بررسی و کمی سازی تغییرات سنجه‏های سیمای سرزمین با استفاده از سنجش از دور و شاخص‏های تنوع زیستی (مطالعه موردی: منطقه حفاظت شده دز)

فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 46، پاییز 97

بررسی و کمی سازی تغییرات سنجه‏های سیمای سرزمین با استفاده از سنجش از دور و شاخص‏های تنوع زیستی (مطالعه موردی: منطقه حفاظت شده دز)

آتوسا سلیمانی[1]^*

Soleimani.a@ut.ac.ir

مجید حجتی[2]

چکیده

امروزه به دلیل عدم استفاده منطقی از سرزمین، تبدیل، تغییر پوشش و کاربری زمین در سرزمین­ها روند رو به رشدی داشته است. بررسی و کمی سازی این تغییرات می‏تواند در برنامه‏ریزی و مدیریت پایدار سرزمین ضروری باشد، لذا در این مطالعه از سنجه‏های سیمای سرزمین به­عنوان ابزارهایی کمی‏ساز برای بررسی تغییرات و وضعیت سرزمین استفاده شده است. سنجه‏های مورد بررسی از نوع توزیع مکانی و ترکیب بندی لکه ها می باشد. منطقه حفاظت شده دز واقع در استان خوزستان نیز به عنوان مطالعه موردی این تحقیق انتخاب شده است. به منظور تهیه نقشه­­های پوشش­ سرزمین و تحلیل تغییرات، به ترتیب، تصاویر ماهواره لندست 7 مربوط به سنجنده TM و تصاویر ماهواره لندست 8 مربوط به سنجنده ETM+ و متریک‏های تعداد لکه، تراکم لکه، تراکم حاشیه، بزرگ‏ترین لکه، شکل سیمای سرزمین، کل حاشیه و شاخص‏های تنوع گونه‏ای و یکنواختی گونه‏ای شانون و سیمپسون و برای تجزیه و تحلیل سنجه‏ها در سطح کلاس از نرم­افزار Fragstats 4.2 و Envi استفاده شده است. نتایج بررسی و مقایسه سنجه‏ها نشان داد که وسعت اراضی دارای پوشش گیاهی در منطقه کاهش یافته، درحالی‏که اراضی خاکی روند افزایشی دارد. کاهش وسعت پوشش گیاهی و افزایش اراضی خاکی بیان‏گر تخریب پوشش طبیعی منطقه طی سال‏های مورد مطالعه می‏باشد. همچنین کاهش سنجه‏های تعداد لکه و سنجه تراکم لکه و افزایش سنجه تراکم حاشیه نشان از افزایش تخریب پوشش های طبیعی این منطقه حفاظت شده و افزایش مرز مشترک با کاربری های اطراف خود دارد.

کلمات کلیدی: سنجه‏، سیمای سرزمین، تجزیه و تحلیل مکانی، سنجش از دور، منطقه‏ حفاظت شده دز.

Investigation and Quantification of Variations of Landscape Measures using Remote Sensing and Biodiversity Indices

 (Case Study: Dez Protected Area)

Atousa Soleimani^[3]*(Corresponding Author)

Soleimani.a@ut.ac.ir

Majid Hojati[4]

Abstract

Nowadays the continuous irrational use of land has led to increase transformation, variation of land use and vegetation. Examining and quantifying these variations can be necessary for planning and sustainable management of land. Thus, in the present study, landscape measures were used as quantifying tools for investigation of land condition and variation. Here, patch spatial distribution and composition measures were used. The case study was Dez protected area, which is located in the Iranian Khuzestan Province. In order to prepare land cover and variation analysis maps, the satellite images of Landsat 7 from the TM sensor and Landsat 8 related to ETM+ sensor images were used respectively. Number of Patches (NP), Patch Density (PD), largest patch index, landscape shape, and total edge (TE) metrics, and diversity indices of Shannon and Simpsons were used. The class-level landscape patterns were analyzed using Fragstats 4.2 and Envi. The results show that the extent of vegetated land of the region has decreased, whereas the scope of land with no vegetation is on the rise. The decrease of vegetation and increase of bare soil indicate the destruction of the region's natural cover during the studied years. The decrease of NP and PD measures and increase of edge density shows the increasing destruction of natural land cover of the region, and its increasing common border with other peripheral areas that have different land use.

