1. مقدمه
تغییرات اجتماعی، اقتصادی و زیست محیطی قابل توجه و همچنین پیشرفت های سریع در فناوری قرن بیست و یکم را نشان می دهد. نقطه عطف بارز قرن حاضر تغییر اقلیم و اثرات آن است، پدیده ای جهانی که به طور مستقیم و غیرمستقیم بر زندگی انسان و محیط زیست تأثیر می گذارد. مهمترین اثرات این پدیده تغییرات آب و هوایی در بسیاری از مناطق، افزایش میانگین دمای جهانی، افزایش سطح آب دریاها به صورت محلی، ذوب شدن یخ ها و غیره و اثرات این تغییرات مانند افزایش پیوسته وقوع خطرات و بلایای طبیعی است. شکل 1 )، تغییرات در تنوع زیستی مناطق، تغییر در فرآیندهای طبیعی و غیره.
یکی از عوامل مهم مدیریت صحیح و پاسخگویی به این واقعیت، ابزارهای مدرن و بسیار مؤثری است که در سال های اخیر از طریق انفجار فناوری و علمی که در کنار تغییرات اقلیمی رخ داده است، ایجاد، توسعه، آزمایش و اجرا شده است.
تحقیقات، مدیریت و واکنش به بلایای طبیعی و فرآیندها در دهه گذشته مرکز توجه و مشارکت جامعه علمی و تصمیم گیرندگان بوده است. چالش زیست محیطی، اجتماعی و اقتصادی فعلی ( شکل 2) از جمله با توجه به تغییرات اقلیمی، پیش بینی بلایای طبیعی و حفاظت از مناطق آسیب پذیر در برابر مخاطرات طبیعی قریب الوقوع و فرآیندهای طبیعی روزافزون با اثرات منفی است. نمونه بارز این دستورالعمل اتحادیه اروپا 2007/60 است که هدف آن به روز رسانی و ارتقای روش های پیشگیری، مدیریت و بازسازی سیل در کشورهای عضو است. به طور کلی، این دستورالعمل به دنبال تعیین اهداف زیستمحیطی برای سیاستهای مدیریت آب کشورهای عضو، با تأکید بر آبهای زیرزمینی است که توسط عوامل طبیعی، همراه با بهرهبرداری بیش از حد انسان، با بدتر شدن ویژگیهای کمی و کیفی آنها تهدید میشود. ابتکارات مربوطه در سراسر جهان با نتایج بسیار قابل توجهی انجام شده است.
الزامات مدرن در تحقیق، طراحی و مدیریت خطرات ژئومحیطی فوق بسیار زیاد است. یکی از عوامل اصلی این تلاش ها، پیشرفت چشمگیر علم و توسعه سریع فناوری در دهه های گذشته است که به نظر می رسد در سال های آینده به رشد خود ادامه دهد. در حوزه علوم زمین و به طور خاص در فرآیندهای طبیعی، خطرات و بلایا، پیشروهای علمی و فناوری سیستم های اطلاعات جغرافیایی (GIS) و سنجش از دور هستند. انفجار تکاملی سالهای اخیر در این دو زمینه، راهها، راهها و روشهای جدیدی را برای رویکرد و تحقیق در مورد مسائل زیستمحیطی مرتبط با زندگی انسانهای امروزی گشوده است.
در سطح جهانی، رونق عظیمی در برنامه های ماهواره ای برای نظارت بر زمین و پدیده های طبیعی (و نه تنها) رخ داده است. بسیاری از کشورها، چه به صورت مستقل و چه به صورت مشارکتی، در حال توسعه سیستم های ماهواره ای هستند که برای کاربردهای خاص طراحی شده اند.
بیانگرهای اصلی این تلاشها ماهوارههای نوری غیرفعال (مانند لندست) و ماهوارههای رادار فعال (مانند Sentinel-1) هستند که برای کاربردهای زیستمحیطی مانند گرفتن پوشش گیاهی، ثبت مناطق سیلزده، نظارت بر زلزلهها (مثلاً با استفاده از تکنیک تداخل سنجی در تصاویر ماهواره ای) و غیره. با گذشت زمان و در ارتباط با تکامل تکنولوژی، داده های ماهواره ای به طور مداوم در هر دو فرکانس و وضوح فضایی بهبود می یابند.
در عین حال، ابزارهای پردازش و تجزیه و تحلیل اطلاعات مکانی دائماً در حال بهبود هستند و روشها و تکنیکهای جدیدی را اتخاذ میکنند و در عین حال کاربرپسندتر میشوند. در سالهای اخیر، نرمافزار آزاد منبع باز (مثلاً QGIS) با بستههای تجاری (مثلاً ArcGIS) رقابت کرده است و به محقق این امکان را میدهد تا ابزارهای خود را، با توجه به نیازهای خود، در محیط خود ایجاد کند.
در نتیجه، GIS به همراه پایگاههای اطلاعاتی ماهوارهای باز و سایر پایگاههای اطلاعاتی فضایی رایگان، نیازهای تحقیقاتی مدرن را پوشش میدهد و هزینه آن و همچنین زمان تجزیه و تحلیل و استخراج نتایج را به میزان قابل توجهی نسبت به روشهای سنتی کاهش میدهد. علاوه بر این، آنها بر موانعی غلبه می کنند که در تحقیقات میدانی سنتی غیرقابل دسترس بود، مانند دسترسی به مناطق غیرقابل دسترس، شرایط آب و هوایی و غیره.
این قابل درک است که چالش های ژئومحیطی قرن بیست و یکم را می توان با ابزارهای مدرن ارائه شده توسط پیشرفت های فنی و علمی کاوش و بررسی کرد. در بخشهای بعدی موضوعات موضوعی مختلفی در رابطه با پایش محیطزیست و بهویژه خشکسالی، سیل، فرسایش خاک، آبهای زیرزمینی، یخبندان و افزایش سطح دریا وجود خواهد داشت. تکنیک ها و ابزارها (GIS و Earth Observation—EO) برای مشاهده و تحقیق محیط زیست و همچنین راه هایی برای مقابله با هر پدیده منفرد ارائه خواهد شد.
ویژگی روش بررسی این مقاله
این کار مروری با هدف اشاره به برخی از مخربترین مخاطرات از دیدگاه پایش محیطی، که حوزه وسیعی را در استفاده از فناوریهای مکانی از این نظر پوشش میدهد، اشاره میکند. این کار خطرات خاصی را از نظر پایش محیطی ارائه می دهد. بلایای منتخب به شرح زیر است: i. خشکسالی، ii. فرسایش خاک، iii. تخریب آب های زیرزمینی، IV. سیل، و در مقابل افزایش سطح دریا. انتخاب مقالات ارائه شده در این اثر بر اساس برخی معیارهای عینی و همچنین بر اساس برخی معیارهای ذهنی صورت گرفته است. لازم به ذکر است که تمامی نشریات ارجاع شده و شرح داده شده، عمدتاً بر اساس استنادهای آنها انتخاب شده اند تا به نقل از آنهایی که بیشترین تأثیر را در رشته های مورد بحث در این اثر مروری داشته اند (معیارهای عینی) نقل شود. برای این منظور از نمایه استنادی اسکوپوس استفاده شد. علاوه بر این،
علاوه بر این، سهم فناوریهای زمینفضایی مانند GIS، زیرساختهای دادههای مکانی و EO در بلایای طبیعی نیز بهعنوان کلیدهای اصلی تحقیقاتی در زمینه پایش محیطزیست ارائه میشود. بنابراین، بخش بعدی ( بخش 2 ) به ترتیب مروری بر کتاب شناسی مربوط به خشکسالی، فرسایش خاک، تخریب آب های زیرزمینی، سیل و افزایش سطح دریا ارائه می کند. همه نسخههای خطی مورد استناد برای هر یک مورد بررسی خوبی از جامعه علمی قرار گرفتند. جدول 1 فهرستی از مطالعات مورد استناد در این کار را ارائه می کند.
2. نظارت بر محیط زیست
2.1. پایش خشکسالی
طبیعت با پایداری و دوام خود می تواند تغییرات شدیدی را در متغیرها و عوامل سیستم های انسانی ایجاد کند. تغییرات شدید یا رویدادهای شدید، مانند زلزله، سیل و خشکسالی، که اغلب به آنها مخاطرات طبیعی گفته می شود، می توانند موانع و مشکلات غیرقابل حلی را در نحوه برخورد جوامع بشری با آنها ایجاد کنند [ 1 ، 2 ، 3 ، 4 ، 5 ]. در این زمینه، استدلال می شود که خشکسالی یکی از بسیاری از مخاطرات طبیعی است که می تواند استفاده خانگی و آبیاری را تحت تاثیر قرار دهد – به عبارت دیگر، تامین آب یک منطقه [ 6 ، 7 ].]. روند کنونی در میان محافل وسیع فنی و حرفه ای، مدیران، سیاستمداران و تصمیم گیرندگان و به طور کلی در میان شهروندان عادی این است که خشکسالی را امری گذرا، یک خطر تصادفی و دور در نظر می گیرند که فقط به یک بسیج فوق العاده نیاز دارد [ 8 ، 9 ]. با این حال، تجربه انباشته تحقیقات علمی و مشاهدات در دهه های اخیر نشان می دهد که خشکسالی اجتناب ناپذیر است، زیرا به نظر می رسد این پدیده ها عناصر اجتناب ناپذیر و دائمی آب و هوای جهانی هستند [ 8 ، 10 ، 11 ، 12 ، 13 ، 14 .]. مسائل خشکسالی می تواند به یک بحران آب تبدیل شود و نقش مهمی در سال های آینده در تعریف سیاست های توسعه و زیست محیطی در سطح جهانی ایفا کند [ 15 ، 16 ، 17 ]. تا آنجا که به اروپا مربوط می شود، خشکسالی در یونان در سال های 1989-1993، در اسپانیا در سال 2003، در فرانسه در سال 2005، و دوباره در یونان در سال های 2007-2008، این روند و همچنین نیاز فوری به اجرای استراتژی های مشترک را تایید می کند. مشکل در سراسر اروپا و نه فقط در کشورهای مدیترانه [ 1 ، 11 ، 18 ، 19 ، 20 ، 21 ، 22 ، 23 ، 24 ]. شکل بعدی ( شکل 3 ) چنین زمینه ای را نشان می دهد [ 21 ].
