نمونه برداری مکانی

روشهای نمونه گیری مکانی

داده‌های مکانی در علوم محیطی عمدتاً مشاهدات یا اندازه‌گیری‌هایی هستند که برای اشیاء منفرد، در امتداد یک خط یا بر روی یک منطقه انجام می‌شوند. نمونه گیری مکانی فرایند انتخاب مکان‌های نماینده (نقاط نمونه) برای انجام مشاهدات یا اندازه گیری است. روش مورد استفاده برای جمع آوری داده‌های مکانی بسیار مهم است. اگر داده‌های نمونه به روش مناسب جمع آوری نشوند، تجزیه و تحلیل آماری نتایج مغرضانه یا گمراه کننده ای ایجاد می‌کند. نمونه ای که از یک جمعیت گرفته شده است نماینده آن جمعیت است. فهرست همه عناصر موجود در جامعه به عنوان چارچوب نمونه گیری یا چارچوب نامیده می‌شود. قاب نمونه برداری برای نمونه گیری مکانی شامل تمام نقاط واقع در یک منطقه جغرافیایی مورد نظر است. روش‌های نمونه گیری مکانی زیادی وجود دارد. متداول‌ترین روش‌ها شامل نمونه‌گیری تصادفی نقطه‌ای ساده، نمونه‌گیری نقطه‌ای سیستماتیک، نمونه‌گیری نقطه‌ای طبقه‌ای، نمونه‌گیری نقطه‌ای خوشه‌ای و نمونه‌گیری ترانسکت است.

نمونه گیری ساده تصادفی شامل بدست آوردن تعداد مشخصی از نقاط نمونه در منطقه مورد مطالعه با انتخاب تصادفی مختصات x و y است. هر مکان در منطقه مورد مطالعه دارای شانس برابر برای انتخاب است. نقاط نمونه انتخاب شده ممکن است به طور ناهموار توزیع شوند (شکل 5-1 a) در نتیجه برخی از مناطق کمتر ارائه شده و برخی دیگر بیش از حد نشان داده شده اند. ناهمواری مکانی نتیجه طبیعی فرآیند تصادفی سازی است.

شکل 5-1 روشهای نمونه گیری فضایی

نمونه گیری نقطه ای طبقه بندی شده ، منطقه مورد مطالعه را به تعدادی از اقشار متقابل منحصر به فرد و جامع (مناطق فرعی همگن) تقسیم می‌کند ، سپس یک نمونه تصادفی در هر قشر می‌گیرد (شکل 5-1 b). نمونه‌های جداگانه از هر قشر با هم ترکیب شده و یک نمونه تصادفی طبقه ای را تشکیل می‌دهند. نمونه گیری نقطه ای ممکن است متناسب یا نامتناسب باشد. در نمونه گیری نقطه ای طبقه ای متناسب از بخش نمونه برداری (نسبت نقاط نمونه) در هر یک از اقشار استفاده می‌شود که درصد مساحت قشر در مقایسه با کل منطقه مورد مطالعه است. به عنوان مثال، فرض کنید 120 نقطه نمونه برای یک مطالعه زیست محیطی در منطقه ای که به دو طبقه تقسیم شده است، یک منطقه پوشش گیاهی و یک منطقه بدون پوشش گیاهی مورد نیاز است. اگر سطح پوشش گیاهی 40 درصد از منطقه مورد مطالعه و منطقه بدون پوشش گیاهی 60 درصد را تشکیل می‌دهد، باید چهل و هشت (120 × 40 درصد) نقطه نمونه در منطقه پوشش گیاهی گرفته شود و هفتاد و دو (12× 60 درصد) نقاط نمونه در منطقه بدون پوشش گیاهی. در نمونه‌برداری نقطه‌ای طبقه‌ای نامتناسب، از کسر نمونه‌گیری در هر یک از طبقات استفاده می‌شود که با اندازه مساحت آن متناسب نیست. فرض کنید در مطالعه زیست محیطی باید توجه خاصی به منطقه گیاهی شود. در این مورد، 70 درصد از 120 نقطه نمونه باید از منطقه پوشش گیاهی و 30 درصد از منطقه بدون پوشش گرفته شود ، به طوری که قشر رویشی با حفظ تعداد کافی نمونه نمونه از ناحیه بدون پوشش مشاهدات بیشتری داشته باشد. نمونه گیری نقطه ای طبقه بندی شده، پوشش کافی تمام قسمتها یا بخشهای منطقه را تضمین می‌کند.

