بررسی تاثیر روش‌های مختلف تصحیح اتمسفری در برآورد زی‌توده جنگل با استفاده از شاخص‌های گیاهی

مقدمه و هدف: بازتاب سطح زمین به‌طور قابل توجهی تحت تاثیر شرایط جوی مانند بخار آب و ذرات معلق در هوا است. به ویژه، اثرات جذب و پراکندگی زمانی قوی تر می شوند که ویژگی های هدف، اجسام غیر درخشان مانند مناطق آبی یا پوشش گیاهی باشند؛ بنابراین به عنوان رویکرد سنجش از دور، تصحیح اتمسفر برای به حداقل رساندن این اثرات و تبدیل مقادیر عدد رقومی به بازتاب سطحی مورد نیاز است. این پژوهش با هدف بررسی چهار مدل تصحیح اتمسفریک، شامل (1) تفریق شئ تیره (dos)، (2) تحلیل اتمسفری خط دید سریع ابرمکعب‌های طیفی (flaash)، (3) شبیه‌سازی دوم سیگنال ماهواره‌ای در طیف خورشیدی (6sv)، (4) مدل تصحیح توپوگرافی اتمسفر (atcor) و مقایسه آنها با تصویر اصلی سنجنده oli برای تخمین مقدار زی توده روی زمینی (agb) جنگل سری 11 آواردیم حوزۀ نه شفارود استان گیلان انجام شد تا اثربخشی روش های تصحیح اتمسفریک برای ماهواره 8landsat  بررسی شود.مواد و روش ها: برای برآورد زی توده، تعداد 246 قطعه‌نمونه 3600 مترمربعی با ابعاد شبکه 300 × 300 متر به‌صورت منظم تصادفی در عرصه پیاده شد. برای نمونه برداری و پیدا کردن قطعات نمونه از دستگاه gps دستی (مدل garmin gps map 64s با دقت 3± متر)  استفاده شد و برای این کار قبل از شروع آماربرداری طول و عرض جغرافیایی نقاط (قطعات نمونه) را وارد دستگاه gps کرده و سپس با استفاده از دستگاه فوق قطعات نمونه در عرصه مشخص و مشخصه‌های قطر برابرسینه، ارتفاع درختان و درختچه‌های موجود (قطر بیش از 7.5 سانتی‌متر) اندازه‌گیری و سپس در فرم های مربوطه ثبت شد. تصاویر سنجنده oli ماهواره لندست 8 از سایت جهانی usgs استخراج شد. انتخاب تصاویر با توجه به فصل، میزان حداقل پوشش ابری و همچنین در فصل رویش نزدیکی به زمان حداکثر سبزینگی انجام شد. این تصاویر در سطح l1t ارائه شده و با نقشه‌های رقومی کاملاً انطباق دارد. در این تحقیق از 7 باند سنجنده oli ماهواره لندست 8 مربوط به گذر/ ردیف شماره 166.34 استفاده شده است. ماهواره ترا قبل از عبور ماهواره لندست 8 بر فراز ایران با اختلاف زمانی حدود نیم ساعت به وقت محلی تهیه تصویر می نماید. با توجه به پایدار بودن شرایط اتمسفر در این اخلاف زمانی کم امکان استفاده از اطلاعات modis هم گام با لندست 8 وجود دارد. همچنین در این پژوهش از سه محصول روزانه modis برای هر یک از تصاویر لندست 8 باقدرت تفکیک مکانی 500 متر، شامل: mod04 (ضخامت نوری ذرات معلق در محدودۀ 550 میکرومتر)، mod05 (بخار آب) و mod07 (ازن کل)، استفاده شد. dem حاصل از aster باقدرت تفکیک مکانی 30 متر از سایت جهانی usgs دریافت شد. از مدل dem به‌طور مستقیم در روش تصحیح اتمسفری sv6 استفاده گردید. همچنین برای روش تصحیح اثر اتمسفر atcor مدل dem جهت تهیه نقشه شیب، جهت، دید آسمان مورداستفاده قرار گرفت.یافته ها: نتایج نشان داد که مدل تصحیح اتمسفریک بر مبنای کد انتقال تابشی sv6 در بیشتر شاخص‌های گیاهی حاصله از داده‌های سنجنده oli ماهواره لندست 8 عملکرد مطلوبی داشته است. بالاترین نتایج آنالیز همبستگی را شاخص arvi حاصل از مدل تصحیح اتمسفری sv6 با ضریب همبستگی 0.801 به خود اختصاص داده است. همچنین در حالت استفاده از روش  flaash بیشترین و کمترین میزان همبستگی را به ترتیب شاخص‌های arvi (0.779) و rvi (0.586) به خود اختصاص داده‌اند. در روش تصحیح اتمسفریک dos یا شئ تیره بیشترین و کم‌ترین میزان همبستگی به ترتیب مربوط به شاخص‌های gari (0.762) و evi (0.518) است و در آخر در روش atcor بیشترین و کم‌ترین میزان همبستگی به ترتیب مربوط به شاخص‌های ndvi (0.732) و gndvi (0.454) است. به‌طورکلی، در برآورد مقدار زی توده جنگل، مدل تصحیح اتمسفریک sv6 با کمترین درصد rmse (15.04 درصد) بهترین عملکرد را نشان داد و پس از آن مدل‌های flaash، atcor و dos بیشترین دقت را داشتند.نتیجه گیری کلی: برآورد و پایش میزان بیوماس روی زمینی برای مطالعات تغییر اقلیم، تولید چرخه کربن، تخصیص مواد غذایی و انباشت سوخت، مطالعات رفتار آتش و ... در اکوسیستم ضروری است. همچنین اعمال تصحیحات اتمسفری بر روی باندهای اصلی تصاویر در فرایند پیش پردازش قبل از طبقه بندی و استخراج شاخص های گیاهی جهت رفع اثرات ناخواسته اتمسفر امری ضروری و اجتناب ناپذیر است و سبب بهبود صحت نتایج می‌شود. از نتایج به‌دست ‌آمده در پژوهش حاضر می‌توان پیشنهاد کرد که مدل تصحیح اتمسفریک sv6، با ادغام بخار آب و عمق نوری آئروسل حاصل از محصولات modis، برای تخمین زی توده روی زمینی بر اساس داده‌های سنجش‌ازدور مناسب‌تر است، به‌ویژه هنگام استفاده از داده‌هایی که در تابستان به دست می‌آیند، زمانی که بخار آب و دما هر دو بالا است و تاج پوشش جنگل در توسعه کامل است.در نهایت، پیشنهاد می‌شود که از مدل تصحیح اتمسفریک sv6 برای برآورد زی توده روی زمینی جنگل موردبررسی بر اساس داده‌های سنجش‌ازدور استفاده شود.

