پهنه‌بندي حساسيت فرسايش خندقي با استفاده از مدل‌هاي CART, ANN و RF

مقدمه فرسايش خندقي يكي از انواع فرسايش آبي است كه سهم زيادي در تخريب اراضي دارد و به‌ عنوان يكي از مهمترين مخاطرات محيطي در جهان و به خصوص در ايران شناخته شده است. در سال هاي اخير، فن‌هاي يادگيري ماشيني و سامانه اطلاعات جغرافيايي در زمينه تعيين مناطق حساس به فرسايش خندقي داراي كارايي بالايي بوده اند و باعث افزايش دقت و سرعت در زمينه ارزيابي، پتانسيل فرسايش خندقي شده‌ اند كه اين فن‌ها در تعيين عوامل موثر بر فرسايش خندقي نيز موثر بوده‌ اند. اراضي لسي استان گلستان به دليل عمق كافي و دانه‌ بندي تقريبا يكنواخت سيلتي، استفاده مفرط، كشت در اراضي شيب دار و مديريت غلط اراضي، فرسايش‌ پذيري آبي بيشتري دارند، به طوري كه همه انواع فرسايش را در اين مناطق مي توان مشاهده كرد. متداول‌ ترين نوع فرسايش در اين مناطق، فرسايش خندقي است. حوزه آبخيز مورد مطالعه در استان گلستان، با افزايش زمين هاي ديم و رها شده، تغيير كاربري اراضي، حضور دام مازاد در جنگل‌ ها و همچنين، افزايش جمعيت روبه رو است. لذا، اين حوضه با افزايش حساسيت فرسايش خندقي مواجه است و بايد مناطق داراي پتانسيل فرسايش خندقي شناسايي و مديريت شوند. مواد و روش‌هاحوزه آبخيز مورد مطالعه با مساحت 222 هزار هكتار و دامنه ارتفاعي 58 تا 2168 متر، در شمال شرقي استان گلستان قرار دارد. ميانگين بارندگي حوضه بين 224 تا 736 ميلي متر است. در اين پژوهش، ابتدا موقعيت خندق ها از اداره كل منابع طبيعي و آبخيزداري استان گلستان دريافت شد. سپس، از مجموع 1127 موقعيت خندق، به‌ صورت تصادفي 70 درصد به عنوان داده‌ هاي آموزش و 30 درصد به عنوان داده هاي اعتبارسنجي طبقه‌ بندي شدند. به‌منظور تعيين متغيرهاي موثر در حساسيت فرسايش خندقي، 14 عامل شناسايي شد و در مرحله بعد تست هم خطي بين متغيرها با استفاده از نرم‌ افزار SPSS انجام شد. با استفاده از شاخص هاي ضريب تحمل و عامل تورم واريانس در صورت وجود هم خطي بين متغيرها از روند مدلسازي حذف شدند. با توجه به اهميت نقشه مدل رقومي ارتفاع و كاربرد آن در تهيه عوامل مختلف پژوهش حاضر، مدل رقومي ارتفاع (با اندازه سلول 12.5 متر) با استفاده از تصاوير ماهواره ALOS تهيه شد. لايه هاي شيب و جهت شيب با استفاده از مدل رقومي ارتفاع و به‌ ترتيب از توابع Slope و Aspect تهيه شده‌ اند. شاخص طول شيب در نرم‌ افزار SAGA GIS، لايه هاي فاصله از آبراهه بر اساس نقشه آبراهه ها (استخراج از نرم‌ افزار SAGA GIS) و فاصله از جاده بر اساس جاده‌ هاي موجود و با استفاده از تابع فاصله اقليدسي در نرم‌ افزار ArcGIS تهيه شدند. لايه‌ هاي تراكم آبراهه و تراكم جاده، بر اساس نقشه آبراهه‌ ها و جاده هاي موجود در منطقه و با استفاده از تابع Line Density در نرم‌ افزار ArcGIS به دست آمدند. لايه سنگ شناسي از نقشه زمين‌شناسي منطقه (مقياس 1:100000) استخراج شده است و لايه كاربري اراضي از اداره كل منابع طبيعي و آبخيزداري استان گلستان دريافت شد. نقشه بارندگي با استفاده از اطلاعات 35 ايستگاه باران سنجي تهيه شده است. ابتدا، ميانگين بارندگي 26 ساله (دوره آماري مشترك) براي هر ايستگاه