نمونه گیری نقطه ای سیستماتیک نمونه ای را با توجه به الگوی معمولی ، معمولاً با شبکه ای منظم (شکل 1-5 c). برای این نوع نمونه برداری، فاصله ای به عنوان فاصله نمونه گیری منظم تعریف می‌شود. ابتدا نقطه شروع را به طور تصادفی انتخاب می‌کند، سپس سایر نقاط نمونه را با استفاده از فاصله نمونه گیری قرار می‌دهد. نتیجه مجموعه ای از نقاط نمونه است که به طور مساوی در منطقه مورد مطالعه قرار گرفته اند. این روش بر مشکل ناهمواری مکانی در نمونه گیری ساده تصادفی غلبه می‌کند و اغلب هنگام برخورد با پدیده‌های محیطی توزیع شده مداوم مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ساده است و طرح‌های نمونه گیری را ارائه می‌دهد که از نظر مکانی به خوبی متعادل هستند. با این حال ممکن است نتواند میزان واقعی ناهمگونی را در الگوی مکانی پدیده مورد بررسی تشخیص دهد.

نمونه‌گیری نقطه‌ای خوشه‌ای، ابتدا تعدادی سایت را به‌طور تصادفی انتخاب می‌کند، سپس یک نمونه تصادفی در منطقه مجاور اطراف هر سایت می‌گیرد.شکل 5-1 d). این روش مناسب است و ممکن است زمان و هزینه سفر را کاهش دهد. اما بخشهای قابل توجهی از منطقه مورد مطالعه را حذف می‌کند و نمی‌توان تشخیص داد که نمونه نماینده است یا خیر.

نمونه برداری از ترانسکت شامل نمونه برداری در فواصل معین معمولاً در امتداد خطوط (شکل 1-5e). این روش شامل انجام ترانسکت‌ها می‌شود، جایی که یک خط نمونه برداری در مناطق با شیب محیطی روشن مشخص می‌شود. به عنوان مثال می‌توان یک ترانسکت برای مطالعه تغییرات گونه‌های گیاهی در یک منطقه انتقال از جنگل به مرتع ، و یا بررسی تاثیر ترکیب گونه‌های آلاینده ای که از منبع خاصی پخش می‌شود ، ایجاد کرد. موقعیت خط ترانسکت بستگی به جهت گرادیان محیطی مورد مطالعه دارد. این روش دارای مزایای کارآمد، مقرون به صرفه و نماینده است.

می‌توان از روش‌های نمونه گیری مکانی مختلف به صورت ترکیبی استفاده کرد. انتخاب روش نمونه گیری به تنوع مکانی پدیده محیطی مورد بررسی بستگی دارد. به دلیل خود همبستگی مکانی، نمونه گیری ساده تصادفی و خوشه ای هنگامی که نقاط نمونه به یکدیگر نزدیک هستند ممکن است اطلاعات اضافی ایجاد کند، در این موارد نمونه گیری منظم نقطه ای و نمونه گیری نقطه ای بهتر است (راجرسون 2015 ، ص 153). همه روشهای نمونه گیری فوق را می‌توان در GIS پیاده سازی کرد. کادر 1-5 برخی از نمونه‌ها را با استفاده از ArcGIS نشان می‌دهد.

 

کادر 5-1 نمونه گیری مکانی با استفاده از ArcGIS

  کاربردی

برای دنبال کردن مثال‌ها، ArcMap  را راه‌اندازی کنید و فایل‌های shapefiles sampledarea، altband و transect را از مسیر زیر دانلود کنید.
C:\Databases\GIS4EnvSci\VirtualCatchment\Shapefiles.
sampledare  وسعت منطقه نمونه برداری شده را نشان می‌دهد، باند ارتفاعی نشان دهنده دو نوار ارتفاعی کمتر از 2500 متر و بیشتر یا مساوی 2500 متر است و ترانسکت شامل دو خط ترانسکت است. در این نمونه‌ها با استفاده از روش‌های مختلف نمونه برداری مکانی (به جز نمونه برداری نقطه ای سیستماتیک و نمونه برداری ترانسکت) در مجموع سی نقطه نمونه به دست خواهد آمد.