خشکسالی و پیامدهای آن را باید از مراحل اولیه برنامه ریزی و مدیریت منابع آب شناخت و در نظر گرفت [ 25 , 26 , 27 , 28 , 29 ]. بر این اساس، اقدامات و تلاش ها برای مقابله با خشکسالی باید با مطالعه ابعاد این پدیده آغاز شود [ 1 ، 30 ، 31 ، 32 ]. تعاریف عملکردی امکان تعیین شروع و پایان و همچنین درجه شدت خشکسالی را فراهم می کند [ 1 ], 11 , 33 , 34 ]. این تعاریف بر اساس چهار رویکرد مختلف هواشناسی، هیدرولوژیکی، کشاورزی و خشکسالی اجتماعی-اقتصادی دستهبندی میشوند. سیستمهای اطلاعات جغرافیایی و خبره (ES) میتوانند به موقع برای شناسایی و شناسایی رویدادهای خشکسالی در مناطق وسیع از طریق دادههای ماهوارهای، مجموعه دادههای شبکهبندی شده و مقادیر اندازهگیری شده از ایستگاههای هواشناسی پاسخ دهند. با این حال، محاسبه خطر خشکسالی و ارزیابی آسیب پذیری نیاز به داده های مکانی در مرحله زمانی خاص (ماهانه یا سالانه) دارد. بنابراین، استفاده از راهحلهای اطلاعات جغرافیایی، مشاهده مشاهدات خطرات خشکسالی را بهبود میبخشد. [ 5 ، 10 ، 11, 12 , 14 , 20 , 35 , 36 , 37 ].
خشکسالی به جای خشکی یک حالت موقتی (ماهها / سالها) است که یک ویژگی دائمی آب و هوا است [ 38 ، 39 ]. علاوه بر این، خشکسالی فصلی، یعنی یک فصل خشک کاملاً تعریف شده، باید از خشکسالی که با ویژگی های مختلف رخ می دهد، متمایز شود [ 5 ، 6 ]. سردرگمی قابل توجهی بین دانشمندان و سیاستگذاران در مورد تنوع بخشیدن به این اصطلاحات وجود دارد. یک مثال معمولی قلمرو یونان است، به ویژه در مناطق جزیره ای، که در آن فصل بارندگی در اکتبر آغاز می شود و در آوریل پایان می یابد [ 19 ، 21 ، 22 ].]. بنابراین، بخش بزرگی از جزایر بایر به نظر می رسد و خشکسالی یک ویژگی آب و هوایی اجتناب ناپذیر است. با این حال، خشکسالی فصلی در این جزایر به دلیل عدم تامین نیازهای آبی در یک افق زمانی مشخص، تقریباً قطعی است که در طول زمان اتفاق میافتد. خشکسالی معمولاً زمانی اتفاق میافتد که بارندگی در یک منطقه کمتر از حد متوسط باشد و به دنبال آن نرخ تبخیر زیاد برای دورههای طولانیمدت وجود داشته باشد [ 20 , 37 , 40 , 41 , 42]. خشکسالی به دلیل فراغت و طولانی بودن آن با سایر بلایای طبیعی متفاوت است. در اغلب موارد خشکسالی یا به دلیل کاهش بارندگی و یا کمبود ذخایر منابع آبی ایجاد می شود. مفهوم کمبود مربوط است و با تقاضای آب خاص بر اساس بخش یا فعالیت های خاص تعیین می شود. با این وجود، تجزیه و تحلیل خشکسالی و ارزیابی خشکسالی باید شامل تمام داده های موجود از منطقه مورد مطالعه باشد. این نتایج که شاخصهای خشکسالی (شاخصها یا شاخصها) را تشکیل میدهند در یک محیط GIS برای به تصویر کشیدن توزیع فضایی تجسم شدند. تلاشهایی وجود دارد و از تکنیکهای زمینآماری برای تبدیل مقادیر نقطهای ایستگاههای هواشناسی به توزیع فضایی در یک بازه زمانی خاص استفاده میکنند. 1 ، 4 ، 7 ، 10 ، 14 ، 43 ].
برای پرداختن به پدیدههای خشکسالی، تدوین استراتژی و طرح جامع این پدیدهها به عنوان ابزاری مؤثر برای بهبود توانایی ارزیابی و پاسخگویی به مکانیسمهای عملی دولت توصیه میشود. اتفاق نظر بین سازمان های دولتی و گروه های منافع خصوصی و عمومی نیز بخش مهمی از این روند است. شاخص ها و شاخص های ترکیبی می توانند به شناسایی سریع خشکسالی و دستیابی به این هدف کمک کنند. علاوه بر این، در ترکیب با مدلهای پیشبینی، پیشبینی کوتاهمدت پدیده و اثرات آن را میتوان با موفقیت برای تصمیمگیران انجام داد تا بتوانند با کاهش یا به حداقل رساندن اثرات و زمان واکنش به آنها، آمادگی بهتری داشته باشند. یک کمک کننده مهم در این مسیر، ارتقاء و یکپارچه سازی برنامه ریزی اضطراری است.
2.2. پایش فرسایش خاک
فرسایش خاک یک پدیده پیچیده و پویا است که بسیاری از مناطق در سراسر جهان را تحت تأثیر قرار می دهد. این یکی از جدی ترین مشکلات تخریب زمین و منبع اصلی زوال زیست محیطی است، زیرا بزرگترین مشکل زیست محیطی جهان پس از افزایش جمعیت است. به طور مشخص، گزارش شده است که ایالات متحده 10 برابر سریعتر از نرخ تجدید طبیعی خاک از دست می دهد، در حالی که تلفات مربوط به چین و هند 30 تا 40 برابر سریعتر است [ 44 ].
در سراسر جهان، مساحت کل زمین تحت تأثیر فرسایش آبی 10940000 کیلومتر مربع است که 7510000 کیلومتر مربع آن به طور قابل توجهی تخریب شده است [ 45 ]. حمل سالانه رسوب به اقیانوس از رودخانه های سراسر جهان 15 تا 30 میلیارد تن برآورد شده است [ 46 ، 47 ]. علاوه بر این، فرسایش خاک بر ویژگیهای ژئومورفولوژیکی یک منطقه از نظر حاصلخیزی خاک، بهرهوری کشاورزی، کیفیت آب، ظرفیت مخزن آب و تکامل مناطق ساحلی در محیطهای رسوبی تأثیر میگذارد [ 48 ، 49 ، 50 ].
تکامل فعلی پدیده فرسایش مستقیماً با گرمایش جهانی مرتبط است که منجر به چرخه هیدرولوژیکی شدیدتر در چندین منطقه می شود، از جمله بارندگی های کل بیشتر و رویدادهای مکرر بارندگی با شدت بالا (ترکیبی یا غیر ترکیبی). این تغییرات در بارندگی و همچنین تغییرات دما، تابش خورشیدی و CO 2 اتمسفرغلظت، اثرات قابل توجهی بر نرخ فرسایش خاک دارد. به طور کلی، فرآیندهای مرتبط با اثرات تغییر اقلیم بر فرسایش خاک توسط آب پیچیده است و شامل تغییرات در حجم و شدت بارندگی، تعداد روزهای بارندگی، نسبت بین باران و برف، تولید زیست توده از گیاهان، میزان تجزیه میشود. بقایای سبزیجات، نرخ تبخیر و تعرق و تغییرات کاربری زمین که برای انطباق با یک رژیم آب و هوایی جدید ضروری است [ 51 ].
علاوه بر این، تخریب زمین های کشاورزی توسط فرسایش خاک نیز یک پدیده جهانی است که منجر به از بین رفتن خاک سطحی غنی از مواد مغذی، افزایش رواناب در لایه نفوذناپذیرتر زمین و کاهش دسترسی به آب برای گیاهان می شود [ 52 ]. حدود 85 درصد از تخریب خاک در سراسر جهان با فرسایش خاک مرتبط است و باعث کاهش تا 17 درصد در بهره وری محصول می شود [ 53 ].