Key Words: Measures, Landscape, Spatial Analysis, Remote Sensing, Dez Protected Area.

مقدمه

تغییرات پوشش/کاربری زمین در نتیجه فعل و انفعالات پیچیده فاکتورهای ساختاری و عملکردی مرتبط با تقاضا، ظرفیت تکنولوژیکی و ارتباطات اجتماعی، اثرات گسترده‏ای بر سیمای سرزمین دارد (1). درسال‏های اخیر به دلیل عد‏م ‏استفاده منطقی از سرزمین (2)، تبدیل و تغییر در نوع استفاده از سرزمین در کشور روند رو به رشدی داشته است. توسعه شهرنشینی و گسترش بیابان زایی نمونه‏هایی از این تخریب‏ها هستند. بنابراین با توجه به آثار منفی ناشی از استفاده نامناسب از سرزمین، شناخت تغییرات سیمای سرزمین در طی زمان برای ارزیابی اثرات محیط زیستی ناشی از توسعه، پیش‏بینی تغییر سیمای سرزمین، ارزیابی نتایج استراتژی‏های مختلف مدیریتی و شناسایی مناطق حساس به منظور طرح‏ریزی و مدیریت پایدار سرزمین ضروری است.

سنجه‏های سیمای سرزمین الگوریتم‏هایی برای کمی کردن خصوصیات مکانی لکه ها، کلاس­ها، یا موزاییک‏های کل‏سیمای‏سرزمین هستند. سنجه‏ها بهترین راه برای مقایسة وضعیت‏سیمای‏سرزمین‏های مختلف است. سنجه‏های سیمای سرزمین جهت یافتن الگوی نقشه‏های طبقه بندی شده، به شاخص‏هایی توسعه یافته تقسیم شده‏اند (3). این سنجه‏ها می‏توانند به‏عنوان اساس مقایسه سناریوهای متفاوت سیمای سرزمین، یا شناخت تغییرات وضعیت سیمای سرزمین در طی زمان باشند. سنجه‏ها ابزار مناسبی برای طراحی و یافتن ارتباط دقیق بین ساختار و عملکرد کاربری های مختلف سیمای سرزمین هستند (4). توجه به منظرهای طبیعی و فرهنگی سیمای سرزمین توسط محققان، سیاست‏مداران و مدیران مناطق حفاظت شده روز به روز در حال افزایش است. تغییرات در سیمای سرزمین به‏طورکلی ارزش‏های ملی و میراثی و منابع غیرقابل جبران را تحت تاثیر قرار می‏دهد (5). به دنبال توسعه سامانه های اطلاعات جغرافیایی و در دسترس قرار گرفتن تصاویر ماهواره ای، پیشرفت های زیادی در کمی سازی محیط زیست از نظر معیارهای سیمای‏سرزمین صورت گرفته است (6و7). درسال‏های اخیر مطالعات زیادی از مزایای سنجه‏های سیما‏ی‏سرزمین جهت برنامه ریزی و مدیریت سرزمین بهره برده اند که بیشینه این مطالعات از سنجه های سیما جهت بررسی تغییرات پوشش سرزمین به ویژه در کشورهای آمریکا و چین استفاده نموده‏اند (8).

دنگ و همکاران در سال ۲۰۰۹ از تکنیک‏های سنجش از دور، آشکارسازی تغییرات و سنجه های سیمای سرزمین از قبیل تعداد لکه، تراکم لکه، تراکم حاشیه، شاخص بزرگ‏ترین لکه، میانگین مساحت لکه، شاخص شکل سیمای سرزمین و شاخص تنوع شانون، به ارزیابی تغییرات سرزمین در یک دوره ده‏ساله واقع در ۱۹۹۶ الی 2006 در شهر هانگزو سواحل شرقی چین پرداختند (9). دی باروس و همکاران با استفاده از سنجه‏های اندازه، شکل، تراکم، توزیع و همسایگی تخریب سریع جنگلهای‏آمازون را در روندونیا برزیل بررسی نمودند و اظهار داشتند درصورت ادامه این روند تا سال 2020 وسعت چشم‏گیری از این‏جنگل‏ها رو به نابودی خواهند رفت (10).

