فهرست مطالب

شماره
عنوان
صفحه
   2-2-1-2-5
سنجنده MODIS

17
   2-2-1-2-6
اصول طراحی سنجنده MODIS

17
   2-2-1-2-7
کاربردهای داده های سنجنده MODIS

18
2-2-1-3
استفاده تلفیقی از داده های هواشناسی و سنجش از دور

18
2-3
پیشینه تحقیق

18
2-3-1
پیشینه تحقیق در جهان

18
2-3-2
پیشینه تحقیق در ایران

19
2-3-3
پیشینه تحقیق در محدوده تحقیق

20
فصل سوم
3-1
موقعیت جغرافیایی محدوده تحقیق

23
3-2
داده های تحقیق

27
3-2-1
منشاء بارندگی های استان گیلان

27
3-2-2
شبكه­ی ایستگاههای هواشناسی و منابع آماری مورد استفاده

27
3-2-3
انتخاب دوره­ی آماری مشترك داده های ایستگاههای هواشناسی

28
3-2-4
بازسازی و تکمیل آمار ایستگاههای هواشناسی

31
3-2-5
تصاویر ماهواره ای پوشش برف سنجنده Modis

31
3-2-5-1
سطح پوشش برف

31
 فهرست مطالب

شماره
عنوان
صفحه
3-2-5-2
تولیدات سطح پوشش برف توسط سنجنده Modis

32
3-3
روش اجرای تحقیق

34
3-3-1
پیش پردازش تصاویر ماهواره ای

34
3-3-2
تصحیح هندسی

34
3-3-3
الگوریتم مورد استفاده در استخراج سطوح پوشیده شده از برف

35
3-3-4
استخراج داده های سطوح پوشش برف

36
فصل چهارم
4-1
یافته های تحقیق

38
4-1-1
سیستم های هواشناسی اثرگذار در استان

38
4-1-2
بررسی و تحلیل دما

39
4-1-3
تبدیل داده های ایستگاههای هواشناسی به رستر

43
4-1-4
گرادیان تغییرات دما نسبت به ارتفاع

46
4-1-4-1
نمودارهای گرادیان متوسط دمای حداقل ها

48
4-1-4-2
نمودارهای گرادیان متوسط دمای حداکثرها

50
4-1-4-3
نمودارهای گرادیان متوسط دمای ماهانه

53
4-1-5
نقشه های تولید شده پوشش برف و خطوط ارتفاعی دمای صفر درجه

56
 فهرست مطالب

شماره
عنوان
صفحه
         فصل پنجم
5-1
بحث

64
5-2
نتیجه گیری

67
5-3
آزمون فرضیات

68
5-4
پیشنهادات

68
 
منابع و مآخذ

69
 
چکیده انگلیسی

71
چكیده

به دلیل نقش بسزای پوشش برفی در چرخه هیدرولوژیکی، بررسی خصوصیات پوشش برف (سطح پوشش برف) با تفکیک مکانی و زمانی بالا ضروری به نظر می رسد. اندازه گیری این پارامتر عموماً با استفاده از مشاهدات میدانی در ایستگاه های هواشناسی صورت می پذیرد. اما از آنجایی که ایستگاه های برف سنجی از توزیع مکانی مناسبی برخوردار نبوده و عموماً در ارتفاعات حوضه که تراکم برف و روزهای همراه با برف بیشتر است، تعداد این ایستگاه ها بسیار محدود است، بنابراین استفاده از روش های سنتی اندازه گیری زمینی از کارایی لازم برای پایش متناوب مشخصات فیزیکی برف برخوردار نمی باشند. از این رو، تعیین این پارامتر ها باید متکی بر روش هایی باشد که در تماس مستقیم با برف نبوده و به صورت غیر مستقیم تخمین قابل قبولی از این پارامتر ها را در اختیار ما قرار   می دهند. نقشه های توپوگرافی، تصاویر ماهواره ای 8 روزه MODIS و داده های اقلیمی دما و بارش روزانه و ماهانه ایستگاه های هواشناسی، ابزارها و داده های مورد استفاده در این پژوهش هستند. همچنین از نرم افزارهای Arc GIS و ERDAS IMAGINE و سایر نرم افزارها برای تجزیه وتحلیل داده ها استفاده شده است. در این راستا، با استفاده از این اطلاعات در یک دوره آماری 13 ساله از سال آبی 80-1379 لغایت 92-1391 و در ماه های آبان تا فروردین، با استفاده از آمار بارش برف روزانه، دماهای ماهانه (حداکثر، حداقل و متوسط)، خط پیشروی و پسروی برف در ماه های مختلف سال و پتانسیل سطوح تحت ریزش آن مشخص شد و با مقایسه با تصاویر سطح پوشش برف، خط برف مرز در سطح استان تعیین و بررسی گردید. نتایج نشان از تطابق بالای این خط در تصاویر ماهواره ای پوشش برف در ماه های آذر، دی، بهمن و اسفند با ارتفاع دمای صفر درجه مربوط به متوسط دمای ماهانه که نشان دهنده متوسط خطوط ذوب و ریزش برف روی زمین است، در همین ماهها می باشد.