پایش، مدلسازی و تحلیل مؤثر پدیده فرسایش خاک میتواند اطلاعاتی را در مورد وضعیت فعلی فرسایش، روندها فراهم کند و امکان تجزیه و تحلیل سناریوهای مختلف را فراهم کند [ 52 ]. علاوه بر این، این اقدامات می توانند منابع اطلاعاتی مهمی برای تصمیمات مدیریت زمین از طریق توسعه سناریوهای کاربری جایگزین و ارزیابی نتایج آنها باشند [ 54 ]. نظارت و ارزیابی کمی [ 55 ] اغلب برای استخراج وسعت و بزرگی مشکلات فرسایش خاک به منظور توسعه استراتژی های مدیریت منطقه ای مناسب همراه با اندازه گیری های میدانی مورد نیاز است.
مدلهای پایش و تحلیل فرسایش خاک [ 56 ] به سه دسته اصلی طبقهبندی میشوند: تجربی، مفهومی (تا حدی تجربی/مخلوط) و فیزیکی. نمونههایی از این سه دسته شامل مدل تجربی USLE و اصلاحات آن، پاسخهای مفهومی (شبیهسازی پاسخ محیط حوضه آبخیز منبع غیرنقطهای)، CRAMS (مواد شیمیایی، رواناب و فرسایش از سیستمهای مدیریت کشاورزی)، و MODANSW (پاسخهای اصلاحشده) و همچنین مدل های فیزیکی EUROSEM (مدل اروپایی فرسایش خاک) و MIKE SHE («Systeme Hydrologique Europeen» یا سیستم هیدرولوژیکی اروپا). از دهه 1930، کارشناسان و تصمیم گیرندگان خاک در حال توسعه و استفاده از مدل های فرسایش برای پایش و محاسبه تلفات خاک بوده اند [ 57 ].]. بیش از 80 مدل فرسایش در پنجاه سال گذشته ایجاد شده است [ 58 ].
یکی از پرکاربردترین مدلهای تجربی برای پایش و تخمین فرسایش، مدل جهانی معادله تلفات خاک (USLE) است که توسط Wischmeier و Smith در سال 1965 بر اساس اندازهگیریهای فرسایش خاک در ایالات متحده آمریکا توسعه یافت [ 57 ]. عمدتاً برای ارزیابی فرسایش خاک در زمین های زراعی یا در توپوگرافی های کمی شیبدار توسعه یافته است و هنوز هم در تعداد زیادی از مطالعات برای تخمین از دست دادن خاک استفاده می شود [ 52 ]. با نسخه اصلاح شده RUSLE، که نواحی بالادستی را در نظر می گیرد که به رواناب سطحی پایین دست کمک می کنند و بنابراین پیش بینی پذیری بهتری نسبت به USLE [ 59 ] دارند، و نسخه اصلاح شده MUSLE [ 57 ، 60 ، 61 ]، USLE هنوز به طور گسترده در مطالعات ارزیابی تلفات خاک استفاده می شود و رایج ترین ابزار برای ارزیابی و پایش فرسایش خاک در مقیاس بزرگ در اروپا است [ 62 ، 63 ، 64 ، 65 ].
در سالهای اخیر، با توسعه و تحولات قابل توجه در GIS و سنجش از دور، و همچنین پیشرفت در قدرت محاسباتی، تلاشها برای مدلسازی فضایی فرسایش خاک تشدید شده و تا حد زیادی ارتقا یافته است [ 66 ]. انتشار گسترده GIS و استفاده از داده های ماهواره ای توسعه مدل های فرسایش را بسیار تسهیل کرده است، زیرا آنها امکان استفاده از منابع داده های متعدد، اصلاح آسان ساختار مدل های فرسایش و تغییر شکل بدون قید و شرط مقیاس آنها را فراهم می کنند [ 67 ، 68 ].]. استفاده از روش های مرسوم برای پایش و ارزیابی خطر فرسایش خاک پرهزینه و زمان بر است. ادغام مدلهای فرسایش خاک موجود، دادههای میدانی و دادههای ارائهشده توسط فناوریهای سنجش از دور از طریق استفاده از GIS بهویژه سودمند بوده و در عین حال امکان ارائه توزیع مکانی فرسایش را از طریق نقشههای خطر فراهم میکند که برای طراحی نقشههای خطر ضروری هستند. اقدامات حفاظتی [ 50 ، 52 ، 65 ، 69 ، 70 ، 71 ].
اهمیت پایش مستمر فرسایش خاک و استفاده از شیوههای مدیریت یکپارچه حوضه رودخانه با استفاده مستقل از دادههای سنجش از دور، مانند عکسهای هوایی، LiDAR، پهپاد و دادههای ماهوارهای مانند Landsat (ETM +، TM، MSS) افزایش یافته است. )، IRS-P6 LISS (III، IV)، ASTER GDEM، GeoEye، QuickBird، WorldView، MODIS، Hyperion و غیره، بلکه با تجزیه و تحلیل و ارزیابی ترکیبی آنها با انواع دیگر داده ها، مانند باران سنج، نمونه های خاک، نقشه های توپوگرافی و غیره در محیط GIS [ 72 , 73 , 74 , 75 , 76 , 77 , 78 ., 79 , 80 , 81 , 82 ]. یک مثال معمولی از موارد فوق، نقشه برداری خطر فرسایش خاک به صورت ماهانه توسط نایجل و همکاران است. [ 83 ] برای منطقه موریس از طریق GIS، قوانین تصمیم گیری، بارش و داده های خاک، و تصاویر ماهواره ای SPOT. آنها مدل MauSERM را توسعه دادند که هر ماه نقشه های پایش فرسایش خاک را با وضوح بالا برای کل منطقه موریس تهیه می کند.
استفاده ترکیبی از دادههای سنجش از دور (و شاخصهای مشتقشده توسط اینها مانند NDVI)، GIS و مدلهای ارزیابی تلفات خاک، مانند USLE، RUSLE، RUSLE3D (اصلاحی از RUSLE برای خاک مرکب)، USPED (رسوب فرسایش مبتنی بر جریان برق واحد). PESERA (ارزیابی خطر فرسایش خاک پان-اروپایی) و غیره، ثابت کرده است که در پایش و پیش بینی فرسایش خاک بسیار مهم و مؤثر است [ 52 ، 84 ، 85 ، 86 ، 87 ، 88 ، 89 ، 90 ، 91 ، 92 , 93 , 94 , 95 , 96 , 97 , 98 , 99 , 100 ]. یک مثال خوب و جدید که از استدلال قبلی پشتیبانی می کند، اجرای کاریداس و همکاران است. [ 101] مدل فرسایش خاک G2 در پنج منطقه مورد مطالعه در جنوب شرقی اروپا و قبرس با هدف برآورد تلفات خاک به صورت ماهانه. این مدل در یک محیط GIS با استفاده از انبوهی از داده های ماهواره ای مانند Sentinel-2، MERIS، PROBA-V و SPOT-VGT عمل می کند. همچنین بر اساس موارد فوق، یک مرجع بسیار مفید کار Leh و همکاران خواهد بود. [ 102]، که سناریوهایی را برای پیشبینی تخصیص کاربری زمین در آینده و سطوح فرسایش خاک برای یک حوضه آبریز ایالات متحده برای سال 2030 ایجاد کرد. این تحقیق تکنیکهای سنجش از دور، GIS و مدلسازی را ترکیب کرد و نقشههای کاربری زمین را از طریق تجزیه و تحلیل تصاویر ماهوارهای لندست هر پنج سال یکبار برای یک دوره ایجاد کرد. 20 سال (1986-2006). مطالعات بر اساس این نقشه ها برای سنتز سناریوهای آینده است که افزایش شهرنشینی و در نتیجه افزایش خطر فرسایش را برای منطقه مورد مطالعه پیش بینی می کند.
گامهای رو به جلو در توسعه منطق قبلی، استفاده از دادهها، مدلها و روشهای ذکر شده در کنار استفاده از تکنیکهای دیگر مانند نسبت فرکانس (FR)، فرآیند تحلیل سلسله مراتبی (AHP)، رگرسیون لجستیک (LR)، خطی چندگانه بود. رگرسیون (MLR)، شاخص فرسایش بالقوه (PEI)، نسبت تحویل رسوب (SDR)، مدل GIS GWLF (عمومی تابع بارگذاری آبخیز)، تابع TLSD (تحویل رسوب محدود حمل و نقل) و غیره [ 103 ، 104 ، 106 . ، 107 ]. یک نمونه قابل توجه و اخیر، کار Macedo و همکاران است. [ 108]، که شاخص شکنندگی محیطی (EFI) را از طریق روش های GIS و توانایی آن برای نظارت و پیش بینی رسوب گذاری بر روی 148 رودخانه در برزیل ارزیابی شد. این شاخص عوامل زمین اقلیمی و همچنین فشارهای انسانی را در نظر می گیرد و از داده های زمین فضایی، بارش و ماهواره Landsat TM استفاده می کند.