محاسبه شد و سپس، با استفاده از روش كريجينگ جهاني (به‌ دليل كمترين ميزان RMSE) در نرم‌ افزار ArcGIS پهنه بندي بارندگي انجام گرفت. لايه شاخص موقعيت توپوگرافيك، با استفاده از مدل رقومي ارتفاع و با كمك نرم‌افزار SAGA GIS تهيه شد. به‌منظور ارزيابي مدل‌ ها، از منحني تشخيص عملكرد نسبي (ROC) جهت قدرت پيش بيني مدل ها استفاده شد. نتايج و بحثنتايج نشان داد كه بين متغيرها هم خطي وجود ندارد و لذا، كليه متغيرها در روند مدلسازي مورد استفاده قرار گرفتند. رابطه بين فرسايش خندقي و ارتفاع نشان داد كه ارتفاعات پايين تر حساسيت بيشتري نسبت به ارتفاعات بالاتر دارند و نزديك به آبراهه ها حساسيت فرسايش خندقي بيشتر است. نتايج نشان داد كه با افزايش تراكم زهكشي، حساسيت فرسايش خندقي افزايش پيدا مي كند. همچنين، پادگانه هاي قديمي، شيل و لس ها بيشترين تاثير را بر حساسيت فرسايش خندقي دارند. نتايج نشان دهنده كاهش حساسيت فرسايش خندقي با كاهش شاخص HAND است. در واقع اين نتيجه بيانگر اين است كه در مناطقي كه ميزان سطوح اشباع در سطح حوزه آبخيز افزايش مي يابد، احتمال وقوع و حساسيت فرسايش خندقي افزايش پيدا مي كند. نتايج نشان داد كه در ميان انواع كاربري ها، مسيل ها، مراتع فقير و كاربري كشاورزي، داراي بيشترين حساسيت فرسايش خندقي هستند. اين در حالي است كه مناطق جنگلي داراي كمترين ميزان حساسيت به اين فرسايش بوده اند. نتايج نشان داد كه در دامنه بارندگي 220 تا 420 ميلي متر، احتمال رخداد فرسايش خندقي افزايش پيدا كرده است و از دامنه 420 تا 500 ميلي متر، بالاترين ميزان حساسيت را نشان داده است و با افزايش بارندگي از 500 ميلي متر، حساسيت فرسايش خندقي كاهش يافته است. از دلايل كاهش حساسيت فرسايش خندقي در بارندگي هاي بالاتر مي توان به افزايش پوشش گياهي و ايجاد شرايط مناسب براي زمين لغزش ها اشاره كرد. نتايج نشان داد كه عمق دره تا 235 متر، باعث افزايش احتمال فرسايش خندقي شده است و از 235 متر به بالا، باعث كاهش احتمال رخداد فرسايش شده است. نتايج نشان داد كه نزديك به جاده ها ميزان حساسيت فرسايش خندقي افزايش پيدا مي كند و اين مورد اثرات جاده سازي و تشديد شرايط براي فرسايش خندقي را نشان مي دهد. نتيجه‌گيرياين پژوهش با هدف تعيين عوامل موثر بر فرسايش خندقي و پهنه بندي توزيع مكاني آن در شمال شرق استان گلستان انجام شد. در اين پژوهش، با در نظر گرفتن 14 عامل مهم و با استفاده از مدل هاي جنگل تصادفي، شبكه عصبي مصنوعي و درخت رگرسيون و طبقه بندي، نقشه حساسيت وقوع فرسايش خندقي تهيه شد. با توجه به اين كه شناسايي مناطق داراي حساسيت فرسايش خندقي مبتني بر روش هاي سنتي و نظرات كارشناسي از دقت قابل قبولي برخوردار نيست، استفاده از روش هاي نوين يادگيري ماشيني امري ضروري است. نتايج نشان داد كه عوامل فاصله از جاده و كاربري اراضي از مهمترين عوامل تاثيرگذار بر حساسيت فرسايش خندقي هستند كه مديريت كاربري اراضي را از سوي انسان مي‌طلبد. منحني ROC، نشان داد كه دقت مدل ها در برآورد مناطق داراي حساسيت فرسايش خندقي در مرحله آزمون عالي (ANN)، و در مرحله آزمون و اعتبارسنجي خيلي خوب (RF  و CART) بوده است كه به معناي عملكرد عالي مدل ها است.