نمونه گیری نقطه ای تصادفی ساده

1) ArcToolBox را باز کنید. به ابزار مدیریت داده کلاس ویژگی بروید و روی Create Random Points  دوبار کلیک کنید.
2) در گفتگوی Create Random Points :
الف) محل خروجی (نام دایرکتوری) را وارد کنید و کلاس ویژگی نقطه خروجی را تصادفی نامگذاری کنید.
ب) sampledarea را به عنوان کلاس ویژگی محدود کننده انتخاب کنید.
ج) عدد 30 را به عنوان تعداد امتیاز وارد کنید.
د) روی OK کلیک کنید. 30 نقطه نمونه به طور تصادفی انتخاب شده در منطقه نمونه ایجاد شده و در نمای داده نشان داده شده است، که مشابه شکل a5-1  است.
نمونه گیری نقطه ای طبقه ای متناسب
3) روی altband در فهرست مطالب کلیک راست کرده و جدول ویژگی آن را باز کنید.
4) در جدول ویژگی، یک فیلد جدید به نام Sample اضافه کنید. نوع فیلد روی عدد صحیح کوتاه و دقت آن 2 است (به مرحله 4 در کادر 4-3 مراجعه کنید).
5) در پنجره جدول، روی عنوان ستون Sample کلیک راست کرده و Field Calculator را انتخاب کنید.
6) در محاوره Field Calculator، بر روی Sample =30([Area]/(5071327+11324689)) * اینتر کنید. در اینجا (5071327+11324689) مساحت کل منطقه نمونه برداری شده است. روی OK کلیک کنید. نتیجه نشان می‌دهد که نوار ارتفاعی ≥ 2500 متری نه نقطه و به نوار دیگر بیست و یک نقطه اختصاص دارد.
 7) ابزار Create Random Points را راه اندازی کنید.
8) در گفتگوی Create Random Points :
الف) محل خروجی (نام دایرکتوری) را وارد کنید و کلاس ویژگی نقطه خروجی را طبقه بندی کنید.
ب)  altband را به عنوان کلاس ویژگی محدود کننده انتخاب کنید.
ج) فیلد را بررسی کرده و Sample را انتخاب کنید.
د) روی OK کلیک کنید. 30 نقطه نمونه در دو نوار ارتفاعی ایجاد می‌شود که شبیه شکل 5-1b هستند.

نمونه گیری نقطه ای سیستماتیک

9) در ArcToolBox، به Data Management Tools > Feature Class بروید و روی Create Fishnet دوبار کلیک کنید.
10) در گفتگوی Create Fishnet :
الف) کلاس ویژگی خروجی را سیستماتیک نام ببرید.
ب) گزینه Same as layer sampledarea را به عنوان وسعت الگو انتخاب کنید.
ج) مختصات مبدا تور ماهی را به 6675900 برای X Coordinate و 10344800 برای Y         Coordinate  تغییر دهید.
د) مختصات محور Y را به 6676000 برای مختصات X و 10344800 برای مختصات Y تغییر دهید.
ه) 500 را هم به عنوان عرض و هم به عنوان ارتفاع یک سلول اختصاص دهید.
و) 8 را به عنوان تعداد سطرها و تعداد ستون‌ها اختصاص دهید.
ز) تیک Create Label Points را بزنید.
ح) روی OK کلیک کنید. دو لایه ایجاد می‌شود، سیستماتیک (یک کلاس ویژگی خط) و systematic_label (یک کلاس ویژگی نقطه ای). systematic_label همانگونه که در شکل 5-1 c  نشان داده شده است شامل نقاط نمونه حاصل از نمونه گیری نقطه ای سیستماتیک است. فاصله نمونه برداری 500 متر است.