در نتیجه، با در نظر گرفتن تمام منابع قبلی، GIS و سنجش از دور ابزارهای بسیار مفیدی با پتانسیل بالا در پایش و تخمین قابل اعتماد فرسایش خاک هستند. اینها میتوانند بر اساس مدلهایی مانند USLE/RUSLE [ 91 ، 109 ، 110 ، 111 ، 112 ، 113 ]، یا بر اساس روشهای دیگری مانند تکنیکهای ارزیابی چند معیاره-MCE [ 114 ، 115 ، 117 ، 116 ، 118, 119 , 120 , 121 ] یا ترکیبی از موارد فوق.
در نهایت، تجزیه و تحلیل اطلاعات مکانی یک رویکرد همیشه در حال تکامل است که قادر به نظارت بر ارزیابی، مدیریت و تجزیه و تحلیل مشکلات پیچیده، مانند فرسایش خاک، حوضه های رودخانه ها و حوضه های دریاچه است. در سالهای اخیر، GIS جایگزین خوبی است زیرا ابزارهای پشتیبانی تصمیم بهتری در پایش، برنامهریزی، مدیریت و توسعه پایدار خاک هستند.
2.3. پایش آب های زیرزمینی
آب های زیرزمینی یکی از با ارزش ترین منابع طبیعی است و به طور مستقیم با سلامت انسان، توسعه اقتصادی و تنوع اکولوژیکی مرتبط است [ 122 ]. آنها یک منبع حیاتی برای تامین آب آشامیدنی قابل اعتماد و مقرون به صرفه در محیط های شهری و روستایی هستند و نقش اساسی در رفاه انسان، کشاورزی پایدار و حفاظت از اکوسیستم های آبی و خشکی ایفا می کنند [ 123 ]. کیفیت آب زیرزمینی معمولاً بسیار خوب است، زیرا به طور طبیعی از طریق خاک فیلتر می شود و شفاف، بی رنگ و عاری از آلودگی میکروبی است که به حداقل تصفیه نیاز دارد [ 124 ].
مدیریت و پایش موثر آب های زیرزمینی در مناطقی با خاک سخت سنگی که تقریباً در همه جا و به طور دائم از آب های سطحی محروم هستند، از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این مناطق، جایی که جمعیت های انسانی در حال رشد زندگی می کنند، یافتن مناطق تامین آب به طور فزاینده ای دشوار است [ 125 ]. علاوه بر این، در بسیاری از مناطق در دسترس بودن آب زیرزمینی محدود است و توسعه سفرههای زیرزمینی عمدتاً با افقهای شکسته و متلاشی شده و تخلخل ثانویه ایجاد شده مرتبط است [ 126 ]. علاوه بر این، قرار گرفتن در معرض آلاینده های مختلف می تواند آب های زیرزمینی را برای مصرف نامناسب کند و می تواند زندگی انسان، جانوران و محیط زیست را به خطر بیندازد [ 127 ].
ارزیابی تاثیر تغییر اقلیم بر منابع آبی یک کشور مهم ترین ارزیابی است که باید قبل از برنامه ریزی هر پروژه بلند مدت بالقوه آبی انجام شود. مطالعات متعددی در سراسر جهان در مورد روند جریان رودخانه ها در رابطه با فیلتراسیون آب در مواجهه با تغییرات آب و هوایی و فشارهای بالقوه بر سفره های آب زیرزمینی انجام شده است [ 128 ]. در سال های اخیر، محققان در سراسر جهان، مطالعات متعددی را برای ارزیابی ذخایر آب زیرزمینی و سفره های آب زیرزمینی انجام داده اند، زیرا مدیریت پایدار آب های زیرزمینی به طور فزاینده ای ضروری است. بررسی حضور آب های زیرزمینی و ترسیم سفره های آب زیرزمینی را می توان با تجزیه و تحلیل غیرمستقیم برخی از ویژگی های خاک که به طور مستقیم مشاهده شده است، مانند زمین ساخت، به دست آورد. 129 ].
برخلاف روشهای سنتی، فناوری سنجش از دور (RS) با مزایای در دسترس بودن دادههای مکانی، طیفی و زمانی که مناطق بزرگ و غیرقابل دسترس را در مدت زمان کوتاهی پوشش میدهد، ثابت کرده است که ابزار بسیار مفیدی برای ارزیابی، نظارت و مدیریت است. منابع آب زیرزمینی [ 130 ، 131 ]. علاوه بر این، به طور گسترده ای برای نقشه برداری از ویژگی های سطح زمین (مانند عناصر تکتونیکی خطی، سنگ شناسی، و غیره)، و همچنین برای نظارت بر مناطق تامین آب زیرزمینی استفاده می شود [ 129 ].
تفسیر هیدروژئولوژیکی داده های ماهواره ای ثابت کرده است که یک ابزار تحقیقاتی ارزشمند در مناطقی است که اطلاعات زمین شناسی و نقشه برداری کمی در دسترس است (یا دقیق نیست) و همچنین مناطق غیر قابل دسترس [ 130 ]. از آنجایی که حسگرهای ماهوارهای نمیتوانند مستقیماً آبهای زیرزمینی را شناسایی کنند، وجود آبهای زیرزمینی از تفسیر ویژگیهای سطحی مختلف ناشی از تصاویر ماهوارهای مانند زمینشناسی، ژئومورفولوژی خاک، ویژگیهای خاک (بافت، ناهمواری و غیره)، کاربریها/پوشش زمین، سطح ناشی میشود. بدنه های آبی و غیره [ 132 ، 133]. در سالهای اخیر، استفاده گسترده از دادههای ماهوارهای در ترکیب با نقشههای معمولی و دادههای تصحیح شده زمین، استخراج اطلاعات پایه را تسهیل کرده است [ 134 ، 135 ، 136 ، 137 ، 138 ، 139 ].
در کنار سنجش از دور، GSPها به عنوان ابزار قدرتمندی برای مدیریت داده های مکانی و تصمیم گیری در زمینه های مختلف، از جمله مهندسی و محیط زیست ظاهر شده اند [ 140 ، 141 ]. استفاده از GIS برای ارزیابی منابع آب زیرزمینی چندین سال قبل گزارش شده است [ 142 ، 143 ، 144 ].
GIS و ابزار سنجش از دور به طور گسترده ای برای مدیریت منابع طبیعی مختلف استفاده می شوند [ 145 ، 146 ]. از آنجایی که پهنه بندی و شبیه سازی آب های زیرزمینی به مقادیر زیادی از داده های بین رشته ای نیاز دارد، استفاده ترکیبی از تکنیک های سنجش از دور و GIS به یک ابزار ارزشمند تبدیل شده است و مطالعات مهمی در سال های اخیر انجام شده است [ 122 ]. یکی از این نمونه ها ادغام سنجش از دور با GIS برای آماده سازی سطوح موضوعی مختلف از جمله سنگ شناسی، تراکم زهکشی، انحنای حوضه، بارندگی، شیب، خاک و کاربری های زمین و غیره است که به عنوان وزنی با اهمیت تعریف می شود. روشی که می تواند با موفقیت از شناسایی مناطق بالقوه آب زیرزمینی پشتیبانی کند [ 123].
در تلاشهای تحقیقاتی مشابه، کاربرد ترکیبی سنجش از دور و GIS در مدیریت آبهای زیرزمینی و تعیین محدوده مناطق بالقوه آبخوان توسط محققان مختلف در سراسر جهان اجرا شده است [ 129 ، 147 ، 148 ، 149 ]. اولین مطالعات متناظر شامل کار گوستافسون [ 150 ] است که از GSPها برای تجزیه و تحلیل داده های ماهواره ای SPOT برای ترسیم حضور احتمالی آب های زیرزمینی استفاده کرد.
2.4. نظارت بر یخبندان
شیوع دمای پایین هوا و شرایط یخبندان در یک منطقه عامل اصلی کنترل پهنه بندی پوشش گیاهی و تنوع زیستی است. یخبندان در سطح جهانی به عنوان یک خطر اصلی شناخته شده است، زیرا می تواند تقریباً در هر مکان، خارج از مناطق گرمسیری، به ویژه در ارتفاعات بالا رخ دهد [ 151 ]. تأثیر قابل توجهی بر کشاورزی، جنگلداری، مرتع دارد، زیرا بر اکثر فرآیندهای زیستی مانند فنولوژی گیاهی، رشد، تبخیر و تعرق، نیازهای رطوبتی، تثبیت کربن و تجزیه در اکوسیستم های کوهستانی طبیعی و کشت شده تأثیر می گذارد [ 152 ، 153 ، 154 ، 155 .]. علاوه بر این، یخبندان می تواند آسیب قابل توجهی به کارهای زیرساختی وارد کند و از عملکرد روان و ایمن آنها به دلیل بسته شدن جاده ها جلوگیری کند یا حتی پایداری آنها را به خطر بیندازد [ 156 ، 157 ، 158 ]. شکل بعدی ( شکل 4 ) چنین زمینه ای را نشان می دهد [ 158 ].
دو معیار اغلب برای ثبت یخبندان استفاده می شود: تشکیل کریستال های یخ بر روی سطوح (در طول بررسی های میدانی) و اندازه گیری های هواشناسی دمای هوا [ 159 ]. تا آنجا که به کشاورزی مربوط می شود، یخبندان را می توان به عنوان یک رویداد هواشناسی توصیف کرد که در آن محصولات و سایر گیاهان به دلیل وقوع دمای هوا کمتر از 0 درجه سانتیگراد آسیب یخ زدگی را تجربه می کنند [ 151 ].
