مدلسازی و پیش‌بینی سری زمانی شاخص‌های خشکسالی با روش‌های یادگیری ماشین به‌منظور مدیریت مخاطرات (مطالعۀ موردی: منطقۀ شرقی اصفهان)

نوع مقاله: پژوهشی کاربردی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری سنجش از دور، گروه مهندسی نقشه‌برداری، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی نقشه‌برداری، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران، ایران

چکیده

خشکسالی پدیده‌ای پیچیده و مخاطره‌آمیز در کل جهان به­ویژه ایران به‌شمار می‌آید. تعیین و پیش­بینی شدت خشکسالی می‌تواند در مدیریت مخاطرات ناشی از آن مؤثر باشد. برای تعیین شدت خشکسالی از شاخص­هایی استفاده شده که به دو دستۀ کلی شاخص­های هواشناسی و سنجش از دور تقسیم می‌شوند. مهم‌ترین شاخص­ هواشناسی، شاخص بارش استانداردشده (SPI) و در شاخص­های سنجش از دور نیز، شاخص­های مستخرج از پوشش گیاهی (NDVI) و شاخص دمای سطح زمین (LST) بوده است. برای مدلسازی رفتار سری زمانی این شاخص‌ها و همچنین پیش­بینی مقادیر آیندۀ آنها، روش­های یادگیری ماشین توانسته­اند کارایی زیادی از خود نشان دهند. این مقاله نیز قصد دارد کارایی چهار روش مهم یادگیری ماشین یعنی شبکۀ عصبی (NN)، رگرسیون بردار پشتیبان (SVR)، ماشین بردار پشتیبان کمترین مربعات (LSSVM) و همچنین یک سیستم فازی بر پایۀ شبکۀ عصبی تطبیقی (ANFIS) را برای مدلسازی شاخص­های هواشناسی و سنجش از دور منطقۀ شرقی اصفهان از سال 2000 تا 2014 و پیش­بینی مقادیر آنها در 2015 و 2016 بررسی کند. داده­های به­کاررفته، سری زمانی NDVI و LST ماهوارۀ مادیس و سری زمانی دادۀ میزان بارش ماهواره TRMM منطقۀ مطالعاتی است. در ابتدا، سری زمانی شاخص­های وضعیت گیاهی (VCI) و شاخص پوشش گیاهی دمایی (TVX) از داده­های NDVI و LST و سری زمانی SPI-دوازده‌ماهه از داده­های مقدار بارش ساخته شده است. در ادامه رفتار این سه سری زمانی، توسط هر چهار روش یادشده مدلسازی شده که مطابق با نتایج، SVR بیشترین کارایی و NN کمترین کارایی را در بین این روش­ها داشته است. سرعت عملکرد LSSVM و سپس ANFIS نیز بیشتر از سایر روش­ها بوده است. در پایان، با طراحی یک سیستم استنتاج فازی (FIS)، وضعیت خشکسالی در دو فصل بهار و تابستان 2000 تا 2016 بررسی شده که نتایج نشان از نرمال­بودن وضعیت بهار در همۀ سال­ها به­جز دو سال 2000 و 2011 و خشکسالی شدید تابستان در همۀ سال­ها به‌جز چهار سال 2000، 2010، 2011 و 2014 داشته است. در واقع این پژوهش قصد داشت به‌کمک روش­های یادگیری ماشین و استفاده از سری زمانی داده­های سنجش از دور و هواشناسی و تلفیق آنها در یک سیستم FIS، راهکاری را برای مدلسازی رفتار خشکسالی و پیش­بینی و پایش آن در آینده ارائه دهد.

کلیدواژه‌ها


 
 

