مدل‌سازي مكاني-زماني پراكنش آلاينده‌ CO با استفاده از تصاوير MODIS و الگوريتم‌هاي ANFIS و RF

سابقه و هدف: امروزه صنعتي شدن و توسعه شهرنشيني باعث آلودگي هوا در اكثر كلان‌شهرهاي جهان شده است و سالانه ميليون ها نفر به علت آلودگي هوا جان خود را از دست مي دهند. ﺑﺎ ﺗﻮﺟﻪ ﺑﻪ ﻣﺤﺪود ﺑﻮدن ﺷﺒﻜﻪ اﻳﺴﺘﮕﺎه‌ﻫﺎى ﭘﺎﻳﺶ آﻻﻳﻨﺪه‌ﻫﺎى ﻫﻮا و ﻏﻴﺮ اﻗﺘﺼﺎدى ﺑﻮدن اﻓﺰاﻳﺶ ﺗﻌﺪاد اين اﻳﺴــﺘﮕﺎه‌ﻫا در سطح شهرها، دﺳﺖ‌ﻳﺎﺑﻰ ﺑﻪ ﭘﻮﺷــﺶ ﻣﻜﺎﻧﻰ و زﻣﺎﻧﻰ ﻣﻨﺎﺳــﺐ براي ﻧﺸﺎن دادن ﺗﻐﻴﻴﺮات ﻏﻠﻈﺖ ذرات آلاينده هوا ﺑﺴﻴﺎر دﺷﻮار اﺳﺖ. بر اين اساس پژوهش حاضر با هدف تهيه نقشه هاي دو سالانه (سال‌هاي 1397 و 1398 هجري شمسي) آلودگي هواي شهري در سطح شهر اصفهان بر اساس آلاينده CO و با استفاده از داده هاي زميني و تصاوير ماهواره اي سنجنده MODIS انجام شد.مواد و روش ها: براي اين مطالعه از دو الگوريتم ANFIS و RF استفاده شد. براي اجراي الگوريتم ANFIS، ابتدا داده هاي ايستگاه هاي زميني پايش آلودگي هوا جمع آوري شد و بر اساس آن و با توجه به داده هاي عمق نوري هواويز حاصل از تصاوير سنجنده MODIS نسبت به استخراج قوانين نخستين فازي اقدام شد و در نهايت با ادغام قوانين فازي و الگوريتم شبكه عصبي مصنوعي، الگوريتم ANFIS براي مدل سازي پراكنش آلودگي هوا در سطح شهر اصفهان اجرا شد. در اجراي الگوريتم RF نيز از داده هاي ايستگاه هاي زميني و داده هاي عمق نوري هواويز سنجنده MODIS استفاده شد. دو پارامتر مهم در اجراي الگوريتم RF تعداد درختان جنگل و تعداد متغيرهاي موجود در هر گره است كه براي بهينه سازي آن ها از روش اعتبارسنجي متقابل 10 قسمتي استفاده شد.نتايج و بحث: نتايج مدل سازي آلاينده CO نشان داد الگوريتم RF نتايج بهتري را نسبت به الگوريتم ANFIS ارائه داده است، به طوري كه مقدار خطاي RMSE الگوريتم RF، 0/724 و مقدار خطاي RMSE الگوريتم ANFIS، 0/809 پي پي ام است، همچنين مقدار خطاي MAE الگوريتم RF، 0/636 و مقدار خطاي MAE الگوريتم ANFIS، 0/792 پي پي ام است. بنابراين مي توان گفت الگوريتم RF از كارايي و دقت بيشتري در مدل سازي آلاينده CO برخوردار است. نتايج پراكنش مكاني آلاينده CO با استفاده از الگوريتم ANFIS نشان داد ميزان اين آلاينده در سطح شهر اصفهان به صورت محلي تغيير مي كند، به طوري كه مناطق مركزي و شمالي شهر اصفهان داراي بيشترين آلايندگي و مناطق شرقي و غربي اصفهان داراي كمترين آلايندگي هستند. بررسي مقادير عددي به دست آمده از الگوريتم ANFIS نيز نشان داد كمترين ميزان آلايندگي CO در سطح شهر اصفهان برابر با 43/1 پي پي ام و بيشترين مقدار آن برابر با 13/2 پي پي ام است. نتايج به دست آمده از الگوريتم RF نشان داد با حركت از جنوب شرقي به سمت شمال غربي شهر اصفهان  بر ميزان آلاينده CO افزوده شده و مناطق شمال غربي شهر اصفهان از بيش ترين آلايندگي CO برخوردار هستند، بررسي مقادير عددي به دست آمده از ميزان آلايندگي CO بر اساس الگوريتم RF نشان داد كمترين ميزان آلاينده CO برابر با 0/57 پي پي ام و بيشترين مقدار آن برابر با 2/27 پي پي ام است.نتيجه گيري: در انتها مي توان نتيجه گرفت الگوريتم هاي ANFIS و RF با داشتن ويژگي هايي همچون امكان مدل سازي غير خطي، توانايي كاهش اثرات منفي داده هاي پرت و حساسيت كمتر به مساله كمينه محلي، روش هايي مناسب و دقيق در مدل سازي مسائل محيطي هستند. شايان ذكر است كه بخش گسترده‌اي از خطاي مشاهده شده در نتايج روش هاي ANFIS و RF، مرتبط با ويژگي هاي ذاتي تصاوير سنجنده موديس (همچون پوشش ابر و مختلط بودن بيش از حد پيكسل ها با توجه به ابعاد يك كيلومتري آنها) و نقطه اي بودن اندازه گيري هاي ايستگاه هاي زميني و همچنين امكان خطا در داده هاي ثبت شده در ايستگاه هاي زميني است.