اندازه گیری های هواشناسی دقت بالایی دارند اما توانایی محدودی برای توصیف ناهمگونی فضایی توزیع یخبندان دارند [ 160 ]. تلاشها برای درونیابی فضایی اندازهگیری دمای هوا و یخبندان اغلب منجر به الگوهای فضایی غیرنماینده میشود، به دلیل تعداد کم و توزیع نامنظم ایستگاههای هواشناسی [ 161 ].
امروزه با پیشرفت سریع تکنولوژیکی و علمی در فناوری رصد زمین (EO)، پتانسیل ارتقا یافته ای در مطالعه توزیع مکانی و زمانی یخبندان وجود دارد. به ویژه در مناطقی که داده های دمایی در دسترس نیستند یا به دلیل کم بودن ایستگاه های هواشناسی یا دسترسی دشوار، گران هستند، سنجش از دور می تواند منبع مهم و ارزشمندی از اطلاعات باشد [ 162 ].]. داده های سنجش از دور توسعه یافته اند که محصولات آماده برای استفاده را با اطلاعاتی در مورد دمای سطح زمین در شب ارائه می دهند که از طریق آن می توان یخ زدگی را ثبت کرد. مقادیر LST سنجش از دور بر اساس قانون پلانک با استفاده از تابش باندهای مادون قرمز حرارتی (TIR) تعیین می شود. کیفیت بازیابی های LST تحت تاثیر ویژگی های حسگر، شرایط جوی، تغییرات در گسیل طیفی، ناهمگونی نوع سطح، رطوبت خاک، هندسه تجسم، و فرضیات مربوط به روش پنجره تقسیم می باشد [ 162 ].
یک منبع داده LST که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، حسگر طیف سنج تصویربرداری با وضوح متوسط (MODIS) است که اطلاعات را از سال 2000 ارائه می کند. جهان است، اما قدرت تفکیک مکانی آن مسیر (1 کیلومتر) است. دقت LST بازیابی شده به شرایط جوی و سطح زمین بستگی دارد و در برخی موارد بهتر از 1 درجه کلوین است [ 163 ].
یک منبع جایگزین برای LST شبانه، سنسور پرتو سنج گسیل و انعکاس حرارتی پیشرفته Spaceborn (ASTER) است. دقت محصول ASTER LST (AST-08-L.2) 0.3 درجه کلوین محاسبه شده است و دارای وضوح 90 متر برای مناطق خشکی است، اما وضوح زمانی آن کمتر است، زیرا زمان بازدید مجدد آن 16 روز است. فواصل [ 164 ].
یک سنسور مادون قرمز حرارتی نسبتاً جدید، سنسور مادون قرمز حرارتی Landsat 8 (TIRS) با دو باند حرارتی مجاور است. چندین رویکرد برای تولید LST از دادههای Landsat 8، مانند روش مبتنی بر معادله انتقال تابشی (RTE)، الگوریتم پنجره تقسیم (SW) و روش تک کانال (SC) توسعه یافتهاند. بالاترین دقت برآورد شده با RTE انجام می شود که بهتر از 1 درجه کلوین است [ 165 ].
در نهایت، Sentinel-3 که توسط آژانس فضایی اروپا توسعه یافته است و از سال 2017 به صورت روزانه داده های LST را ارائه می دهد. محصول SLSTR Level-2 LST حاوی اطلاعات LST با وضوح فضایی 1 کیلومتر است. دقت LST مشتق شده به نوع جو بستگی دارد و برای مناطق قطبی 0.8 درجه کلوین، برای عرض های جغرافیایی میانی 1.5 درجه کلوین و برای عرض های جغرافیایی استوایی 2 درجه کلوین برآورد شده است [ 166 ].
در مطالعات پایش نوسانات دما و یخبندان، داشتن مجموعه داده هایی با وضوح مکانی و زمانی بالا ضروری است. با ترکیب تصاویر با وضوح زمانی بالا با تصاویر با وضوح مکانی بالا می توان بر محدودیت های مجموعه داده های EO موجود در حال حاضر با وضوح زمانی کم یا وضوح مکانی کم غلبه کرد (لیو و ونگ، 2012). توسعه مدلهای همجوشی دادهها مانند مدل همجوشی بازتابی تطبیقی مکانی و زمانی، تولید دمای روزانه سطح زمین مانند ASTER را با نتایج امیدوارکنندهای ممکن کرده است [ 167 ، 168 ، 169 ، 170 ].
2.5. پایش سیل
بلایای طبیعی اثرات قابل توجهی در بسیاری از کشورهای جهان به همراه دارد و تعداد زیادی تلفات، آسیب به پروژه های فنی و زیرساختی و جابجایی جمعیت را شامل می شود. علاوه بر این، با توجه به اثرات قابل توجه تغییرات آب و هوایی، انتظار می رود این اثرات در سال های آینده در بسیاری از کشورها افزایش یابد. اگرچه امروزه فناوری و دانش علمی رشد چشمگیری داشته است، بلایای طبیعی همچنان پیامدهای فاجعهبار اقتصادی و زیستمحیطی و همچنین تلفات انسانی بسیاری را در سراسر جهان به همراه دارد. مطالعه و پایش این پدیده ها در دهه های اخیر ثابت بوده و روند رو به افزایشی را نشان داده است [ 171 ]]. به منظور نظارت موفقیت آمیز این پدیده ها و مدیریت اثرات آنها، ایجاد نقشه های خطر و خطر برای هر دو محیط طبیعی و مصنوعی بسیار مهم است [ 172 ، 173 ].
از جمله خطرناک ترین و جدی ترین بلایای طبیعی که بیش از 75 میلیون نفر در سراسر جهان را تحت تأثیر قرار داده است، حوادث سیل است [ 173 ]. در حوادث سیل شدید، مدیریت سریع بزرگی تأثیرات و کاربری های زمین تحت پوشش آب اهمیت دارد [ 174 ]. در این زمینه، نقشهبرداری و مدلسازی سیلاب ابزارهای مفیدی برای پایش، پیشبینی، حفاظت و همچنین بهبود کمکهای کوتاهمدت و بلندمدت به مناطق آسیبدیده بلافاصله پس از رویداد هستند.
به گفته لکاس [ 175]، دو نوع سیل وجود دارد، بالادست و پایین دست. سیلاب های بالادست در قسمت های بالاتر ناحیه زهکشی مشاهده می شود و عموماً ناشی از بارندگی شدید کوتاه مدت در یک منطقه کوچک است. در مقابل، سیلاب های پایین دستی ناشی از طوفان های طولانی مدت است که در خاک نفوذ کرده و منطقه وسیعی را در بر می گیرد. اکثر سیل ها نتیجه (1) مقدار کل و توزیع بارندگی، (2) نفوذپذیری سنگ یا خاک، و (iii) توپوگرافی یک منطقه هستند. همچنین مشخص شده است که توزیع کاربری زمین، به ویژه در حوضه های زهکشی کوچک، می تواند به طور قابل توجهی بر اندازه و فراوانی سیل تأثیر بگذارد. علاوه بر این، خطر وقوع سیل در یک حوضه آبخیز با عوامل زیر تعیین می شود: کاربری زمین، حجم سیل، شدت و فراوانی، ارتفاع و مدت سیل، فصل، وزن رسوب رسوب، 175 ].
چالشهای جدید زیستمحیطی، نظارت و مدیریت منابع آب را در اولویت علمی و پژوهشی قرار داده است. اثرات موضعی تغییر اقلیم در دهه های اخیر مانند افزایش دما، کاهش بارندگی (یا در موارد دیگر افزایش)، بیابان زایی و غیره، همچنین وقوع پدیده های شدید مانند طوفان، سیل، رانش زمین و فرسایش خاک انسان را تهدید می کند. زندگی و زیرساخت تمایل به پرداختن به این موضوع به دلیل افزایش روزافزون چنین پدیده هایی و نیاز به نظارت و مدیریت بهینه و همچنین به دلیل رونق فناوری که ابزارها و تکنیک های جدید را ارائه می دهد، به سرعت در حال افزایش است. این رژیم محیطی در حال تغییر و تغییر مداوم، نیاز به تحقیقات سیستماتیک در زمینههای مرتبط مانند هیدرولوژی و/یا هیدرولیک را افزایش داده است. از اهداف مهم این تلاش میتوان به بهرهوری بهینه روششناختی، پایگاههای اطلاعاتی جامع و بهویژه پیشرفتهای مدلسازی پیشرفته و همچنین درک، پایش و پیشبینی یک رویداد یا پدیدهای که امروزه اهمیت بالایی دارد، اشاره کرد. ژئوتکنولوژی های مدرن (مانند GIS و سنجش از دور) نقش کلیدی در این تلاش مستمر دارند.
