بررسی امکان برآورد غلظت رسوب معلق با استفاده از تصاویر sentinel-2msi در حوزه آبخیز گاماسیاب

مقدمهمیزان رسوبات و مواد معلق به همراه آب جاری یکی از دغدغه‌های مهم در طراحی سازه‌های هیدرولیکی مانند کانال‌ها، دریچه‌ها و توربین‌های سدها است. این موضوع از جنبه‌های دیگر مانند حفظ کیفیت خاک در زمین‌های کشاورزی، رسیدگی به مسائل زیست‌محیطی و مدیریت منابع آب برای شرب و صنعت بسیار حائز اهمیت است. در این راستا، تصاویر ماهواره‌ای برای تخمین و پایش کیفیت آب رودخانه‌ها (به‌ویژه غلظت بار معلق)، منابع آلودگی و حرکت آن‌ها استفاده می‌شود. آن‌ها به‌طور همزمان منطقه وسیعی از منطقه مورد مطالعه را پوشش می‌دهند و بازتاب طیفی پدیده‌های زمینی را نیز ثبت می‌کنند و راندمان بالایی دارند. به‌طور کلی تحقیقات انجام شده در زمینه رابطه بین بازتاب طیفی آب (ثبت شده در تصاویر ماهواره‌ای) و غلظت بار معلق نشان می‌دهد که بین طول موج قرمز و مادون قرمز با غلظت بار معلق همبستگی وجود دارد، که می‌توان از این باندها به‌عنوان شاخصی در ارزیابی و تخمین میزان غلظت بار معلق استفاده نمود. از طرفی روش مناسب برای یافتن مدل محلی غلظت رسوب معلق استفاده از داده‌های میدانی جمع‌آوری شده در طول تصویربرداری ماهواره‌ای است. بر همین اساس، در این مقاله، به برآورد رسوب معلق با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای سنتینل-2 در رودخانه‌ با عرض کم پرداخته شده است.مواد و روش‌هادر این تحقیق برآورد غلظت رسوب معلق با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای سنتینل-2  در رودخانه‌های کم عرض مورد بررسی قرار گرفته است. به‌منظور بررسی همبستگی میان بازتاب طیفی باندهای تصاویر سنتینل-2 و غلظت رسوب معلق از آمار غلظت رسوبات معلق ایستگاه پل‌چهر واقع در رودخانه گاماسیاب استان کرمانشاه در دوره پنج ساله (1394 تا 1398) همزمان با آن‌ها استفاده شد. بدین منظور گستره‌ای از مقادیر مختلف رسوب از غلظت 0.44 میلی‌گرم بر لیتر تا 118.86 میلی‌گرم بر لیتر استفاده شده است. از مجموع 24 تصویر مناسب با روزهای اندازه‌گیری غلظت رسوب معلق چهار تصویر به‌دلیل ابری بودن و دو تصویر با انعکاس غیرعادی بالاتر از بقیه حذف شدند. در نهایت 18 تصویر ماهواره‌ای مربوط به سیل استفاده شد، که از 12 تصویر (70 درصد داده‌ها) برای استفاده در مرحله واسنجی و 6 تصویر (30 درصد) در مرحله اعتبارسنجی مورد استفاده قرار گرفت در این مطالعه ارزش‌های مربوط به پیکسل‌های تصاویر منطبق بر داده‌های موجود هیدرومتری پل‌چهر در دو حالت تک باند و نسبت باند استخراج شد و مدل‌های رگرسیونی (خطی، نمایی و چند جمله‌ای) مناسب برازش داده شد  و دقت و صحت این مدل‌ها بررسی شده است. در نهایت، نوع الگوریتم حاکم بر غلظت رسوب معلق در رودخانه گاماسیاب تعیین شد.نتایج و بحثدر این تحقیق از 8 باند ماهواره سنتینل-2 به‌صورت تک باند و نسبت باند استفاده شد. نتایج نشان داد که غلظت رسوب معلق در ایستگاه پل‌چهر از 0.44 میلی‌گرم بر لیتر تا 118.86 میلی‌گرم بر لیتر متغیر بوده است. بر اساس نتایج، مشخص شد که تاریخ‌هایی با مقادیر بازتاب بالاتر، غلظت رسوب معلق اندازه‌گیری شده بالاتری داشتند. بیشترین میزان بازتاب از سطح آب در باند پنج (703 نانومتر) و b8a مشاهده شد. همچنین، از مدل‌های به‌دست‌آمده، مشخص شد که در مورد تک باند، نتایج بهتری نسبت به زمانی که نسبت باند استفاده می‌شد، به دست آمد. مدل نمایی مربوط به باند 5 که همبستگی بالاتری با تمام مقادیر رسوب داشت و ضریب تعیین برابر 0.83 به دست آمد. برای ارزیابی نتایج پژوهش حاضر از ریشه میانگین مربعات خطای شاخص ارزیابی استفاده شد که مقدار آن برای باند 5 برابری 33.95 بود. مشخص شد که مدل‌سازی پارامتر رسوب معلق با دقت مناسبی انجام شده است. نتایج مطالعه حاضر نشان داد که تصاویر ماهواره‌ای می‌تواند برای ارزیابی پایش کیفیت آب مفید باشد. علاوه بر این، پژوهش حاضر نشان داد که سنتینل-2  می‌تواند به‌عنوان ابزاری مناسب برای تخمین غلظت رسوب معلق با دقت قابل‌قبولی در حوضه‌های کوچک مقیاس و شرایط سیلابی استفاده شود.نتیجه‌گیری نتایج نشان داد که تصاویر ماهواره سنتینل-2 و معادلات به دست آمده در پژوهش حاضر برای محاسبه غلظت رسوب معلق در حوزه آبخیز گاماسیاب استان کرمانشاه مناسب است. بر اساس نتایج مشخص شد که نه مدل برای منطقه مورد مطالعه دارای ضرایب تعیین و مقادیر خطای قابل‌قبول و مناسب بودند. از میان مدل‌های به‌دست آمده مشخص شد که در حالت تک باند نتایج بهتری بدست آمد نسبت به حالتی که نسبت باندی مورد استفاده قرار گرفته شد. هم چنین نتایج نشان داد که مدل نمایی مربوط به باند پنج که همبستگی بیشتری با کلیه مقادیر رسوبات داشت که از این معادلات می توان برای تخمین غلظت رسوب معلق از تصاویر ماهواره ای سنتینل-2 در حوضه آبخیز گاماسیاب استان کرمانشاه در مواقعی که امکان جمع‌آوری داده‌های میدانی وجود ندارد، استفاده کرد. مطالعه حاضر به عنوان مرجعی برای تحقیقات آتی در بررسی و برآورد رسوبات معلق با استفاده از داده‌های ماهواره‌ای مفید خواهد بود. علاوه بر این، با توجه به اهمیت رسوب معلق در کیفیت آب و اثرات آن بر محیط زیست و اقتصاد منطقه، استفاده از روش‌های تخمین رسوب معلق با استفاده از داده‌های ماهواره‌ای می‌تواند به عنوان روشی سریع و کارآمد برای پایش کیفیت آب در رودخانه‌های کم عرض استفاده شود.