منابع

[1].ابراهیم­زاده، سجاد؛ بذرافشان، جواد؛ قربانی، خلیل (1392). امکان­سنجی تشخیص تغییرات پوشش گیاهی مبتنی بر شاخص­های زمینی و ماهواره­ای خشکسالی (مطالعۀ موردی: استان کرمانشاه)، مجلۀ هواشناسی کشاورزی، ج 1، شمارۀ 1: 48-37.
[2].ابریشم­چی، احمد؛ مهدیخانی، حسین؛ تجریشی، مسعود (1385). توسعۀ مدل تلفیقی غیرخطی پیش­بینی خشکسالی مبتنی بر شبکۀ عصبی مصنوعی و تبدیلات موجک، مطالعۀ موردی: زیرحوضۀ سد زاینده­رود، دومین کنفرانس مدیریت منابع آب، اصفهان، دانشگاه صنعتی اصفهان، انجمن علوم و مهندسی منابع آب ایران.
[3].آخوندزاده، مهدی (1384). تهیۀ نقشه‌های حرارتی سطح زمین با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای MODIS، پایان‌نامۀ کارشناسی­ارشد، دانشگاه تهران، پردیس دانشکده­های فنی، گروه مهندسی نقشه‌برداری.
[4].پویان­فر، احمد؛ فلاح­پور، سعید؛ عزیزی، محمدرضا (1392). رویکرد حداقل مربعات ماشین بردار پشتیبان مبتنی بر الگوریتم ژنتیک جهت تخمین رتبۀ اعتباری مشتریان بانک­ها، مجلۀ مهندسی مالی و مدیریت اوراق بهادار، شمارۀ 17: 158-133.
[5].جلیلی، شیدا؛ مرید، سعید؛ ضیائیان فیروزآبادی، پرویز (1387). مقایسۀ عملکرد شاخص­های ماهواره‌ای و هواشناسی در پایش خشکسالی، مجلۀ تحقیقات آب و خاک ایران. دورۀ 39، شمارۀ 1: 149-139.
[6].جویباری، یاسر (1393). تهیۀ نقشۀ ضریب گسیل و دما با استفاده از تصاویر ماهوارۀ لندست-8. پایان­نامۀ کارشناسی ­ارشد، دانشگاه تهران، پردیس دانشکده­های فنی، گروه مهندسی نقشه­برداری.
[7].سلیمانی، علی (1389). تحلیل خطرپذیری خشکسالی، پایان­نامۀ کارشناسی­ ارشد، دانشگاه تهران، پردیس دانشکده­های فنی، گروه مهندسی نقشه­برداری.
[8].غفوریان، ﻫادی؛ ثنائی­نژاد، سیدحسین؛ داوری، کامران (1392). بررسی تعیین مناطق مناسب جهت پایش خشکسالی با استفاده از داده­های ماهواره TRMM (مطالعۀ موردی: استان خراسان رضوی)، نشریۀ آب و خاک (علوم و صنایع کشاورزی)، ج 28، شمارۀ 3: 648-639.
[9].کارآموز، محمد؛ رسولی، کبیر؛ نظیف، سارا (1385). تدوین شاخص ترکیبی خشکسالی با استفاده از شبکه­های عصبی، دومین کنفرانس مدیریت منابع آب، دانشگاه صنعتی اصفهان، انجمن علوم و مهندسی منابع آب ایران.
[10]. گل­محمدی، محمدحسین؛ صفوی، حمیدرضا (1389). پیش­بینی سری­های زمانی تک­متغیرۀ هیدرولوژیکی با استفاده از سیستم فازی بر پایۀ شبکۀ عصبی تطبیقی، پنجمین کنگرۀ ملی مهندسی عمران، 14 تا 16 اردیبهشت 1389، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران.
[11]. محمدیان، آزاده؛ کوهی، منصوره؛ آدینه­بیگی، آرمان؛ رسولی، جواد؛ بذرافشان، بهاره (1389). مقایسۀ پایش خشکسالی با استفاده از شاخص­های SPI، DI و PNI و پهنه­بندی آنها (مطالعۀ موردی: استان خراسان شمالی)، مجلۀ پژوهش­های حفاظت آب و خاک، ج 17، شمارۀ 1: 184-177.
[12]. محمودی­ کهن، فرهاد (1389). مطالعۀ قابلیت شاخص­های گیاهی ماهواره­ای در پیش­بینی و آشکارسازی خشکسالی، پایان­نامۀ کارشناسی­ارشد، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی کرمان، دانشکدۀ عمران و نقشه­برداری، گروه سنجش­از‌دور.
[13]. مرادی، نسرین؛ کمالی، امیرجلال؛ مرادی، مهدی (1392). مقایسۀ دو مدل SVM و ANFIS در تخمین خشکسالی هواشناسی، اولین همایش ملی بهینه­سازی مصرف آب، گرگان.
[14]. نیک­بخت شهبازی، علیرضا؛ زهرایی، بنفشه؛ ناصری، محسن (1389). پیش­بینی خشکسالی اقلیمی در حوضۀ سدهای تهران با استفاده از SVM، چهارمین کنفرانس منطقه­ای تغییر اقلیم، تهران : 406-397.
[15].   Barua, S., Perera, B.J.C., Ng, A.W.M., Tran, D., (2010). Drought Forecasting Using an Aggregated Drought Index and Artificial Neural Networks, Journal of Water and Climate Change, Vol 1, pp 193–206.
[16].   Berhan, G., Hill, S., Tadesse, T., Atnafu, S., (2011), Using Satellite Images for Drought Monitoring: A Knowledge Discovery Approach, Journal of Strategic Innovation and Sustainability, vol 7(1), pp 135–153.
[17].   Bhuiyan, C., Singh, R.P., Kogan, F.N., (2006). Monitoring Drought Dynamics in the Aravalli Region (India) Using Different Indices Based on Ground and Remote Sensing Data, International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 8 (2006), pp 289–302.
[18].   Chen, C. -C., Lin, C. -J. (2010). LIBSVM: A library for support vector machines. Available from: http://www.csie.ntu.edu.tw/~cjlin/libsvm
[19].   Dastorani, M.T., Afkhami, H., Borroni, B., (2011). Application of Artificial Neural Networks on Drought Prediction in Yazd (Central Iran), Desert, Vol 16, pp 39–48.