در اوایل دهه 1980، جغرافی دانان استدلال کردند که نقشه های سیل به طور قابل توجهی بر درک مردم از سیل تأثیر نمی گذارد و در عین حال برنامه ریزی تحقیقاتی کافی را ارائه نمی دهد. با توجه به برنامه کاهش بلایای سیل کانادا، اگرچه آگاهی از اثرات سیل در بین گروه ها – پس از نقشه برداری – افزایش یافته است، اما دلیل آن نقشه ها نیست [ 176 ، 177 ]. در تلاش برای بهبود این ضعف روشهای زیادی امتحان شده است. از جمله این موارد استفاده از سنجش از راه دور (RS) است که ایده جدیدی نیست. در سال 1980، با اثبات استدلال قبلی، یک مقاله تحقیقاتی استفاده از سنجش از دور را برای پایش و هشدار بلایا از طریق فرآیندهای مختلف، مانند نقشه برداری و ارزیابی سیل پیشنهاد کرد [ 178 ]].
در طول دهه بعد، استفاده از سنجش از دور و GIS در پایش سیل و تحقیقات به خوبی تثبیت شد. همانطور که توسط دو مرجع زیر قابل درک است، هر دو حسگر غیرفعال و فعال مورد استفاده و آزمایش قرار گرفتند. هوبرت موی و همکاران [ 179] پیشنهاد کرد که تحلیل فضایی نقشهبرداری موضوعی لندست (TM) برای مطالعه سیلها در حوضههای آبریز کوچک سازگار است. این مطالعه همچنین از این واقعیت حمایت کرد که پردازش تصویر ماهوارهای و تحلیل جریان میتواند شرایط سیل را حتی چند روز پس از اوج رویداد شبیهسازی کند، اگرچه تکرارپذیری ماهواره کم است. از سوی دیگر، سودمندی داده های رادار دیافراگم مصنوعی (SAR) در مطالعه ای در سال 1996 مورد بررسی قرار گرفت. این مطالعه قادر به مقایسه داده های ماهواره ای در مورد سیل رودخانه ها با تصاویر ضبط شده (گرفته شده از یک هواپیمای کوچک) با هدف نشان دادن دقت تکنیک SAR [ 180 ] بود.
در قرن بیست و یکم سیستم اطلاعات جغرافیایی، سنجش از دور و سایر فناوریهای مدرن نقش مهمی در پایش، تحلیل و نقشهبرداری سیل و همچنین در مدلسازی هیدرولوژیکی و/یا هیدرولیکی دارند که بهطور محکمی تثبیت شده است. هدف بسیاری از دانشمندان توسعه ایده های جدید بر اساس ابزارها و تکنیک های فوق بود. بستههای نرمافزار رایگان توسعه و توزیع شدهاند، پایگاههای اطلاعاتی دیجیتالی جهانی ایجاد شدهاند و پروژههای تحقیقاتی زیادی انجام شدهاند. تکامل و انقلاب مدلسازی هیدرولوژیکی و هیدرولیکی، و همچنین پایش، تحلیل و نقشهبرداری سیل، با فناوریهای مدرن در حال شکوفا شدن است، دائماً کاربردهای جدید پیدا میکند، نیازهای روزافزون را برآورده میکند و دانشمندان جوان بیشتری را برای کار در این زمینه دعوت میکند. رشته. استفاده از دادههای سنجش از دور برای پایش و بررسی سیلها و پدیدههای مرتبط (مثلاً تأثیرات ساحلی ناشی از افزایش سطح دریا به دلیل تغییرات آب و هوایی) در سالهای اخیر به سرعت افزایش یافته است. برنامههای نظارت و تحقیق مختلف بر اساس دادههای RS مانند LIDAR (تشخیص نور و محدوده) [ 181 ]، RADARSAT SAR [ 182 ]، NEXRAD III [ 183 ]، EUMETSAT، SENTINEL [ 184 ، 185 ، 186 ]، COSMO-SkyMed SAR [ 187 ]، دادههای نوری و مایکروویو US DMATiksSP, 7/RATu (TM، ETM+)، EOS-AM TERRA/MODIS، SRTM DEM و ASTER [ 188 ، 189 ، 190 ]. انتظار میرود که تکامل و بهبود مستمر دادههای سنجش از دور (محدوده پوشش، وضوح مکانی، فرکانس دادهها و غیره) به طور مداوم استفاده و کارایی آنها را افزایش دهد.
علاوه بر این، دانشمندان متعددی تلاش کردهاند مدلهای هیدرولوژیکی، هیدرولیکی و دیگر مدلهای جدید را همراه با دادهها و تکنیکهای سنجش از دور و GIS به منظور بررسی و پایش چندین موضوع بهطور مستقیم یا غیرمستقیم مرتبط با رواناب سطحی و سیل ارائه دهند [ 189 , 191 ] , 192 , 193 , 194 , 195 ]. در این نقطه شایان ذکر است که توسعه مدل هیدرولوژیکی HYDROTEL [ 196 ]، استفاده از مدل هیدرولوژیکی SLURP [ 197 ، 198 ]]، مدل SWAT (ابزار ارزیابی خاک و آب) [ 199 ، 200 ، 201 ، 202 ، 203 ] و تکامل آن SWAT2000 [ 204 ]، مدل های HEC-HMS/RAS [ 183 ، 183، 208 ، 205 ، 206 ، 206 ، 207 ، 206، 206، 201 ، 201، 201، 201، 201، 201، ، 209 ، 210 ، 211]، مدل هیدرولوژیکی WEP-L با توزیع طبیعی [ 212 ]، مدل MIKE11 [ 213 ]، مدل هیدرولوژیکی توزیع شده فضایی مدل LIS-Flood [ 214 ]. نمونهای از کاربردهای متنوع، که مدلهای هیدرولوژیکی و سایر مدلها (به عنوان مثال، SLEUTH) را با سنجش از دور و GIS ترکیب میکند، مطالعه پراکندگی شهری است [ 215 ، 216 ].
تکامل روشهای تحلیل جغرافیایی- فضایی، و بهویژه GIS، پیشرو و جوهره تغییر رویکرد سیلاب از مدلهای صرفاً ریاضی-نظری و تحقیقات درجا به رویکردی عملکردی از طریق تحلیل مکانی، مدلهای فضایی، زمینآمار بوده است. و سایر روشهای مرتبط ، به عنوان مثال ، رگرسیون لجستیک ، تحلیل فرکانس ، و غیره . _ _ , 226 , 227 , 228 , 229 , 230 , 231 , 232 , 233 ]. شکل بعدی ( شکل 5 ) چنین زمینه ای را ارائه می دهد [ 230 ].
به طور کلی، توسعه فناوریهای جدید برای مدلسازی بارش-رواناب و پایش، تحلیل و پیشبینی سیل، چه در ترکیب با GIS و سنجش از دور یا به صورت مستقل، شامل استفاده از روشهای پیشرفته مانند شبکههای عصبی مصنوعی (ANN) نیز میشود. یک منطقه تحقیقاتی بسیار در حال تکامل هستند [ 234 ، 235 ]، کاربرد الگوریتم های منطق فازی [ 236 ]، مدل های SVM (ماشین بردار پشتیبانی) [ 237 ].
همانطور که از بررسی ادبیات می توان فهمید، تکامل مداوم فناوری، ابزارها و تکنیک های مدرن تری را برای ارزیابی و پایش بلایای طبیعی و به ویژه سیل ها فراهم می کند. توسعه مدلهای جدید (و تکامل مدلهای قدیمیتر)، سیستمهای اطلاعات جغرافیایی، سنجش از دور، تحلیل کاربردی فضایی، زمینآمار و غیره، برخی از قابلیتهایی است که در حال حاضر در اختیار محققان، مهندسان و غیره برای نزدیک شدن به پدیدههای فاجعهبار است. به عنوان سیل نیاز به بکارگیری این ابزارها، به نوسازی روشهای موجود، و همچنین تکامل مستمر و ایجاد روشهای جدید، با تأثیرات تغییرات آب و هوایی و الزامات و نیازهای زیستمحیطی، اجتماعی و اقتصادی مدرن بیشتر میشود.
2.6. نظارت بر افزایش سطح دریا
بر اساس IPCC، (2018)، گرمایش جهانی احتمالاً بین سالهای 2030 تا 2052 به 1.5 درجه سانتیگراد میرسد. Ablain et al. [ 238 ]، با استفاده از داده های آژانس فضایی اروپا (ESA) زمین، اهمیت افزایش سطح دریا را به تفصیل توضیح داد، یعنی اندازه گیری افزایش حجم اقیانوس ها، به عنوان یک شاخص واضح از تغییرات آب و هوا و یکی از اثرات اصلی آن. ماموریت مشاهده (EO) مانند ماموریت های ERS-1&2 و Envisat، TOPEX/Poseidon، Jason-1&2 و Geosat Follow-on (GFO). انتظار می رود افزایش سطح دریا در قرن آینده به طور قابل توجهی به تغییرات فیزیکی در امتداد سواحل، افزایش خطرات ساحلی به ویژه در مناطق ساحلی با گرادیان کم، توسعه فناوری های ژئودتیک و به ویژه سیستم موقعیت یابی جهانی (GPS) کمک کند [ 239 ].، 240 ]. پیشبینیهای مبتنی بر مدل از افزایش میانگین جهانی سطح دریا (نسبت به سالهای 1986-2005) محدوده شاخصی از 0.26 تا 0.77 متر را تا سال 2100 برای 1.5 درجه سانتیگراد گرمایش جهانی نشان میدهد [ 241 ].
