GIS و مدیریت منابع طبیعی

1. معرفی
2. جنگل ها
3. تجزیه و تحلیل حوزه آبخیز
4. مدیریت حیات وحش
5. تجزیه و تحلیل چشم انداز

1. معرفی

مدیریت منابع طبیعی مستلزم ادغام سیستم های پیچیده و متنوعی است که GIS می تواند نقش مهمی در آن ایفا کند (Mallawaarachchi، و همکاران 1996). GIS می تواند یکپارچه کننده بزرگ باشد زیرا بسیاری از مسائل ذاتاً فضایی هستند. مکان‌های مورد علاقه یا ویژگی‌های منحصربه‌فرد باید در رابطه با هویت دیگران ترسیم و تحلیل شوند تا ویژگی‌هایی مشخص شود که به‌صورت جداگانه محقق نمی‌شوند. توانایی تجزیه و تحلیل فضایی برای ارائه اطلاعات در مورد مکان هایی که ویژگی ها با هم تداخل دارند و مناطق را به اشتراک می گذارند، در فواصل فاصله وجود دارند، یک بخش را به اشتراک می گذارند یا از یک مرز عبور می کنند، توابع اساسی تحلیل فضایی هستند. تحلیل فضایی پیشرفته‌تر مستلزم مدل‌سازی پیچیده‌تر است که در آن چندین لایه به طور یکنواخت یا با استفاده از وزن‌ها برای تأکید بر اهمیت ترکیب می‌شوند (تیت، 2018).

مدیریت منابع طبیعی بر توانایی ارائه اطلاعات در مورد نحوه تعامل یک منبع با دیگران یا اینکه چگونه اقدامات تحت تأثیر انسان در محیط طبیعی منجر به تغییرات در منابع طبیعی می شود متکی است. تحلیل فضایی ابزاری حیاتی برای کمک به مدیریت منابع طبیعی است. در تحلیل فضایی، به طور کلی توانایی کشف اطلاعات در مورد داده های مکانی بر اساس رابطه مکان آن با سایر داده های مکانی است. یکی از کاربردهای اصلی استفاده از GIS در مدیریت منابع طبیعی در زمینه مقابله با مخاطرات زیست محیطی مانند سیل، رانش زمین، فرسایش خاک و خشکسالی بوده است (Grunstrabe, 2017). توقف این رویدادها ممکن نیست، اما می توان از GIS برای کاهش یا کاهش تأثیر آنها استفاده کرد. این را می توان با استفاده از GIS برای نقشه برداری و تجزیه و تحلیل پوشش زمین و ویژگی های زمین انجام داد. تشخیص تغییر معمولاً در GIS شطرنجی انجام می‌شود می‌تواند نشان دهد که کدام نوع پوشش زمین و کاربری‌ها در تاریخ‌های مختلف تغییر کرده‌اند و علل و همچنین پیامدهای مرتبط با اثرات بالقوه را بررسی می‌کند. مدل‌هایی را می‌توان برای انجام تحلیل سناریو ساخت که در آن ورودی‌ها برای نشان دادن پیش‌بینی فعلی یا آینده تغییر می‌کنند و تأثیرات آبشاری تغییر در اجرای مدل را تعیین می‌کنند.

بسیاری از ویژگی هایی که زیربنای ذاتی مدیریت منابع طبیعی است، از کاربری و پوشش زمین است. زمین یک منبع بسیار اساسی برای همه کاربری های انسانی است که نیازهای انسانی (اجتماعی-اقتصادی) و ویژگی ها و فرآیندهای زیست محیطی (بیوفیزیکی) را برآورده می کند (Atesmachew, 2018). زمین منبعی است که باید به شیوه ای پایدار مورد استفاده قرار گیرد تا اطمینان حاصل شود که منافع حاصل از پوشش و کاربری موجود برای نسل های آینده در دسترس است. به خوبی پذیرفته شده است که کاهش منابع طبیعی عواقب زیادی دارد. برخی از آنها فوراً مورد توجه قرار نمی گیرند مانند افزایش هزینه زندگی، تغییر در الگوهای آب و هوا، و کاهش مزایای اقتصادی، اجتماعی و فرهنگی که در نتیجه استفاده از زمین به دست آمده است (GIS Lounge, 2019).