در ایران نیز مطالعاتی مبنی بر استفاده از سنجه‏های سیمای‏سرزمین صورت گرفته است تحلیل تخریب سیمای‏سرزمین حوزه آبخیز نکا با استفاده از سنجه های اکولوژی سیمای‏سرزمین توسط طالبی امیری و همکاران (1388)، مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داده که با توجه به وقوع سیلابهای‏متعدد در حوزه آبخیز نکاء احتمالا تخریب پوشش گیاهی طبیعی، افزایش وسعت اراضی بایر و چرای بی‎رویه دام باافزایش سطوح اراضی نفوذناپذیر و کاهش قابلیت نگهداشت بارش، ضریب رواناب سطحی را در منطقه افزایش داده است (11).

کرمی و فقهی (1390)، به کمی سازی سنجه های سیمای‏سرزمین در استان کهگیلویه و بویراحمد با هدف بررسی ساختاراولیه سیمای سرزمین و روند تغییرات آن در آینده پرداختند. دراین تحقیق از سنجه های توزیع مکانی و ترکیب بندی لکه ها در سطح کلاس و سیمای سرزمین استفاده کرده‏اند (12). افزایش بی سابقه سرعت تغییرات، بزرگی و فراوانی آن‏ها درمناطق حفاظت شده و زیستگاه گونه‏های در خطر انقراض باعث نگرانی‏هایی در این زمینه شده (13)، لذا هدف از این تحقیق تحلیل تغییرات سرزمین منطقه حفاظت شده دز در یک دوره زمانی 13 ساله به منظور شناخت وضعیت این منطقه به کمک بررسی و کمی سازی سنجه های سیمای سرزمین است. مطالعات انجام شده در منطقه حفاظت شده دز که خاستگاه گوزن زرد در ایران است، فاقد بررسی سنجه‏های سیمای‏سرزمین جهت پایش تغییرات سرزمین است، اهمیت این موضوع از آن جهت می‏باشد که از دست دادن پیوستگی ماتریس زیستگاه و تغییر آن در نتیجه تغییر سیمای‏سرزمین باعث شکسته شدن زیستگاه‏های پیوسته گونه‏های درخطر‏انقراض، به یک سری از لکه‏های تکه تکه شده کوچک‏تر می‏شود که این امر باعث افزایش جدا افتادگی بین لکه‏های زیستگاهی شده و امکان جابجایی و پراکندگی گونه‏ها در سیمای سرزمین را دچار اختلال خواهد کرد. بنابراین مطالعه‏حاضر جهت بررسی وضعیت تخریب سیمای طبیعی و پایش، برنامه ریزی و مدیریت تغییرات در این منطقه ضرورت می‏یابد.

روش بررسی

منطقه مورد بررسی

منطقه حفاظت شده دز در شهرستان دزفول، بخش مرکزی قرارگرفته است. شروع جنگل در غرب از 15 کیلومتری شهر دزفول است. منطقه حفاظت شده دز در امتداد رودخانه دز به صورت طولی با طول حدود 150کیلومتر کشیده شده است. این منطقه شامل دو قسمت شمالی و جنوبی است که 3214 و 15497هکتار وسعت دارند (شکل 1). پناهگاه حیات وحش و منطقه حفاظت شده دز از سال 1346 تحت مدیریت و برنامه‏های حفاظتی سازمان حفاظت محیط زیست قرارگرفته‏است ولی بخش دیگری از این جنگل‏ها در حوالی روستاهای زاویه و عباس‏آباد در امتداد جنگل‏های دز تحت حفاظت قرار ندارد (14).

شکل 1- موقعیت منطقه حفاظت شده دز در ایران و استان خوزستان

منطقه نواری شکل دز به‏طور کلی در اراضی مسطح دو طرف رودخانه واقع شده و فاقد هرگونه کوه و دره است. اطراف منطقه‏دز را اراضی مسطحی اشغال نموده که به‏علت برخورداری از خاک‏حاصل‏خیز، دارای کشاورزی آبی مکانیزه است. حیات‏وحش جانوری بخش وسیع و مهم و زنده این اکوسیستم به‏حساب می‏آید که علی رغم وجود عوامل تهدید کننده محیطی و تشدید پدیده توسعه اقتصادی و اجتماعی از تنوع خیره کننده ای برخوردار بوده است که از نظر اکولوژیک زیبا شناختی سهم‏عمده‏ای از منطقه دز را به خود اختصاص داده است