واژگان كلیدی: خط برف مرز، نرم افزارهایArc GIS و ERDAS IMAGINE، تصاویر ماهواره ای MODIS.

 1-1. بیان مسأله و ضرورت انجام تحقیق

از آن جا كه تعیین محدوده های اقلیمی در نواحی كوهستانی به صورت سطوح ارتفاعی مورد توجه است، بنابراین ، توجه پژوهشگران معطوف به دستیابی ارقام ارتفاعی است كه گویای مرز مشخّص و تسلّط عوامل متفاوت فرسایشی است. به عبارت دیگر، تلاش در زمینه ی تعیین حدی است كه فراتر از آن، آثار عوامل فرسایش به صورتی متفاوت در محیط ظاهر شده باشند.

کنترل و مهار منابع محدود آب شیرین، از اولویت های اصلی برنامه ریزی برای منابع آب کشور می باشد. یکی از این منابع، نزولات جوی در ارتفاعات است که سهم بیشتری از آن را برف تشکیل می دهد. برف منبع مهمی برای جریان رودخانه ها در طی کلیه فصول سال در استان گیلان است.

وقوع خشكسالی های اخیر و كاهش شدید منابع آبی از یك سو و نقش و اهمیت نزولات برفی در تغذیه منابع آبهای زیر زمینی در مناطق كوهستانی ایحاب می كند كه به طریق ممكن و با اعمال تمهیدات لازم و مناسب، از منابع موجود حداكثر بهره برداری را به عمل آورد. حفظ آبهای سطحی و تلاش در جهت بیشتر نفوذ دادن آبهای ناشی از ذوب برف به خاك می تواند در این ارتباط موثر و مفید واقع گردد. با عنایت به اینكه بخش اعظم بارندگی ها در مناطق كوهستانی به شكل برف نازل می شوند مدیریت بر منابع برفی در نواحی كوهستانی از اهمیت زیادی برخوردار است.

در مناطق سرد، كوهستانی و مرتفع بخش اعظم بارندگی ها به شكل برف نازل می شوند. منابع آبی موجود در این قبیل مناطق، متأثر از میزان بارش برف بوده و غالباٌ از طریق آبهای حاصل از ذوب برف تغذیه می شوند و وضعیت بیلان آبی و رژیم آبدهی منابع آب موجود در این قبیل مناطق به میزان و سرعت ذوب برف و یا ماندگاری آن بر روی زمین و سطوح آبگیر و تغذیه آنها بستگی دارد.

ماندگاری برف بر روی زمین ارتباط مستقیم با شدت ذوب برف داشته و شدت ذوب برف نیز به دمای محیط (دمای هوا، دمای سطح زمین) و تداوم گرما (طول مدت روز) بستگی دارد. از طرفی دمای محیط به جهت شیب و ارتفاع منطقه و دمای سطح زمین نیز به جنس و رنگ آن وابسته است. معمولا اجسام تیره و كدر مقدار بیشتری گرمای ناشی از تابش خورشید را جذب می نمایند و طبیعتا در شرایط مشابه گرمتر از سطوح روشن می گردند. تراكم و عمق انباشته برف نیز در این فرایند بی تأثیر نبوده و به دلیل پایین بودن سرعت انتقال گرما، برف های متراكم و انباشته سرعت ذوب كمتری خواهند داشت.