2. جنگل ها

پوشش اراضی جنگلی یک منبع طبیعی است که با مدیریت صحیح به بسیاری از جنبه های محیطی منتفع می شود. مک‌کندری و ایستمن (1991) طرح اولیه فعالیت‌های ارزیابی جنگل‌داری را ارائه می‌کنند که شامل: فهرست‌بندی برای برداشت، سوخت، غذا، تفریح ​​و اهداف حفاظتی است. آنها همچنین به اهمیت توپوگرافی، خاک، هیدرولوژی و آب و هوا برای نظارت بر تغییرات جنگل ها که می تواند در طول زمان رخ دهد، اشاره می کنند. شیوه های جنگلداری پایدار شامل برداشت و زمان بندی مناسب برای اطمینان از حداکثر شدن تنوع گونه ها و عملکرد است. GIS می تواند از طرق مختلف به این فرآیند کمک کند.

با نقشه برداری از پوشش زمین به عنوان جنگل، تجزیه و تحلیل تغییر را می توان با رویکرد مبتنی بر شطرنجی با استفاده از روش های تجزیه و تحلیل فضایی در یک GIS انجام داد. یکی از ساده‌ترین رویکردها، طبقه‌بندی مجدد نقشه‌های پوشش اراضی به مناطق جنگلی و غیر جنگلی به ترتیب 1 و 0 است. در مرحله بعد، منطقه جنگلی قاب زمان دوم را می توان به عنوان 5 و 0 طبقه بندی کرد که در آن 5 جنگل و 0 منطقه غیر جنگلی است. برای تعیین تغییر، می توان از ماشین حساب شطرنجی برای کم کردن یک شبکه از شبکه دیگر که بخشی از جبر شبکه ای است استفاده کرد. مؤلفه مهم این است که مطمئن شوید غیر جنگلی همیشه 0 است و دوره های دو زمانی مقادیر متفاوتی در کلاس جنگل دارند. در مثال برای مناطق جنگلی و غیر جنگلی ما، اما کم کردن شبکه جنگلی جدید (5،0) از شبکه جنگلی قدیمی (0،1) به مقادیری منجر می شود که شامل [-5، -4، 0] است. مناطق صفر از هر دو سال غیرجنگل خواهند بود و -5 جنگل جدید و 1 جنگل گم شده خواهد بود. از میان مناطق جنگلی از دست رفته، همیشه مفید است که ابتدا مناطق جنگلی از دست رفته (یعنی 1) را پیدا کنید و آن را در جدیدترین پوشش زمین ضرب کنید تا مشخص شود که پوشش جنگلی به چه چیزی تبدیل شده است. حالا دیگر جنگلی نبود چون قطع شد و زمین بایر شد؟ آیا به محل معدن، محوطه چاه یا مزرعه کشاورزی تبدیل شده است؟ گاهی اوقات در محدوده شهری/روستایی، جنگل ها به دلیل ساخت و ساز مناطق مسکونی که عمدتاً مناطق پر اشغال هستند از بین می روند. این مثال نمونه ای است که می تواند با استفاده از هر دوره زمانی مختلف داده های پوشش زمین انجام شود. 1) و آن را در جدیدترین پوشش زمین ضرب کنید تا مشخص شود که پوشش جنگلی به چه چیزی تبدیل شده است. حالا دیگر جنگلی نبود چون قطع شد و زمین بایر شد؟ آیا به محل معدن، محوطه چاه یا مزرعه کشاورزی تبدیل شده است؟ گاهی اوقات در محدوده شهری/روستایی، جنگل ها به دلیل ساخت و ساز مناطق مسکونی که عمدتاً مناطق پر اشغال هستند از بین می روند. این مثال نمونه ای است که می تواند با استفاده از هر دوره زمانی مختلف داده های پوشش زمین انجام شود. 1) و آن را در جدیدترین پوشش زمین ضرب کنید تا مشخص شود که پوشش جنگلی به چه چیزی تبدیل شده است. حالا دیگر جنگلی نبود چون قطع شد و زمین بایر شد؟ آیا به محل معدن، محوطه چاه یا مزرعه کشاورزی تبدیل شده است؟ گاهی اوقات در محدوده شهری/روستایی، جنگل ها به دلیل ساخت و ساز مناطق مسکونی که عمدتاً مناطق پر اشغال هستند از بین می روند. این مثال نمونه ای است که می تواند با استفاده از هر دوره زمانی مختلف داده های پوشش زمین انجام شود.