طبقه­بندی تصاویر

به منظور بررسی روند تغییرات در محدوده مطالعاتی، از تصاویر ماهواره لندست 7 مربوط به سنجنده TM (سال 2000) و تصاویر ماهواره لندست 8 مربوط به سنجنده ETM⁺ (سال 2014) استفاده شد. پس از انجام تصحیحات هندسی و تبدیل داده‏ها به رادیانس، تصحیحات اتمسفری بر روی این تصاویر با استفاده از FLAASH در نرم افزار Envi صورت گرفت. درنهایت با استفاده از روش  بیشینه احتمال و نیز با استفاده از نقاط آزمایشی، با توجه به هدف تحقیق و نوع پوشش‏های موجود در منطقه تصاویر در سه طبقه (آب، خاک و پوشش‏گیاهی) دسته‏بندی شدند. از آنجایی که صحت آشکارسازی تغییرات رخ داده به دقت نقشه‏های تولیدی سال‏های مختلف وابسته است، بنابراین برآوردی از دقت نقشه‏های تولیدی الزامی است. بنابراین، ضریب کاپا و دقت کلی برای تمامی نقشه‏های تولیدی محاسبه شد. شکل 2 فرآیند پردازش و طبقه بندی تصاویر ماهواره ای این تحقیق را نشان می­دهد. نتایج حاصل از صحت سنجی تصاویر ماهواره‏ای نیز در جدول 1 آورده‏ شده است.

جدول 1- نتایج حاصل از صحت سنجی تصاویر ماهواره‏ای در سال‏های مورد بررسی

انتخابسنجه هایسیمایسرزمین

پس از تهیه نقشه­های پوشش زمین، سنجه‏های سیمای‏سرزمین جهت بررسی تغییرات سیمای سرزمین در منطقه‏موردمطالعه باید انتخاب شود، که جهت کمی کردن آن‏ها طی سال‏های مورد بررسی از نرم افزار Fragstats 4.2 استفاده شده است. یکی از مسایل استفاده از این سنجه‏ها، انتخاب سنجه مناسب از میان تعدد سنجه‏ها است (15،17). به طور معمول سنجه‌ها در سه سطح تعریف شده و محاسبه می‌شوند (18):

1)  سنجه‌های سطح لکه‌ها: برای لکه‌های منفرد تعریف‏شده، ویژگی‌های مکانی و بافت لکه را مورد نظر قرار‏می‌دهند.

2)  سنجه‌های سطح طبقات: در مورد مجموعه لکه‌های مربوط به طبقه‌ای خاص محاسبه می‌شوند.

3)  سنجه‌های سطح سیمای سرزمین: این سنجه‌ها درکل محدوده محاسبه شده و برایند ویژگی‌های لکه‌ها و طبقات هستند (19).

در این پژوهش سنجه‏های تعداد لکه، تراکم لکه، تراکم حاشیه، بزرگ‏ترین لکه، شکل سیمای سرزمین و کل حاشیه به عنوان سنجه‏های سیمای سرزمین انتخاب شدند. از سوی دیگر، شناخت تنوع زیستی امکان بررسی عوامل موثر بر زیستگاه ها را میسر می‏سازد و با استفاده از شاخص‏های تنوع زیستی می‏توان به کنترل و ارزیابی روند تغییرات در اکوسیستم منطقه پرداخت. شاخص‏های تنوع زیستی، میزان فراوانی یک گونه در یک محیط انتخابی را به صورت یک ارزش واحد نشان می‏دهند. از  این‏شاخص‏ها می‏توان برای ارزیابی سه جنبه از ساختار جامعه استفاده کرد.

1)       تعداد گونه‏ها

2)       تعداد کل ارگانیزم های موجود از هر گونه یا فراوانی

3)       یکنواختی در گسترش گونه های مختلف یا یکسانی

ارزش این روش‏ها بر این فرض استوار است که با افزایش آلودگی در یک اکوسیستم، کاهش تعداد گونه‏های حساس سبب کاهش پارامترهای دیگر شده و در نتیجه سبب کاهش تنو ع در جامعه می‏گردد. یکی از شاخص‏های مهم تنوع زیستی که در ارزیابی زیستگاه ها از آن استفاده زیادی می‏شود، شاخص تنوع گونه‏ای است. امروزه نسبت تعداد گونه ها  و کل افراد در یک جامعه را به عنوان تنوع گونه‏ای تعریف می‏کنند که میزان آن به ثبات محیط زیست بستگی دارد (20).