[20].   Dastorani, M. T., Afkhami, H., Sharifidarani, H., Dastorani, M., (2010). Application of ANN and ANFIS Models on Dryland Precipitation Prediction (Case Study: Yazd in Central Iran), Journal of Applied Sciences, 10 (20), pp 2387–2394.
[21].   Gebrehiwot, T., Van der Veen, A., Maathuis, B., (2011). Spatial and Temporal Assessment of Drought in the Northern Highlands of Ethiopia, International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, Vol 13, pp. 309–321.
[22].   Jain, S.K., Keshri, R., Goswami, A., Sarkar, A., (2010). Application of Meteorological and Vegetation Indices for Evaluation of Drought Impact: A Case Study for Rajasthan, India, Natural Hazards, Vol 54, pp 643–656.
[23].   Jalili, M., Gharibshah, J., Ghavami, S.M., Beheshtifar, M.R., Farshi, R., (2014). Nationwide Prediction of Drought Conditions in Iran Based on Remote Sensing Data, IEEE Transactions on Computers, Vol 63, No 1.
[24].   Keskin, M.E., Terzi, O., Taylan, E.D., Kucukyaman, D., (2011). Meteorological Drought Analysis Using Artificial Neural Networks, Scientific Research and Essays, Vol 6, pp 4469–4477.
[25].   Khosravi, I., Mohammad-Beigi, M., (2014). Multiple Classifier Systems for Hyperspectral Remote Sensing Data Classification, Journal of the Indian Society Remote Sensing, Vol 42, Issue 2, pp 423–428.
[26].   Mishra, A.K., Desai, V.R., (2006). Drought Forecasting Using Feed-Forward Recursive Neural Network, Ecological Modelling, Vol 198, pp 127–138.
[27].   Muthumanickam, D., Kannan, P., Kumaraperumal, R., Natarajan, S., Sivasamy, R., Poongodi, C., (2011). Drought Assessment and Monitoring Through Remote Sensing and GIS in Western Tracts of Tamil Nadu, India, International Journal of Remote Sensing, 32:18, pp 5157–5176.
[28].   Nikhbakht Shahbazi, A., Heidarnejhad, M., (2012). Meteorological Drought Prediction in Karoon Watershed using Meteorological Variables, International Research Journal of Applied and Basic Sciences, Vol 3, No 9, pp 1760–1768.
[29].   Orhan, O., Ekercin, S., Dadaser-Celik, F., (2014). Use of Landsat Land Surface Temperature and Vegetation Indices for Monitoring Drought in the Salt Lake Basin Area, Turkey, The Scientific World Journal, Vol 2014.
[30].   Quiring, S. M., Ganesh, S., (2010). Evaluating the Utility of the Vegetation Condition Index (VCI) for Monitoring Meteorological Drought in Texas, Agricultural and Forest Meteorology, 150 (2010), pp 330–339.
[31].   Rahimzadeh-Bajgiran, P., Omasa, K., Shimizu, Y., (2012). Comparative Evaluation of the Vegetation Dryness Index (VDI), the Temperature Vegetation Dryness Index (TVDI) and the improved TVDI (iTVDI) for Water Stress Detection in Semi-Arid Regions of Iran, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 68 (2012), pp 1–12.
[32].   Rahmizadeh-Bajgiran, P., Shimizu, Y., Hosoi, F., Omasa, K., (2009). MODIS Vegetation and Water Indices for Drought Assessment in Semi-Arid Ecosystems of Iran, J. Agric. Meteorol. Vol 65, 4, pp 349–355.
[33].   Rulinda Coco, M., (2007). Mining Drought from Remote Sensing Images, MSc thesis, Geo-information Science and Earth Observation.
[34].   Sadri, S., Burn, D. H., (2012). Nonparametric Methods for Drought Severity Estimation at Ungauged Sites, Water Resources Research, Vol 48, pp 1–10.
[35].   Shirmohammadi, B., Moradi, H., Moosavi, V., Taei Semiromi, M., Zeinali, A., (2013). Forecasting of Meteorological Drought Using Wavelet-ANFIS Hybrid Model for Different Time Steps (Case Study: Southeastern Part of East Azerbaijan Province, Iran), Nat Hazards, Vol 2013, No 69, pp 389–402.
[36].   Song, X., Saito, G., Kodama, M., Sawada, H., (2004). Early Detection System of Drought in East Asia Using NDVI from NOAA AVHRR Data, International Journal of Remote Sensing, Vol 25, pp 3105–3111.
[38].   Zeng, L., Shan, J., Xiang, D., (2010). Monitoring Drought Using Multi-Sensor Remote Sensing Data in Cropland of Gansu Province.
[39].   Zhang, X., Zhang, T., Young, A.A., Li, X., (2014). Applications and Comparisons of Four Time Series Models in Epidemiological Surveillance Data, PLoS ONE, Vol 9, Issue 2, pp 1–16.