بیشتر جنگل ها به عنوان بخشی از مجموعه داده های پوشش زمین ملی به صورت برگریز، مختلط یا مخروطی نقشه برداری می شوند. این امر بسیاری از مدل‌های احتمالی یا پیش‌بینی حیات وحش را محدود می‌کند که ممکن است به انواع جنگل‌های خاصی برای درک بهتر و نقشه‌برداری دامنه و گستره گونه‌ها نیاز داشته باشند. یک راه برای استنباط جوامع پوشش گیاهی جنگل از طریق تجزیه و تحلیل شکل زمین است. شکل‌های زمینی مختلف ممکن است به دلیل شرایط محیطی مختلف، انواع گونه‌های گیاهی را ایجاد کنند. درختان خاص با شیب های مختلف و اشکال مختلف زمین مرتبط هستند. به عنوان مثال، در یک تجزیه و تحلیل شکل زمین بسیار ساده، درختان صنوبر قرمز مخروطی مناطق سایه دار و مرطوب را ترجیح می دهند که درختان بلوط برگریز مناطق خشک تر را دوست دارند. مناطق مرطوب و خشک را می توان از واحدهای زمین اکولوژیکی لندفرم محاسبه کرد که می تواند شامل قله های گرد، قله صاف، پایین شیب، صخره، شیب جانبی، تاج شیب، شیب بالایی، شیب یارو/کشش/پایه، مسطح خشک، صاف مرطوب، تخت مرطوب (رودخانه یا نهر). یکی از رویکردها برای ارتباط این واحدهای زمین اکولوژیکی یا شکل‌های زمین با جنگل‌های شرقی شامل رویکرد نشان‌داده‌شده در شکل 1 است.

شکل 1. روابط شکل زمین جنگل شرقی به گونه های جنگلی. منبع: نویسنده 

در حالی که این روابط فقط برای استنباط گونه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد، این رویکرد می‌تواند به مدیریت و برنامه‌ریزی جنگل کمک کند، زمانی که جنگل‌های بالاترین محصول با زمین منظره ترجیحی مطابقت داشته باشند.

3. تجزیه و تحلیل حوضه

یکی دیگر از کاربردهای GIS و منابع طبیعی که از تحلیل زمین استفاده می کند، مدیریت آبخیز است. GIS می تواند ابزار ارزشمندی برای کمک به شناسایی تنش های منطقه ای مانند تنش های ناشی از رسوب، زیستگاه ساحلی، زهکشی معدن، رسوب اسیدی، فسفر و نیتروژن باشد. چارچوب مبتنی بر حوضه برای تنظیم و مدیریت کیفیت آب یک رویکرد یکپارچه برای رسیدگی به منابع آلودگی است که کیفیت رودخانه‌ها، نهرها و دریاچه‌ها را تخریب می‌کند. این رویکرد به مدیریت کیفیت آب ریشه های قانونی خود را در قانون آب پاک (CWA) در سال 1972 دارد. در حالی که نگرانی های کیفیت آب در بیست سال اول CWA بر منابع نقطه ای متمرکز بود، هدف اعلام شده CWA پاکسازی و محافظت از آب های ایالات متحده از هر دو منبع آلودگی نقطه ای و غیر نقطه ای (NPS) بود. اهمیت پرداختن به منابع غیر نقطه ای و سهم آنها در مشکلات کیفیت آب آشکار شده است. در اکثر ایالت‌های ایالات متحده، مشکل آلودگی NPS بر فهرست جریان‌های آسیب‌دیده که مصارف تعیین‌شده خود را برآورده نمی‌کنند، غالب است. خوشبختانه، رویکرد مبتنی بر حوضه که مشکلات نقطه و NPS را ادغام می‌کند، می‌تواند با گنجاندن همه منابع احتمالی آلودگی شناسایی‌شده، به بهبود کیفیت آب کمک کند. بسیاری از مطالعات منطقه ای و محلی از چارچوب حوضه در ترکیب با GIS برای کمک به تجزیه و تحلیل کیفیت آب و مدیریت حوضه استفاده کرده اند. رویکرد مبتنی بر حوضه که مشکلات نقطه و NPS را ادغام می‌کند می‌تواند با گنجاندن همه منابع احتمالی آلودگی شناسایی‌شده به بهبود کیفیت آب کمک کند. بسیاری از مطالعات منطقه ای و محلی از چارچوب حوضه در ترکیب با GIS برای کمک به تجزیه و تحلیل کیفیت آب و مدیریت حوضه استفاده کرده اند. رویکرد مبتنی بر حوضه که مشکلات نقطه و NPS را ادغام می‌کند می‌تواند با گنجاندن همه منابع احتمالی آلودگی شناسایی‌شده به بهبود کیفیت آب کمک کند. بسیاری از مطالعات منطقه ای و محلی از چارچوب حوضه در ترکیب با GIS برای کمک به تجزیه و تحلیل کیفیت آب و مدیریت حوضه استفاده کرده اند.

