاورزي آبي، كشاورزي ديم و پهنه هاي آبي مشخص گرديد. پس از طبقه ‌بندي تصاوير ماهواره اي، نتايج كار در گوگل درايو ذخيره و براي تحليل هاي بعدي آماده شد. نتايج طبقه ‌بندي وارد محيط نرم‌افزارArcGIS  شد و صحت طبقه‌ بندي با استفاده از نقاط كنترلي به‌ دست ‌آمده از تصاوير گوگل ارث و همچنين داده هاي مربوط به طرح آمايش سرزمين استان آذربايجان غربي مورد ارزيابي قرار گرفت. در مقاله حاضر علاوه بر تهيه نقشه كاربري اراضي در سامانه گوگل ارث انجين، به پيش‌بيني و مدل سازي كاربري ها براي سال 2040 با استفاده از تخمينگر انتقال ماركوف استفاده شد. نتايج و بحث پس از فراخواني و اعمال طبقه ‌بندي در محيط گوگل ارث انجين با استفاده از روش SVM، نقشه كاربري اراضي براي سال هاي 2000 و 2020 تهيه شد. نقشه هاي تهيه ‌شده شامل كاربري هاي اراضي ساخته‌ شده، پهنه‌ هاي آبي، باغات، كشاورزي آبي، كشاورزي ديم و زمين هاي باير است. مقايسه كاربري هاي مختلف بين سال هاي 2000 و 2020 نشان مي دهد كه تغييرات گسترده‌ اي در آن ‌ها رخ ‌داده است. برخي از اين تغييرات افزايشي و برخي كاربري ها، منفي است. زمين هاي باير در سال 2020 نسبت به سال 2000، در حدود 10 كيلومتر مربع، اراضي ساخته‌شده (انسان‌ساخت)، 42.62 كيلومترمربع، باغات 67 كيلومترمربع و پهنه هاي آبي 0.39 كيلومتر مربع افزايش مساحت را نشان مي­دهد. در مقابل كشاورزي ديم 39.45 و كشاورزي آبي 80 كيلومترمربع از مساحت خود را ازدست‌داده‌اند. دليل افزايش باغات را مي ‌توان در تغيير كاربري هاي كشاورزي آبي به باغي و همچنين توسعه شهري و ايجاد زيرساخت هاي انساني مختلف دانست كه در سال هاي اخير بسيار مشهود است. بيشترين تغييرات مربوط است به كاربري باغات با روند مثبت كه طي آن بسياري از زمين هاي كشاورزي آبي تبديل به اراضي باغي شده اند. همين تغييرات سبب شده تا ميزان توليد محصولات باغي شهرستان اروميه افزايش‌يافته و به يكي از قطب هاي توليد محصولات باغي به ‌ويژه سيب تبديل بشود. از طرف ديگر مساحت زمين هاي انسان‌ساخت تقريباً دو برابر شده است كه اين امر معمولاً در ساير نقاط كشور نيز اتفاق مي ‌افتد و امري عادي است. معمولاً با افزايش جمعيت شهرها و همچنين روستاها و نياز به احداث ساختمان هاي جديد و امكانات زيرساختي مثل كارخانه ‌ها، زمين‌هاي ورزشي، جاده ها، فضاهاي سرگرمي و غيره، كاربري هاي انسان ‌ساخت افزايش پيداكرده است. طبق نقشه پيش ‌بيني‌شده براي سال 2040 با استفاده از CAMarkov در نرم ‌افزار ادريسي، بيشترين رشد مربوط به كاربري كشاورزي ديم است. پيش ‌بيني مي ‌شود طي اين دوره مساحت زمين ‌هاي ديم به 73.40 كيلومترمربع برسد. زمين‌ساخته شده به 90.9 كيلومترمربع افزايش خواهد يافت. در حالي ‌كه مقدار آن در سال 2020، 76.38 كيلومترمربع بوده است. از طرف ديگر مساحت باغات از 31.61 كيلومترمربع در سال 2020 به 72.15 كيلومترمربع افزايش خواهد يافت. زمين ‌هاي كشاورزي آبي نيز با روند افزايشي به 27.38 كيلومترمربع خواهد رسيد. نتيجه گيري بررسي‌ ها نشانگر آن است كه رشد اراضي ساخته ‌شده در شهر اروميه و پيرامون آن، متناسب و همسو با ساير كاربري ها نيست و اين مسئله منجر به پيشي گرفتن رشد مساحت كاربري اراضي ساخته ‌شده نسبت به ساير كاربري ‌ها شده است و اين مسئله باعث ايجاد پديده گستردگي در شهر اروميه شده است. از طرف ديگر نتايج نشان مي دهد كه بررسي و مطالعه كاربري اراضي با استفاده از سري زماني تصاوير ماهواره ‌اي، صرفه‌جويي در زمان و هزينه است و همان ‌طور كه در مقاله اشاره ‌شده است، كاربري هاي مختلف براي سال ها 2000 و 2020 با استفاده از سامانه گوگل ارث انجين تهيه و تغييرات آن‌ ها مشخص شد.