   ذخایر برفی و آب معادل آن حدود یک سوم از آب مورد نیاز برای فعالیت های کشاورزی و آبیاری در سراسر کره زمین را تامین می کند. در کشور ما نیز این ذخایر در ارتفاعات می تواند به عنوان یک منبع غنی آب شیرین مورد توجه قرار گیرد. برف منبع مهمی برای جریان رودخانه ها در طی فصول بهار و تابستان است. تا کنون شناسایی دقیق این منبع شیرین و مهم آبی بدلیل کمبود اطلاعات و آمار مکفی میسر نبوده است. کمبود ایستگاههای هواشناسی در مناطق ارتفاعی، صعب العبور بودن مناطق کوهستانی، عدم وجود تجهیزات و امکانات مناسب جهت آماربرداری در این مناطق خصوصاً در ماههای سرد و برفی، دقت کم اطلاعات برداشت شده از ایستگاههای موجود در نواحی کوهستانی و … باعث عدم شناخت دقیق این منبع مهم آبی گردیده است.

استان گیلان با مساحتی معادل 14047 كیلومتر مربع، یکی از استان­های شمالی ایران است که در محدوده­ی جغرافیایی 11ً َ32 ˚48 تا 44ً 36َ ˚50 طول شرقی و 21ً َ33 ˚36 تا ً09 َ27˚38 عرض شمالی واقع گردیده و در بین دریای خزر و استان­های اردبیل، مازندران، زنجان و قزوین، محصور گردیده است.

ویژگی­های جغرافیایی استان گیلان و وجود سلسله جبال‌البرز و هم­جواری با دریای‌ خزر، باعث گردیده تا این استان، پرباران­ترین استان کشور محسوب گردد، به­طوری که بارندگی سالانه­ی آن در برخی از مناطق، از 2000 میلی­متر نیز تجاوز می­کند.

شرایط اقلیمی مناسب، خاك­های حاصل­خیز آبرفتی، رودخانه­های فراوان و پرآب، جنگل­های انبوه و وسیع و مراتع طبیعی این استان، زمینه­ی­ مساعدی را برای فعالیت­های كشاورزی و صنایع تبدیلی فراهم نموده است، به طوری که برخی از تولیدات و محصولات این ناحیه، نظیر برنج، توتون، چای، پیله­­ی ابریشم، بادام زمینی، زیتون، مركبات، فندق، دانه­های روغنی، گل و گیاه زینتی و …، نه تنها در سطح کشور، بلکه در سطح دنیا نیز از شهرت خاصی برخوردار است.

نگاهی اجمالی به وضعیت آبی استان گیلان، حکایت از شرایط مطلوب پتانسیل آبی منطقه دارد، به طوری که میزان بارش و رواناب این استان، حدود شش برابر متوسط کشور و تقریباً دو برابر متوسط جهانی است. اما با این وجود، به دلیل اینکه اکثر بارش­های منطقه در دو فصل پاییز و زمستان رخ می دهد و با توجه به کمبود زیرساخت­های آبی، در حال حاضر نمی­توان حتی از ۵۰ درصد پتانسیل آبی استان نیز استفاده نمود. به همین جهت، همه­ساله دغدغه­ی کم­آبی در فصل آبیاریِ محصولات کشاورزی، خصوصاً محصول استراتژیک برنج، که بیشتر آب مورد نیاز آن از باران تأمین می­گردد، کم و بیش وجود دارد.

استان گیلان دارای اقلیمی مرطوب و معتدل در مناطق دشت و اقلیمی سرد و نیمه خشک در مناطق کوهستانی است[1] و همواره در ماههای سرد سال ارتفاعات آن پوشیده از برف می باشد. این ریزش­ها عموماً از ابتدای آبان آغاز و تا اواخر فروردین ماه ادامه می یابد و تأثیر بسیار مهمی در تغذیه دبی های پایه رودخانه ها در فصول بهار و تابستان دارد.

در این تحقیق کوشش می گردد با استفاده تلفیقی از داده های موجود ایستگاههای هواشناسی در سطح استان و داده های تصاویر ماهواره ای پوشش سطح برف سنجنده MODIS از ماهواره TERRA برآورد نسبتاً دقیقی از مرز برف را در نواحی مرتفع استان در ماههای مختلف و برف گیر سال بدست آورد. تعیین سطوح پوشش برف در این نواحی می تواند کمک زیادی به برنامه ریزان منابع آبی جهت استفاده مطلوب از این منبع مهم آبی در سطح استان و خصوصاً مناطق مرتفع که در ماههای گرم سال با کم آبی مواجه می باشند، گردد.