GIS یک ابزار ارزشمند برای مدیریت منابع آب نشان داده شده است. ارتفاع که تعیین کننده زمین است یک مجموعه داده مهم است. از ارتفاع، می توان حوضه های آبخیز را ترسیم کرد، جریان را از یک نقطه ردیابی کرد، مسیرهای جریان متناوب را پیدا کرد و مناطق زهکشی را محاسبه کرد. استفاده از GIS در چرخه هیدرولوژیکی می تواند به عنوان نقشه برداری مسیر جریان زمینی یا سطح به عنوان رواناب در نظر گرفته شود. استفاده از ارتفاع و پردازش برای ایجاد جهت جریان، انباشت جریان و دستورات طول جریان، بینش زیادی را در مورد ردیابی سهم و مناطق آب ارائه می دهد. غلظت میانگین رویداد را می توان به انواع پوشش زمین برای پیش بینی بارگذاری در یک سلول و به طور تجمعی در سراسر چشم انداز نسبت داد. مدل‌های جریان که ورودی‌های بیشتری از چرخه هیدرولوژیکی را در نظر می‌گیرند، برآوردهای کیفیت آب را بهبود می‌بخشند. توانایی ترسیم حوضه ها از یک نقطه مشخص شده توسط کاربر، برای هر دسترسی رودخانه، یا توسط یک منطقه زهکشی تعیین شده، می تواند به مدیران منابع کمک کند تا تجزیه و تحلیل تجمعی را با مرتبط کردن اختلال چشم انداز به گستره منطقه زهکشی یا حوضه آبریز انجام دهند و سپس آن را به اثرات پایین دست مرتبط کنند. حوزه های آبخیز یک واحد تحلیلی کلیدی برای بررسی مسائل کیفیت آب هستند. مسائل مقیاس ما را ملزم می کند که حوضه های کوچکتر را برای مسائل محلی مشخص کنیم. خوشبختانه، همیشه پیشرفت‌های بیشتری در حال انجام است و داده‌های رادار تشخیص و تصویربرداری نور (LiDAR) برای همه ایالت‌ها بیشتر در دسترس است. حوزه های آبخیز یک واحد تحلیلی کلیدی برای بررسی مسائل کیفیت آب هستند. مسائل مقیاس ما را ملزم می کند که حوضه های کوچکتر را برای مسائل محلی مشخص کنیم. خوشبختانه، همیشه پیشرفت‌های بیشتری در حال انجام است و داده‌های رادار تشخیص و تصویربرداری نور (LiDAR) برای همه ایالت‌ها بیشتر در دسترس است. حوزه های آبخیز یک واحد تحلیلی کلیدی برای بررسی مسائل کیفیت آب هستند. مسائل مقیاس ما را ملزم می کند که حوضه های کوچکتر را برای مسائل محلی مشخص کنیم. خوشبختانه، همیشه پیشرفت‌های بیشتری در حال انجام است و داده‌های رادار تشخیص و تصویربرداری نور (LiDAR) برای همه ایالت‌ها بیشتر در دسترس است.