estimation of suspended sediment concentration in gamasiab watershed based on sentinel-2 msi data

introduction the amount of sediment and suspended materials, along with flowing water, is one of the important concerns in the design of hydraulic structures, such as channels, valves, and turbines of dams. this issue is very important from other aspects, such as maintaining the quality of soil in agricultural lands, addressing environmental issues, and managing water resources for drinking and industry. satellite images, are used to estimate and monitor the water quality of rivers (especially the concentration of suspended load), the sources of pollution, and their movement. they cover a large area of the study area simultaneously, and they also record the spectral reflection of terrestrial phenomena. they have high efficiency. in general, research conducted in the field of the relationship between the spectral reflectance of water (recorded in satellite images) and the concentration of suspended load shows that there is a correlation between the red and infrared wavelengths with the concentration of suspended load. this correlation can be used as an indicator in the evaluation of these bands and to estimate the amount of suspended load concentration. the proper method to find the local model of suspended sediment concentration is to use field data collected during satellite imaging. in this article, the estimation of suspended sediment using sentinel-2 satellite images in a narrow river has been discussed.materials and methods in this research, the estimation of suspended sediment concentration using sentinel-2 satellite images in low latitude rivers has been investigated. in order to investigate the correlation between the spectral reflectance of the sentinel-2 image bands and the concentration of suspended sediment, the statistics of the concentration of suspended sediments at the polchehr station, located in the gamasiab river of kermanshah province, in a five-year period (1394 to 1398) were used simultaneously with them. for this purpose, a range of different amounts of sediment has been used, from a concentration of 0.44 mg/liter to 118.86 mg/liter. out of the total of 24 images suitable for the days of measurement of suspended sediment concentration, four images were removed due to cloudiness, and two images with abnormal reflection higher than the others. finally, 18 satellite images related to floods were used, of which 12 images (70% of the data) were used in the calibration stage, and 6 images (30%) were used in the validation stage. in this study, the pixel values of the images corresponding to the hydrometry data of polchehr were extracted in two modes: single band and band ratio. suitable regression models (linear, exponential, and polynomial) were fitted, and the accuracy of these models has been checked. finally, the type of algorithm governing the concentration of suspended sediment in gamasiab river was determined.results and discussion in this research, 8 bands of the sentinel-2 satellite were used as single bands and band ratios. the results showed that the concentration of suspended sediment in the polchehr station varied from 0.44 mg/liter to 118.86 mg/liter. based on the results, it was found that dates with higher reflectance values had higher measured suspended sediment concentrations. the highest amount of reflection from the water surface was observed in band five (703 nm) and b8a. also, from the obtained models, it was found that in the case of a single band, better results were obtained than when the band ratio was used. the exponential model related to band 5, which had a higher correlation with all sediment values, and the coefficient of determination was obtained as 0.83. to evaluate the results of the current research, the root mean square error of the evaluation index was used, and its value was 33.95 for the 5-fold band. it was found that the modeling of the suspended sediment parameter was done with proper accuracy. the results of the present study showed that satellite images can be useful for evaluating water quality monitoring. in addition, this study showed that sentinel-2 can be used as a suitable tool for estimating suspended sediment concentration with acceptable accuracy in small-scale watersheds and flood conditions.conclusion the results showed that the sentinel-2 satellite images and the equations obtained in the present research are suitable for calculating the suspended sediment concentration in the gamasiab watershed of kermanshah province. based on the results, it was found that nine models for the studied area had acceptable and suitable coefficients of determination and error values. among the obtained models, it was found that better results were obtained in the single-band mode than in the mode where the band ratio was used. also, the results showed that the exponential model related to band 5, which had a higher correlation with all the sediment values, can be used to estimate the suspended sediment concentration from sentinel-2 satellite images in the gamasiab watershed of kermanshah province when it is possible to collect no field data. the present study will be useful as a reference for future research in investigating and estimating suspended sediments using satellite data. in addition, considering the importance of suspended sediment in water quality and its effects on the environment and economy of the region, the use of suspended sediment estimation methods using satellite data can be used as a fast and efficient way to monitor water quality in narrow rivers.