مقايسه برآورد رطوبت سطح خاك در اراضي كشاورزي آق‌قلا با استفاده از تصاوير SAR (پالسار2 آلوس و سنتينل1)

پيشينه و هدف دشت آق‌قلا كه يكي از دشت‌هاي حاصل خيز استان گلستان است. تجمع رواناب و شكل‌گيري سيلاب خسارات جاني و مالي فراوان را به همراه دارد. شناخت پراكنش‌هاي زماني و مكاني رطوبت سطح خاك يك متغير كليدي در شبيه‌سازي رواناب و كاهش مخاطرات ناشي از سيل در محدوده تحقيق است. در اين تحقيق ميزان رطوبت سطح خاك با استفاده از داده‌هاي ماهواره‌هاي راداري آلوس2 از پالسار در باند L و سنتينل1 در باند C مورد بررسي قرار گرفت.مواد و روش ها در اين تحقيق، از سه سري داده راداري آلوس2 از سنجنده پالسار، سنتينل1 و داده اپتيكي سنتيل1 استفاده شد. براي محاسبه رطوبت سطح خاك ابتدا به روش وزني در محل هر خوشه نمونه‌هاي خاك در عمق 5 سانتي‌متري برداشت و توزين گرديد پس از خشك نمودن نمونه‌ها در آون وزن خشك و مرطوب محاسبه گرديد. در ادامه دو پارامتر مهم رطوبت خاك شامل ثابت دي‌الكتريك و زبري سطح خاك اندازه‌گيري شد. ثابت دي‌الكتريك با استفاده از TDR و زبري با استفاده از دو دوربين ديجيتال محاسبه گرديد. با استفاده از نرم‌افزار Agisoft photo scan و ArcGIS مدل رقومي ارتفاعي و پروفيل ناهمواري‌هاي سطح استخراج گرديد. داده‌هاي راداري با نرم‌افزار SNAP مربوط به آژانس فضايي اروپا ESA پردازش گرديد. مراحل پردازش شامل كاليبراسيون راديومتريكي، استخراج سيگما نات در واحد دسي‌بل، فيلترگذاري با فيلتر لي و كرنل سايز 5×5 و تصحيح هندسي و نهايتاً ژئوكدينگ هر سه داده انجام شد. با داده اپتيكي سنتينل2 ضمن تهيه شاخص‌هاي گياهي و نمناكي نقشه كاربري اراضي با الگوريتم راندوم فارست تهيه گرديد. در ادامه با در دست داشتن مقادير زبري، ثابت دي‌الكتريك و شاخص‌هاي گياهي و نمناكي در محيط نرم‌افزار متلب 2019 دو مدل Oh و WCM كدنويسي و مقادير رطوبت سطح خاك محاسبه و خروجي گرفته شد. سپس رطوبت حاصل از مدل باز پراكنش سطحي با رطوبت وزني در محل و مطالعات پيشين مورد ارزيابي قرار گرفت.نتايج و بحث در بخش حساسيت سيگنال رادار به رطوبت سطح خاك در مدل Oh در پلاريزاسيون HH و HV تصاوير پالسار2، در  با 0.86=R2،  با 0.905=R2 و براي تصاوير سنتينل1، در  با 0.91=R2 و  با 0.93=R2 به رطوبت سطح خاك حساس است. همچنين حساسيت باز پراكنش سطحي مدل Oh در پالسار2 در پلاريزه HH با 0.96=R2 و در پلاريزه HV با 0.94=R2 و براي داده سنتينل1 در پلاريزه VV با 0.72=R2 و در پلاريزه VH با 0.74=R2 به زبري سطح حساس است. رابطۀ بين كل ضرايب باز پراكنش سطحي حاصل از مدل ابر آب و رطوبت اندازه گيري شده در پلاريزاسيون HH و HV تصاوير پالسار2، در  و  به ترتيب با 0.73=R2 و 0.399=R2 و براي دادۀ سنتينل1 در پلاريزاسيون VV و VH، در  و  به ترتيب با 0.073=R2 و 0.13=R2  به رطوبت سطح خاك حساس است. در بخش برآورد رطوبت خاك مبتني بر مدل