گرم شدن کره زمین باعث می شود که سطح متوسط جهانی دریاها عمدتاً با ذوب شدن یخچال ها و صفحات یخ افزایش یابد که منجر به اضافه شدن فوق العاده آب به اقیانوس و همچنین افزایش حجم بدنه آب به دلیل انبساط حرارتی می شود [ 242 ]. تغییرات نسبی سطح دریا ناشی از تغییرات آب در اقیانوسها و حرکتهای خشکی را میتوان با اندازهگیریهای جزر و مد گیج تشخیص داد، در حالی که ارتفاعسنجی/گرانش سنجی ماهوارهای EO و همچنین ماهوارههای GPS را میتوان برای اندازهگیری تغییرات مطلق سطح دریا در مقیاس جهانی به کار برد [ 243 ] ].
جزر و مد سنج ها از زمان های قدیم برای ثبت تغییرات سطح دریا مورد استفاده قرار می گرفته اند، اما شبکه ای توسعه یافته از جزر و مد سنج ها در تقریباً 1000 مکان در سراسر جهان، در اواخر قرن نوزدهم شروع به ظهور کردند. علاوه بر این، وجود ماهوارههای ارتفاعسنج مانند TOPEX/POSEIDO فرصتی را برای اندازهگیریهای حتی بهتر ایجاد میکند [ 244 ، 245 ، 246 ]. تخمین زده می شود که فعالیت های انسانی از سال 1880 باعث افزایش میانگین جهانی سطح دریا در حدود 21-24 سانتی متر شده است و حتی اگر شبکه ای از جزر و مد وجود دارد اطلاعات ارزشمندی در مورد تغییرات سطح دریا از چند ثانیه تا قرن ها ارائه می دهد [ 247 , 248 , 249 ]، این مشاهدات از محدودیت های متعددی رنج می برند، به عنوان مثال، توزیع جغرافیایی آنها در اقیانوس های باز یا نیمکره جنوبی ضعیف است، در دسترس بودن رکوردهایی که برای همه ایستگاه ها معاصر نیست و تأثیر حرکت های عمودی زمین که یکی از موارد است. مشکلات اصلی برای تفسیر اندازه گیری های جزر و مد [ 244 ، 250 ].
از سوی دیگر، ارتفاع سنجی ماهواره ای همراه با ارتفاع سنجی SAR توسط Cipollini و همکاران توصیف شده است. [ 251 ] به عنوان یکی از اسبهای کار اقیانوسشناسی عملیاتی اقیانوسهای باز و پایش جهانی سطح دریا، که برای بیش از 28 سال دادههای ارزشمند تاریخ سطح دریا را با دقتی در حد چند سانتیمتر حتی برای دورافتادهترین مناطق اقیانوسها ارائه میکند. . چندین آژانس فضایی مانند سازمان ملی هوانوردی و فضایی (NASA)، آژانس فضایی اروپا (ESA) و مرکز ملی d’Etudes Spatiales (CNES) در تحقیق و توسعه نوآوریها، حمایت عمدهای از جامعه علمی بینالمللی ارائه کرده است. تکنیک های ارتفاع سنجی ساحلی
به گفته آبلین و همکاران. [ 238 ] دادههای ارتفاعسنجی ماهوارهای به خوبی با اندازهگیریهای جزر و مد سنج تناسب دارند، با این حال، ارتباط بین اندازهگیریهای ارتفاع سنج ماهوارهای افزایش سطح دریا با اندازهگیریهای جزر و مد سنج، از طریق پل زدن اندازهگیریهای اقیانوس باز با اندازهگیریهای نزدیک، اهمیت زیادی دارد. به سواحل به منظور رفع نیازهای علمی برای وضوح بهتر داده ها.
GIS ثابت کرده است که وقتی با داده های سنجش از دور و اندازه گیری های جزر و مد ادغام می شود، این پتانسیل را دارد که به عنوان یک ابزار مهم در نظارت بر اثرات زیست محیطی و اجتماعی-اقتصادی افزایش سطح دریا عمل کند. GIS به طور فزاینده ای به عنوان یک ابزار پشتیبانی در پایش افزایش سطح دریا مورد استفاده قرار می گیرد، زیرا امکان همگن سازی و ادغام تمام داده های موجود در یک پایگاه جغرافیایی را برای دستیابی به اطلاعات، انجام تحلیل های مکانی و زمین آماری فراهم می کند و دارای پتانسیل قوی برای ترکیب یک پایگاه داده است. طیف گسترده ای از متغیرها و داده های پیچیده در قالب های مختلف و برای ادغام اطلاعات فیزیکی، اکولوژیکی، اجتماعی-اقتصادی و خطرات. علاوه بر این، با توجه به مزایای متعدد آن مانند ویرایش و اتوماسیون داده، تجسم، نقشه برداری و وظایف مبتنی بر نقشه، مشاوره فضایی، تجزیه و تحلیل فضایی، و تجزیه و تحلیل زمین آماری و انعطاف پذیری آن، GIS را می توان در برنامه ریزی های بیشتر برنامه ریزی و سناریوهای آینده استفاده کرد. در طول سالها GIS پتانسیل زیادی در کاربرد و قابلیتهای حل مسئله خود نشان داده است و تعداد زیادی از محققان از روشهای مبتنی بر GIS برای مطالعه افزایش سطح دریا در سطح جهانی و منطقهای استفاده کردهاند.
3. سهم رصد زمین در بلایای طبیعی
در عصر تغییرات اقلیمی، بلایا به دلیل اثرات مخرب خود در سراسر جهان باعث نگرانی در بخش تحقیقات می شود. در واقع، وقوع و فراوانی بلایای طبیعی در دهه های اخیر به طور قابل توجهی افزایش یافته است [ 252 ، 253 ، 254 ]. رویکردهای علمی گوناگونی برای کاهش تلفات ناشی از بلایا بر اساس ویژگیهای آنها به کار گرفته میشود.
رصد زمین (EO) به تدریج به یک منبع مهم برای مدیریت بلایا تبدیل شده است، از جمله تعیین کمیت، و تشخیص توزیع مکانی و زمانی و تنوع بسیاری از خطرات زیست محیطی در مقیاس های مختلف [ 254 ، 255 ]. به خصوص رشد سریع در بخش EO در دهههای گذشته، ثبت تأثیر بلایای طبیعی بر روی زمین، آب، پوشش گیاهی و سلامت انسان در طول بسیاری از حوادث بلایای طبیعی را آسان کرده است. EO مبتنی بر ماهواره در حال حاضر به عنوان یک فناوری تثبیت شده برای نقشه برداری و نظارت بر اطلاعات مکانی در مورد بلایا در فواصل زمانی مکرر در همه آب و هوا در زمان واقعی در نظر گرفته می شود [ 256 ، 257 ].
سنجش از دور ماهواره ای به تدریج به ابزار ترجیحی برای مدیریت بلایا تبدیل می شود، زیرا اطلاعات را در مناطق وسیع در فواصل زمانی کوتاه ارائه می دهد. علاوه بر این، اطلاعات جمعآوریشده از شرایط گذشته و حال به شناسایی تغییرات رخداده در پوشش زمین کمک میکند و به چارچوببندی استراتژیهای مدیریت و کاهش کمک میکند [ 258 ]]. مجموعه دادههای EO بهدستآمده منبع دادههای ورودی اولیه برای تحلیلهای مختلف جغرافیایی هستند که امکان بازیابی، نقشهبرداری، ردیابی، شبیهسازی و نمایش رویدادهای مرتبط با فاجعه را به شیوهای مؤثرتر و دقیقتر در مدت کوتاهی بدون بازدید از زمین فراهم میکنند. EO وجود دارد نقاط قوت علمی و فنی طیف گسترده ای از قابلیت های جدید در ارزیابی و نظارت بر چندین ویژگی از متغیرهای محیطی [ 259 ]. بنابراین، پیشبینی از راه دور-اکنون، نظارت و ارزیابی خطرات زیستمحیطی جذاب میشود، زیرا این سیستمها همچنین دادههای دائمی در دسترس را با وضوح بالا و مناطق وسیع را پوشش میدهند [ 260 ].