investigating the effect of different atmospheric correction methods in forest biomass estimation using vegetation indices

background and objectives: earth's surface reflection is significantly affected by atmospheric conditions such as water vapor and particulate matter; therefore, atmospheric correction is needed to minimize these effects and convert digital number values to surface reflection. therefore, as a remote sensing approach, atmospheric correction is required to minimize these effects and convert digital number (dn) values ​​to surface reflectance. the main objective of this research was to study of four atmospheric correction models, including (1) dark object subtraction (dos), (2) fast line-of-sight atmospheric analysis of spectral hypercube (flaash), (3) the second simulation of the satellite signal in solar spectrum (6sv), (4) atmospheric topographic correction (atcor) model and their comparison with the oli original image for estimation of the aboveground biomass (agb) in the forests of avardim of the shafarood watershed, guilan province.methodology: in order to estimate of biomass, 246 plots (3600 m2) were established as systematic-random sampling pattern with 300m×300m dimensions and dbh, height of trees and shrubs were measured. a handheld gps device (garmin gps map 64s with an accuracy of ±3 meters) was used for sampling and finding the sample pieces, and for this purpose, before starting the statistics, the latitude and longitude of the points (all sample pieces) were entered into the gps device. and then, using the above device, the sample parts were determined in the field and the characteristics of the diameter at the chest, the height of the existing trees and shrubs (diameter more than 7.5 cm) were measured and then recorded in the relevant forms. the oli sensor images of landsat 8 satellite were extracted from the usgs global site. the selection of images was done according to the season, the amount of minimum cloud cover and also in the growing season close to the time of maximum greenness. these images are presented at l1t level and fully compatible with digital maps. in this research, 7 oli sensor bands of landsat 8 satellite related to pass/row number 166/34 have been used. before the landsat 8 satellite passes over iran, terra satellite prepares images with a time difference of about half an hour to local time. due to the stability of the atmospheric conditions, it is possible to use modis information in step with landsat 8. also, in this research, three daily modis products were used for each of the landsat 8 images with a spatial resolution of 500 meters, including: mod04 (optical thickness of suspended particles in the range of 550 micrometers), mod05 (water vapor) and mod07 (total ozone). the dem obtained from aster with a spatial resolution of 30 meters was obtained from the usgs global site. the dem model was directly used in the sv6 atmospheric correction method. also, dem model was used for the atmospheric effect correction method of atcor to prepare the map of slope, direction, sky visibility.results: the results showed that the atmospheric correction model based on 6sv radiative transfer code had a good performance in most of the plant indices obtained from the oli sensor data of landsat 8 satellite. the arvi index obtained from the 6sv atmospheric correction model has the highest correlation analysis results with a correlation coefficient of 0.801. also, in the case of using the flaash method, arvi (0.779) and rvi (0.586) indices have the highest and lowest correlations, respectively. in the dos or dark object atmospheric correction method, the highest and lowest correlations are related to gari (0.762) and evi (0.518) indices, respectively, and finally, in the atcor method, the highest and lowest correlations are respectively related to ndvi indices (732.0) and gndvi (0.454). in general, in estimating forest biomass, 6sv atmospheric correction model showed the best performance with the lowest rmse percentage (15.04%), followed by flaash, atcor and dos models.conclusion: estimating and monitoring the amount of biomass on land is necessary for climate change studies, carbon cycle production, food allocation and fuel accumulation, fire behavior studies, etc. in the ecosystem. also, applying atmospheric corrections on the main bands of the images in the pre-processing process before classifying and extracting plant indices is necessary and unavoidable to remove the unwanted effects of the atmosphere and it improves the accuracy of the results. from the results obtained in the present study, it can be suggested that the 6sv atmospheric correction model, with the integration of water vapor and aerosol optical depth obtained from modis products, is more suitable for the estimation of terrestrial zinc based on remote sensing data, especially when using the data in are obtained in summer, when water vapor and temperature are both high and the forest canopy is in full development. finally, it is suggested to use the 6sv atmospheric correction model to estimate of aboveground biomass based on remote sensing data.