یکنواختی گونه‏ای نیز، چگونگی توزیع فراوانی افراد را در بین گونه‏ها نمایش می‏دهد. به عبارت دیگر، یکنواختی بیان‏گر میزان تعادل در فراوانی گونه ها است. در این مطالعه شاخص‏های تنوع گونه‏ای و یکنواختی گونه‏ای سیمپسون  و شانون  مورد بررسی قرار گرفتند.

روش‏های تحلیل عاملی منجر به کاهش حجم داده‏ها و منجر به تعیین مهم­ترین متغیرهای مؤثر در شکل­گیری پدیده‏ها می‏شوند (18). از تحلیل مؤلفه‏های اصلی  در فضای نرم افزار SPSS 21.0 به منظور تعیین تعداد مؤلفه‏های غیر وابسته و در مرحله بعد تعیین سنجه‏های زیر گروه هرکدام از مؤلفه ها و مشخص نمودن مناسب ترین سنجه‏ها جهت تحلیل تغییرات سیمای سرزمین استفاده شده است.

شکل 2- فرآیند پردازش و طبقه بندی تصاویر ماهواره‏ای

در این رویکرد ابتدا تناسب جامعه به­وسیله آزمون آماری KMO [5] سنجیده شد، سپس به منظور بهبود روابط بین سنجه‏های و مؤلفه های اولیه و بهبود توانایی تفکیک سنجه‏ها برای عضویت در مؤلفه ها از دوران Varimax استفاده شده است (21)؛ در این مرحله تعداد مؤلفه‏های اصلی که قادر باشند توصیف جامعی از متغیرها داشته باشند تعیین می‏شوند و متغیرها با توجه به درجه عضویت در زیر گروه این عوامل قرار می‏گیرند. در نهایت از روی بیشِنه درجه عضویت، متغیرها‏ اصلی در هر مؤلفه تعیین می‏شوند (15). در این تحقیق با مرور منابع و مطالعات مشابه صورت گرفته، از شش سنجه سیمای‏سرزمین به علت توانایی آن‌ها در تفسیر ترکیب و توزیع فضایی عناصر ساختاری در سیمای سرزمین استفاده شده است که عبارتند از:

-    تعداد لکه: این سنجه تعداد لکه‏های کاربری زمین را در واحد سطح نشان می‏دهد (3).

-  تراکم لکه: این سنجه الگوی سیمای سرزمین را نشان داده و بیان‏گر تعداد لکه در واحد سطح (در هر صد هکتار) است. تراکم لکه، مقایسه سیمای سرزمین با سطوح مختلف را ساده‌تر می‌کند (22).

-    تراکم حاشیه: محیط هر کلاس تقسیم بر سطح آن را نشان می‏دهد (23).

-    شاخص بزرگ‌ترین لکه:درصدی از سیمای سرزمین که توسط بزرگ‌ترین لکه اشغال شده، یک اندازه‌گیری ساده از چیرگی است (22).

-  شاخص شکل سیمای سرزمین: نسبت محیط طبقه به‏حداقل محیط ممکن برای یک طبقه با حداکثر تجمع (انباشتگی) بوده است که این امر زمانی اتفاق می‌افتد که طبقه تا حد ممکن در یک لکه فشرده شده باشد. هرچه طبقه پراکنده‌تر شود، این سنجه بدون محدودیت افزایش می‌یابد. این‏ سنجه فاقد واحد است (22).

-  شاخص کل حاشیه: اندازه مطلق طول حاشیه کل یک کلاس معین است. مقادیر آن بزرگ‏تر مساوی یک است و واحد آن به متر است. حاشیه کل هنگامی برابر صفر است که سیمای‏سرزمین فاقد حاشیه کلاس است و کاربر در کل سیمای‏سرزمین هیچ مرزی از سیمای‏سرزمین را به عنوان حاشیه‏ای که مورد تیمار قرار گیرد در نظر نمی‏گیرد (24).