4. مدیریت حیات وحش

یکی دیگر از کاربردهای GIS و منابع طبیعی که مدیران اعمال می‌کنند، شاخص‌های تناسب زیستگاه است که سعی می‌کند نیازهای زیستگاهی خاص گونه‌های ماهی/حیات وحش را تعیین کند. استفاده از GIS برای این موفقیت برای نقشه‌برداری از عناصر کلیدی زیستگاه، تخصیص امتیازها یا مقادیر به هر عنصر و ترکیب یا همپوشانی برای به دست آوردن نتایج بسیار مهم است. استفاده از GIS در جمع آوری داده ها برای سیستم های آبی با زیستگاه های زمینی متفاوت است. برخی از نمونه‌هایی از ویژگی‌های زیستگاه آبی شامل پوشش زمین اطراف، پوشش گیاهی ساحلی، عمق آب، کیفیت آب، بستر، شیب – شیب رودخانه، انواع بخش دره، زمین‌شناسی (ماسه سنگ در مقابل سنگ آهک) است. داده ها و تکنیک های GIS را می توان برای توصیف ویژگی های چشم انداز برای ارزیابی کیفیت و کمیت زیستگاه استفاده کرد. برخی از نمونه‌های ویژگی‌های زیستگاه زمینی که از ارتفاع به دست می‌آیند عبارتند از شیب، جنبه، شاخص شکل زمین و آنهایی که از عکس های هوایی به دست می آیند شامل پوشش زمین، پوشش گیاهی، ترکیب توده جنگلی، سن و اندازه توده، و تنوع پوشش زمین، تنوع و اکثریت هستند. با شاخص‌های تناسب زیستگاه، توسعه مدل‌هایی برای گونه‌هایی که متناسب با محدوده‌های محافظه‌کارانه (تخمین کم) یا لیبرال (تخمین بالا) هستند، اغلب مفید است. شاخص های تناسب زیستگاه یا (HSIs) توسط خدمات ماهی و حیات وحش ایالات متحده برای ارزیابی کیفیت و کمیت زیستگاه برای گونه های حیات وحش منفرد ایجاد شده است. مدل‌های HSI مبتنی بر محاسبه امتیازهای مرتبط با متغیرهایی هستند که نیازهای گونه‌های خاص (مانند غذا، پوشش) را نشان می‌دهند که برای هر گونه بسیار خاص است. یک امتیاز کلی HIS از 0 تا 1 است که در آن 1 مناسب‌ترین است. مدل هایی برای بیش از 150 گونه وجود دارد. برخی از مدل ها خود را به استفاده از GIS برای تعیین کمیت متغیرهای خاص می دهند. همه متغیرها در یک HIS معین را نمی توان در GIS یافت. بسیاری از آنها بسیار خاص هستند و به زیست شناس حیات وحش نیاز دارند تا مکان را فهرست کند و یادداشت های میدانی برای متغیر خاصی که باید وجود داشته باشد تا گونه احتمالاً استفاده کند یا در آن مکان باشد، تهیه کند.

5. تجزیه و تحلیل چشم انداز

کاربردهای مدیریت منابع طبیعی GIS که قبلاً مورد بحث قرار گرفت برای جنگل‌ها، تجزیه و تحلیل حوزه‌های آبخیز، و مدیریت حیات وحش، همگی دارای اجزای تجزیه و تحلیل منظر هستند. تجزیه و تحلیل منظر همچنین می تواند به رشته مدیریت منابع طبیعی خود فکر کند. مناظر در حوزه حیات وحش با تعیین اینکه چگونه این گونه می تواند با یک اختلال در مقیاس بزرگ مانند آتش سوزی یا سیل مقابله کند، مهم هستند. پس از یک دوره بهبود، اگر چشم انداز ظرفیت کافی داشته باشد، بازیابی سریع تر و کامل تر است تا جمعیت گونه ها وجود داشته باشد. هنگامی که منظره تلاش می کند تا ترکیب خود را همانطور که توسط ویژگی ها و ارزش های آن تعریف شده است حفظ کند، یک اختلال در مقیاس بزرگ دیگر احتمالاً به این معنی است که جمعیت قادر به تداوم نیست. نیاز به اندازه گیری اندازه، وسعت، ترکیب، تنوع، اکثریت، و غیره از مناظر که هدف، مزیت یا گونه خاصی را برآورده می کنند. منظره‌ای که دست نخورده‌تر باشد و ویژگی‌های منحصربه‌فرد و مهمی برای جمعیت داشته باشد، رویداد اختلال را حفظ می‌کند.