Oh براي دادۀ پالسار2 و سنتينل1 در اراضي لخت در پلاريزاسيون HH و HV براي تصاوير پالسار2،  و  به ترتيب با  1.924=RMSE، 0.88=R2 و  1.45=RMSE، 0.93=R2 و براي داده سنتينل1،  و  به ترتيب با  2.57=RMSE، 0.81=R2 و  0.90=RMSE، 0.97=R2 است. نتايج مدل Oh نشان داد كه در پلاريزاسيون HV تصاوير پالسار2 و پلاريزه VH سنتينل1 نتايج رطوبت خاك قوي تر است. نتايج رطوبت خاك در مدل WCM در اراضي داراي پوشش گياهي براي تصاوير پالسار2 در پلاريزاسيون HH و HV در  و  به ترتيب با  2.44=RMSE، 0.81=R2 و  2.64=RMSE، 0.78=R2 و براي Sentinel1 در  و  به ترتيب با  2.74=RMSE، 0.75=R2 و  2.69=RMSE، 0.76=R2 است. در بحث برآورد رطوبت خاك با مدل WCM نتايج پالسار2 در پلاريزه HH با  0.81=R2 در اراضي با تراكم پوشش گياهي بيشتر از 0.4 درصد داراي نتيجه بهتري است.نتيجه گيري در مدل Oh نتايج تحقيق نشان داد كه حساسيت پلاريزه HV در تصاوير پالسار2 و پلاريزه VH در سنتينل1 در مناطقي كه داراي پوشش گياهي با تراكم كمتر از 0.4 است بسيار بيشتر از حساسيت پلاريزه HH آلوس2 و پلاريزه VV سنتينل1 است. همچنين حساسيت پلاريزه HH تصاوير پالسار2 و پلاريزه VH سنتينل1 به زبري سطح بيشتر از ساير پلاريزاسيون ها است. در مدل ابر آب نتايج حاصل از داده سنتينل1 در حذف تأثيرات پوشش گياهي و شبيه سازي ضرايب باز پراكنش سطحي بسيار ضعيف است، دليل اين امر در نظر نگرفتن پارامتر زبري توسط مدل ابر آب و همچنين بالا بودن سطح رطوبت در محدوده مطالعاتي بوده كه باعث كاهش نفوذ موج گرديده است. نتايج تحقيق نشان داد كه حساسيت پلاريزه HH در مناطقي كه داراي پوشش گياهي با تراكم بيش از 0.4 است بسيار بيشتر از حساسيت پلاريزه HV بوده، همچنين حساسيت سيگنال راداري به نويز در پلاريزه HH كم ولي در پلاريزه HV زياد بود. اين موضوع نشان داد كه قطبش همسان HH نسبت به پوشش گياهي حساس است، بنابراين مدل در حضور پوشش گياهي از ثبات بيشتري برخوردار خواهد بود. مقايسه دو داده SAR در محدوده نشان داد، تصاوير آلوس2 به دليل طول‌موج بلند و عمق نفوذ بيشتر در خاك و پوشش گياهي، براي برآورد رطوبت سطح خاك در محدوده تحقيق و مناطق مشابه كارايي بيشتري دارد. همسو با موضوع پژوهش تحقيقات ديگري صورت گرفته ازجمله آليشان و همكاران در پژوهشي اقدام به برآورد رطوبت سطح خاك در اراضي باير با استفاده از داده هاي آلوس2 و سنتينل1 كرده اند كه به اين نتيجه رسيدند كه مدل WCM در حذف محتوي آب گياهي و برآورد رطوبت سطح با استفاده از معكوس مدل در هر دو داده آلوس2 و سنتينل1 بالا بوده است. در تحقيقي كه توسط زريبي و همكاران صورت گرفته بود نشان دادند كه مدل Oh در دو پلاريزه HV و HH با RMSE كمتري قادر به برآورد رطوبت سطح خاك است. اين تحقيق براي مديريت محيط‌زيست، كشاورزي، منابع طبيعي و مديريت منابع آب مناسب بوده و كمك شاياني به مدل سازي هاي هيدرولوژيكي مي نمايد.