هدف استفاده از شاخص‏های تنوع زیستی، رسیدن به کمیتی واحد جهت سهولت مقایسه، مطالعه و ارزیابی جمعیت‏ها و اکوسیستم‏ها است و در نهایت این شاخص‏ها، قادرند داده‏های‏پراکنده را آن قدر در یکدیگر ادغام کنند تا کمیتی واحد را تشکیل دهند. شاخص‏های تنوع گونه‏ای بر اساس فراوانی نسبی گونه‏ها عمل می‏کنند و شاخص یکنواختی، نحوه پـراکنش و توزیـع جهـت افراد گونه‏ها را نشان مـی‏دهـد. هـر چـه توزیـع گونـه‏هـا یکنواخت‏تر باشد، میزان پایداری و ثبات بیش‏تر بوده، در نتیجه تنوع زیسـتی بیشـ‏تر خواهـد بـود. در این مطالعه شاخص‏های تنوع گونه‏ای و یکنواختی گونه‏ای با استفاده از توابع شانون (25) و سیمپسون (26) مورد استفاده قرار گرفتند.

نتایج

در این بخش از تحقیق، نتایج مراحل مختلف در روند انجام تحقیق ارایه می‏شود:

پوشش اراضی منطقه

نتایج حاصل از طبقه بندی تصاویر منطقه حفاظت شده دز در شکل 3 و 4 آورده شده است. مقایسه دو نقشه پوشش اراضی نشان می‏دهد که پوشش گیاهی منطقه در سال 2014 با مساحت 6620 هکتار نسبت به سال 2001، 54/5 درصد کاهش داشته است. میزان آب رودخانه دز نیز در سال 2014 با کاهشی 47/4 درصدی مواجه شده، همچنین اراضی خاکی منطقه نیز نسبت به سال 2001، به میزان 1718 هکتار معادل 01/10 درصد افزایش یافته‏اند (جدول2).

شکل3- تصویر طبقه‏بندی از منطقه‏حفاظت شده دز سال 2001شکل4: تصویر طبقه‏بندی از منطقه‏حفاظت شده

در  سال2014

جدول 2-مساحت طبقات مورد بررسی بر حسب درصد و هکتار

تجزیه و تحلیل سنجه‏ها سیمای سرزمین

تناسب سنجه ها برای ورود به آزمون PCA برآورد شد (KMO= 0.68) و  مولفه‏های اصلی برای توصیف کل سنجه‏ها تعیین گشت که در مجموع قادرند 20/85 درصد واریانس جامعه را توصیف کنند. سنجه های اصلی مورد استفاده در این‏تحقیق و برخی خصوصیات آن‏ها و تغییرات آن‏ها طی سال‏های مورد بررسی در جدول 3 آورده  شده است.

جدول 3-خصوصیات سنجه های سیمای سرزمین مورد مطالعه و تغییرات آنها طی بازه زمانی مورد بررسی

سنجه تعداد لکه (NP) در سال 2014 نسبت به سال 2001 کاهش داشته است. تراکم لکه (PD) نیز در سال 2014، کاهش پیدا کرده است. این در حالی است که سنجه‏های تراکم حاشیه (ED)، بزرگ‏ترین لکه (LPI)، شکل سیمای سرزمین (LSI) و کل حاشیه (TE) نسبت به سال 2001 افزایش یافته‏اند (جدول 4). شاخص تنوع و یکنواختی گونه‏ای شانون و سیمپسون نیز روند رو به کاهشی داشته اند (شکل 5).

شکل 5-نتایجبررسی شاخص‏هایتنوعو یکنواختی منطقه حفاظت شده دز طی سال‏های مورد بررسی

بحث و نتیجه‏گیری

از آنجایی که سیمای سرزمین دارای الگوی پیچیده‏ای است، نیاز به سنجه‏های متنوعی جهت کمی سازی و تحلیل این‏الگوها است. نتایج بررسی و مقایسه سنجه‏های سیمای سرزمین طی سال‏های مورد بررسی نشان می‏دهد که وسعت اراضی دارای پوشش گیاهی در منطقه کاهش یافته، درحالی‏که اراضی‏خاکی با روند افزایشی روبرو بوده است. کاهش وسعت پوشش گیاهی و افزایش اراضی خاکی بیان‏گر تخریب پوشش طبیعی منطقه می‏باشد که آ