EO شامل ماهواره هایی با وضوح مکانی و زمانی متفاوت در مدار زمین ثابت و قطبی است. هر دو نوع مدار شامل دو منبع داده مکمل هستند که می توانند بهترین انتخاب ها را برای مدیریت بلایا ارائه دهند. ماهوارههای مدار قطبی در ارتفاع کم (کمتر از 1000 کیلومتر از سطح زمین) قرار میگیرند، دادههایی را با وضوح مکانی بالا و وضوح زمانی پایین ارائه میکنند. از سوی دیگر، ماهوارههای زمین ثابت در ارتفاع بالاتر (36000 کیلومتری از سطح زمین) قرار میگیرند و دادهها را با وضوح مکانی پایین با وضوح زمانی بالا (حتی به ترتیب چند دقیقه) به دست میآورند [ 261 ، 262 ، 263 .]. بسیاری از پلتفرمهای ماهوارهای بیش از یک حسگر را حمل میکنند که اطلاعات طیفی از مرئی، مادون قرمز و حرارتی گرفته تا ناحیه مایکروویو طیف الکترومغناطیسی (EM) را به دست میآورند. بین دیگران [ 252 ، 264 ، 265]، استفاده از انواع مختلف حسگر EO را در خطرات طبیعی مختلف بررسی کرده اند. بسته به مکانیسم تعامل موج EM با اجزای جوی و ویژگی های سطح زمین، حسگرهایی که در حالت فعال و غیرفعال در طول موج های مختلف عمل می کنند برای جمع آوری داده ها در مورد پدیده های مختلف ژئوفیزیک استفاده می شوند. نظارت بر بلایای طبیعی در طول دهه ها نشان می دهد که EO بلایای طبیعی را با استفاده از فناوری های نوری و مایکروویو (MW) در درجه اول اندازه گیری می کند [ 266 ، 267 ].
پیشبینیهای بلایای طبیعی بر در دسترس بودن محصولات دادههای EO مناسب تکیه میکنند که میتوانند با نظارت کوتاهمدت تا بلندمدت جمعآوری شوند [ 268 ، 269 ]. EO مداوم و مکرر داده های مکانی-زمانی بالایی را فراهم می کند که امکان جمع آوری اطلاعات برای مطالعه پدیده های گذشته و حال را فراهم می کند. در حال حاضر دادههای EO زیادی برای ردیابی خطرات طبیعی در دسترس است، از جمله دادههای مربوط به شناورهای واقع در کف اقیانوس، ایستگاه مورد استفاده برای ردیابی جو، مشاهدات هواپیما و ماهوارههای مداری در سراسر جهان. حسگرهای نوری به طور مداوم وضوح فضایی و طیفی را بهبود بخشیده اند [ 253 , 263 , 270]. به عنوان مثال، حسگرهای نوری MODIS [ 271 ]، ASTER [ 272 ، 273 ]، Hyperion [ 274 ] و OLI [ 263 ، 275 ] مزیت و سودمندی خود را برای نقشه برداری خطرات با موفقیت ثابت کرده اند، اما استفاده از چنین داده هایی توسط شرایط آب و هوایی محدود شده است. . از سوی دیگر، حسگرهای مایکروویو بر این محدودیتها غلبه میکنند و در جایی استفاده میشوند که عواملی مانند ابرها مانع مشاهدات نوری شوند. برخی از این حسگرها برای نقشه برداری بلایا عبارتند از جهت و برد رادیویی (RADAR)، رادیومترها، پراکندگی سنج ها و ارتفاع سنج های راداری [ 254 ].
کاهش بلایای طبیعی زمانی می تواند موفقیت آمیز باشد که اطلاعات دقیق در مورد فراوانی مورد انتظار، ویژگی ها و بزرگی خطرات طبیعی در هر منطقه در دسترس باشد [ 276 ]. سه مرحله عمده از فعالیتهای مدیریت بلایا وجود دارد که EO میتواند به طور بالقوه در آن مشارکت داشته باشد (1) مرحله آمادگی مدتها قبل از رویداد با پیشبینی خطر و شناسایی منطقه خطر رخ میدهد. (2) مرحله پیشگیری که درست قبل یا در طول رویداد انجام می شود، شامل هشدار/پیش بینی زودهنگام، نظارت و تهیه برنامه های اضطراری است. و (3) آخرین مرحله پاسخ و کاهش برای ارزیابی آسیب و مدیریت امداد بلافاصله پس از رویداد است [ 277 ]]. اطلاعات مورد نیاز در طول هر یک از این مراحل از پدیده خطر را می توان از حسگرهای EO در یک منطقه بزرگ با استفاده از حسگرهای مختلف که در هواپیما یا ماهواره ها کار می کنند جمع آوری کرد. متعاقباً، این اطلاعات را می توان در یک محیط GIS با اجرای تکنیک های تحلیل مکانی مناسب پردازش کرد، تا اطلاعات مفیدی در توسعه یک برنامه مدیریت بلایای موثر برای بهینه سازی آمادگی ها و انجام گزینه های مدیریت ارائه دهد [ 256 ، 263 ، 278 ]. کاهش و آمادگی بلایا را می توان با استفاده از داده های EO و تکنیک های دستکاری تصویر با موفقیت امکان پذیر کرد و داده های ورودی را به عنوان مشاهدات سیستماتیک برای مدل سازی ریسک ارائه داد [ 256 ]، 279 ]. تجزیه و تحلیل جغرافیایی وضعیت سطح زمین ادغام شده با داده های مختلف مکانی و غیر مکانی به مدیریت کارآمد و چارچوب بندی طرح های کاهش موثر کمک می کند. تنوع گسترده داده ها با ویژگی های مختلف امکان شناسایی شرایط سطحی و زیرسطحی زمین را فراهم می کند و تجزیه و تحلیل دقیق و سریع را فراهم می کند. با این حال، محدودیت های خاصی برای استفاده از EO در بلایای طبیعی وجود دارد. به عنوان مثال، EO اطلاعاتی در مورد ویژگی های زمین زیرسطحی فراتر از اعماق خاص ارائه نمی دهد. پیشبینیهای دادههای EO نیز اغلب با برخی سوگیری همراه هستند و مشاهدات حقیقت پایه برای فرآیند کالیبراسیون و اعتبارسنجی برای ارزیابی پیشبینیهای آنها مورد نیاز است.
خصوصیات و ویژگی های فنی ماهواره های EO
روشها، تکنیکها و ابزارهایی که در این کار توضیح داده شده، ابزارهای مدرن و مؤثری برای تحقیق، مدیریت و پایش محیطزیست و به طور کلی مخاطرات ژئومحیطی مانند خشکسالی، سیل، فرسایش خاک، آبهای زیرزمینی، یخبندان، افزایش سطح دریا هستند. و غیره و همچنین تمامی منابع طبیعی ارزشمند. یکی از مهمترین ویژگیهای این ابزارها که پویایی آنها را افزایش میدهد، قابلیتهای تکاملی آنها است که مبتنی بر روش مدرن توسعه و ساختار این روشها (نرمافزارهای مدرن، دادهها، تکنیکها و غیره) است. بنابراین، دانش علمی و پیشرفت روزافزون فناورانه همواره در تکامل روش های ارائه شده سودمند خواهد بود.
در مورد برنامه های ماهواره ای، دو نوع اصلی از تصاویر رصد زمین وجود دارد – تصاویر غیرفعال و فعال. تصاویر غیرفعال شامل رادیومتری پانکروماتیک، چند طیفی، پان شارپن، فراطیفی، مایکروویو و تصاویر فعال شامل رادار دیافراگم مصنوعی (SAR)، LIDAR، ارتفاعسنجی رادار، GNSS-R و پراکندگی رادار است. تصاویر با وضوح پایین دارای فاصله نمونه زمینی بزرگتر از 300 متر هستند. وضوح متوسط بین 300 متر تا 30 متر، وضوح بالا از 30 تا 5 متر و وضوح بسیار بالا (VHR) زیر 5 متر است. از نظر مدت زمان، ماهواره هایی با زمان بازدید مجدد 1 ساعت (مثلا COMS) اما فاصله نمونه زمینی (GSD) 500 متر است و ماهواره هایی با زمان بازدید مجدد 26 روز اما با GSD 2.5 متر هستند (مثلاً SPOT-5) . علاوه بر این، تعداد باندها بین انواع مختلف ماهواره ها متفاوت است. بدین ترتیب، ماهواره هایی با باندهای 1، 2 و 3 (به عنوان مثال، هیماواری 8) و ماهواره هایی با 21 باند (مانند Sentinel 3 A/B) وجود دارند. بنابراین، انتخابهای متنوعی از نظر سنسورها یا پلتفرمهای ماهوارهای، GSD وجود دارد که هر بار برای یک تحقیق کاربردی یا تحقیقاتی مناسبتر است. جدول بعدی ( جدول 2 معروف ترین ماهواره های EO را با مشخصات اصلی آنها (سال پرتاب، تعداد باندها، وضوح مکانی، ارتفاع و روزهای بازدید مجدد) ارائه می دهد.
با این وجود، چالشی که باید از نظر برنامه های ماهواره ای مورد توجه قرار گیرد، در واقع تجمیع زمان بر بودن دانلودها و تولید داده ها است. دومی که مستلزم ارسال ماهواره های جدید و ادغام آنها در تشکیلات موجود است. در عین حال تلاش در جهت ارتقای اختیارات مکانی گیرنده ها (و در نتیجه محصولات) این ماهواره ها لازم است که برای دستیابی به این امر نیاز به نسل جدیدی از سنسورها (فرستنده و گیرنده) در تجهیزات ماهواره ای است. علاوه بر این، یکی از اهداف احتمالی آینده برای محصولات نظارت بر محیط زیست، تلاش برای کاهش خطای آنها خواهد بود، که همانطور که گفته شد، در حال حاضر در مستندات محصول در حال تکامل است.
7 دیدگاه ها