1-2. سوال تحقیق

آیا استفاده تلفیقی از داده های ایستگاههای هواشناسی در کنار داده های تصاویر ماهواره ای سطح پوشش برف سنجنده MODIS برای تعیین خط برف مرز در نواحی کوهستانی استان باعث افزایش دقت نتایج می گردد؟

1-3. اهداف تحقیق

– استفاده از داده های ایستگاههای هواشناسی در کنار تصاویر ماهواره ای سطح پوشش برف سنجنده MODIS جهت افزایش دقت برآوردها در تعیین خط مرز برف در مناطق کوهستانی

– شناخت توانایی های نرم افزارهای Arc GIS و ERDAS IMAGINE در تعیین خط برف مرز

– استفاده از آمار بارش برف روزانه، دماهای ماهانه (حداکثر، حداقل و متوسط) برای مشخص کردن خط پیشروی و پسروی برف در ماه های سرد سال(آبان تا فروردین) و تعیین پتانسیل سطوح تحت ریزش آن.

1-4. فرضیه های تحقیق

با توجه به اهداف و سئوال اصلی تحقیق فرضیات زیر مورد بحث است و در این تحقیق تلاش براین است تا فرضیات مورد بحث و تبادل نظر قرار گیرد.

داده های تصاویر ماهواره ای پوشش برف 8 روزه سنجنده MODIS باعث افزایش دقت در تعیین خط برف مرز نواحی کوهستانی استان می گردد.
نرم افزارهای Arc GIS و ERDAS IMAGINE می توانند در تعیین دقیق تر نتایج کمک های زیادی در طی مراحل تحقیق نمایند.
نتایج بدست آمده از این تحقیق می تواند به شناسایی بهتر منبع آبی برف در مناطق کوهستانی کمک نماید.
1-5. محدودیت­ها و موانع تحقیق

همواره پژوهشگران در تحقیقات خود با محدودیت­هایی مواجه هستند. محدودیت­ها به عنوان یك واقعیت باعث كندی رسیدن به هر هدفی می­گردند، تحقیق حاضر نیز از این قاعده مستثنی نمی­باشد. لذا محدودیت­های اصلی این تحقیق عبارتند از:

1 – مشکلات ناشی از کمبود داده های هواشناسی خصوصا دما و بارش در مناطق ارتفاعی و صعب العبور بدلیل کمبود یا عدم وجود ایستگاههای هواشناسی در این مناطق

2 – عدم امکان استفاده از تصاویر سطح پوشش برف با دقت بالاتر از تصاویر بکار گرفته شده در این تحقیق بدلیل قیمت بالای آنها.

3 – داشتن توانایی و مهارت کافی جهت کار با نرم افزارهای سنجش از دور بدلیل پیچیدگی این نرم افزارها..

2-1. مقدمه:

برای تعیین خط برف در حوضه های آبخیزی که ایستگاه برف سنجی ندارد از عنصر دما استفاده می شود. از آنجا که رخداد پدیده برف در دمای صفر و کمتر از صفر اتفاق می افتد معمولا ارتفاع متناظر دمای صفر درجه سانتیگراد برای ماه های مختلف سال معادل خط برف در نظر گرفته می شود.  برای اینكار اطلاعات مربوط به دمای متوسط ماهانه برای ایستگاههای مورد مطالعه جمع آوری می شود. با استفاده از داده های میانگین دمای ماهانه و سالانه، گرادیان دما در حوضه مورد مطالعه تعیین می شود.  با فرض اینکه نزولات جوی در دمای صفر درجه سانتیگراد و پایین تر بصورت برف نازل می شوند، خط همتراز دمای صفر درجه در حوضه مشخص و ارتفاع مربوطه تعیین می شود. با تعیین خط صفر درجه و ترسیم آن بر روی نقشه حوضه بوسیله سیستم GIS می توان مساحت زیر پوشش برف و آب معادل برف را نیز محاسبه کرد. از این نظر برای هر ماه سه خط برف قابل محاسبه است.

1- ارتفاع دمای صفر درجه مربوط به متوسط حداقل ها، نشان دهنده حداقل ارتفاع خط ماندگاری برف بر روی زمین است.