برای اندازه گیری یک چشم انداز در مقابل چشم انداز دیگر، هدف مطالعه معیارهای چشم انداز است. رابطه الگو و فرآیند بررسی می شود. این رویکرد به معنای واقعی کلمه بر روی صدها شاخص از الگوهای چشم انداز اعمال شده است. برخی از ملاحظات مهم هنگام استفاده از متریک های چشم انداز این است که مناظر به صورت مجزا وجود ندارند. آنها در مناظر بزرگتر تودرتو هستند. همچنین درجاتی از باز بودن سیستمی وجود دارد که در آن از منظر ژئومورفولوژی، حوضه یک سیستم بسته است. با این حال، برای جمعیت پرندگان، حوضه یک سیستم باز است. مهمترین ملاحظات در هنگام تجزیه و تحلیل دو چشم انداز مختلف، مقیاس در یک بررسی اکولوژیکی است. مقیاس چشم انداز باید به صراحت تعریف شود و الگو یا روابط مربوط به مقیاس باید درک شود.

چهار دسته اصلی از الگوهای منظر که برای داده‌های مکانی اعمال می‌شوند، الگوهای نقطه‌ای مکانی، الگوهای شبکه خطی، الگوهای سطحی و الگوهای نقشه طبقه‌ای هستند (McGarigal et al. 2012). در الگوهای نقطه ای مکانی، تحلیلگر به مکان نقاط علاقه مند است. آیا نقاط خوشه ای، تصادفی یا پراکنده هستند؟ این اولین سوالی است که باید در مورد کیفیت یا کمیت امتیازها پرسید. برای الگوهای شبکه خطی، می توان از نقشه نهرها یا مناطق ساحلی برای توصیف ساختار فیزیکی استفاده کرد. سوالات در الگوهای شبکه خطی مربوط به تراکم راهرو، اتصال، دسترسی بالادست و پایین دست یا تفاوت ترتیب پیوند است. در الگوهای سطحی، هیچ مرز مشخصی در تحلیل استفاده نمی شود. وصله ها مشخص نشده اند، ما به دنبال وابستگی های فضایی بین ویژگی ها و همسایگان آنها هستیم. برخی از نمونه‌های مجموعه داده که در آن الگوی سطح تحلیل می‌شود شامل ارتفاع، بارش و سایر داده‌های پیوسته است. الگوهای نقشه طبقه بندی شده احتمالاً رایج ترین اشکال تحلیل الگوی منظر هستند. مجموعه داده های پوشش زمین را می توان به عنوان ورودی برای یافتن موزاییک تکه های پوشش گسسته استفاده کرد. هدف، توصیف ترکیب و پیکربندی فضایی منظر است. خصوصیات در ترکیب بندی قرار می گیرد که در آن ویژگی هایی با تنوع و فراوانی انواع پچ مرتبط است، اما محل قرارگیری، ویژگی ها یا محل تکه ها در موزاییک در نظر گرفته نمی شود. رویکرد دیگر توصیف، پیکربندی فضایی است که به شخصیت فضایی و ترتیب، موقعیت یا جهت‌گیری تکه‌ها در کلاس یا منظره اشاره دارد.

کاربردهای GIS در مدیریت منابع طبیعی فقط به مواردی که در اینجا برای جنگل‌ها، تجزیه و تحلیل حوضه‌های آبخیز، مدیریت حیات وحش و تجزیه و تحلیل منظر مورد بحث قرار گرفته‌اند محدود نمی‌شود. پیشرفت‌های زیادی در زمینه‌های GIS و تحلیل فضایی وجود دارد که حاصل طرح پرسش‌های فضایی توسط متخصصان حوزه‌های کاربردی منابع طبیعی است. GIS ابزار بین رشته ای عالی است. در حالی که رشته جغرافیا بسیاری از علم مکان یابی را ارائه می دهد، همچنین توسط دیگرانی که از فناوری و ابزار برای حل مشکلات استفاده می کنند، به شدت افزایش یافته است. آینده همچنان با نوآوری در این زمینه هدایت خواهد شد زیرا محققان و متخصصان بیشتر مهارت های فضایی خود را تقویت می کنند و علم خود و GIS و تجزیه و تحلیل فضایی را پیش می برند.