نمونه گیری نقطه ای خوشه ای

11) ابزار Create Random Points را برای انتخاب پنج سایت به صورت تصادفی به عنوان مراکزی که نقاط نمونه در اطراف آنها انتخاب می‌شوند، راه اندازی کنید.
12) در گفتگوی  Create Random Points :
الف) محل خروجی (نام دایرکتوری) را وارد کنید و کلاس ویژگی نقطه خروجی را سایت‌های خوشه ای نام گذاری کنید.
ب) sampledarea را به عنوان کلاس ویژگی محدود کننده انتخاب کنید.
ج) عدد 5 را به عنوان تعداد امتیاز وارد کنید.
د) 800 متر را به عنوان حداقل فاصله مجاز وارد کنید.
ه) روی OK کلیک کنید. پنج مرکز انتخاب شده و در نمای داده نشان داده شده است.
13) از ابزار بافر برای ایجاد بافرهای 200 متری در اطراف هر مرکز به عنوان محله نمونه برداری استفاده کنید (به مراحل 1-2 در کادر  5-4 مراجعه کنید). نام لایه بافر را clusteredsites_buffer بگذارید.
14) پس از ایجاد clusteredsites_buffer، جدول ویژگی ویژگی آن را باز کنید و یک فیلد جدید به نام Sample با نوع فیلد روی Short Integer و دقت آن روی 2 اضافه کنید (مرحله 4 را در بالا ببینید). سپس از Field Calculator استفاده کنید تا با وارد کردن Sample  مساوی 6  در محاوره Field Calculator، مقدار Sample را برای همه بافرها 6 قرار دهید.
15) نمونه برداری نقطه طبقه بندی شده را با استفاده از هر بافر به عنوان یک لایه، clusteredsites_buffer  به عنوان کلاس ویژگی محدود کننده و مقدار فیلد Sample به عنوان تعداد نقاط را با تکرار مراحل 7 و 8 در بالا انجام دهید. کلاس ویژگی خروجی را به صورت خوشه ای نام ببرید. نتیجه مشابه شکل 5-1 d به نظر می‌رسد.

نمونه برداری از ترانسکت

16) ArcCatalog را باز کنید تا یک شکل فایل نقطه ای جدید ایجاد کنید.
17) در پنجره ArcCatalog ، پوشه ای که حاوی shapefile جدید است را برجسته کنید.
18) روی پوشه کلیک راست کرده و New > Shapefile را انتخاب کنید.
19) در کادر محاوره ای Create New Shapefile  :
الف) ترانسکت پوینت‌های شکل فایل را نامگذاری کنید و Point را به عنوان نوع ویژگی انتخاب کنید.
ب) روی دکمه Edit کلیک کنید. در گفتگو Spatial Reference Properties ، روی دکمه Add Coordinate System  کلیک کنید و روی Import کلیک کنید. برای وارد کردن سیستم مختصات آن برای shapefile جدید، به sampledarea بروید. روی OK کلیک کنید.
ج) دوباره روی OK کلیک کنید. transectpoints ایجاد می‌شود و به فهرست مطالب اضافه می‌شود. این لایه نقاط نمونه ایجاد شده در امتداد دو خط ترانسکت در ترانسکت را نگه می‌دارد.
20) ترانسکت را در نمای داده نشان دهید.
21) نوار ابزار ویرایشگر را باز کرده و ویرایش را شروع کنید (به مرحله 1 در کادر 3-7 مراجعه کنید).
22) بر روی ابزار Edit در نوار ابزار ویرایشگر کلیک کنید و روی خط ترانسکت بالایی کلیک کنید تا برجسته شود.
23) روی منوی ویرایشگر و سپس Construct Points کلیک کنید.
24) در محاوره Construct Points، Distance را علامت بزنید و 200 را به عنوان بازه نمونه برداری وارد کنید. روی OK کلیک کنید. یازده نقطه نمونه که با فاصله 200 متری از هم جدا شده‌اند در طول خط ایجاد می‌شوند.
25) روی ابزار Edit در نوار ابزار ویرایشگر کلیک کنید و روی خط ترانسکت پایین کلیک کنید تا برجسته شود.
26) در گفتگوی  Construct Points، Number of Points  را علامت بزنید و 10 را وارد کنید. OK را کلیک کنید. ده نقطه نمونه با فاصله مساوی در طول خط ایجاد می‌شود.
27) منوی ویرایشگر و سپس Stop Editing را کلیک کنید. وقتی از شما خواسته شد ویرایش‌ها را ذخیره کنید، روی بله کلیک کنید. بیست و یک نقطه نمونه در امتداد دو خط ترانسکت انتخاب شده و در نقاط ترانسکت لایه نشان داده می‌شود.
مختصات x، y نقاط نمونه را می‌توان با استفاده از ابزار محاسبه هندسه شناسایی کرد (به کادر 4-4 مراجعه کنید).

برگرفته از کتاب کاربرد GISدر محیط زیست

ترجمه:سعید جوی زاده،شهناز تیموری،فاطمه حسین پور فرزانه

درخواست مشاوره رایگان و شرکت در دوره

برخی از تالیفات دکتر سعید جوی زاده

دوره های پربازید و کاربردی

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.