مدل¬سازی مکانی-زمانی تغییرات پوشش سرزمین تالاب هورالعظیم با استفاده از رویکرد ترکیبی شبکه عصبی مصنوعی، بهینه سازی چند منظوره و زنجیره مارکف

کاربری اراضی جهانی به طور معناداری طی دهه های اخیر تغییر کرده است، از طرفی تالاب­ها حساسترین اکوسیستم­ها به تغییرات کاربری اراضی و اکوسیستم­های منحصر به فرد با تنوع بالای گیاهی و جانوری می­باشند (Mitsch و همکاران، 2016). از این­رو پایش تغییرات کاربری و پوشش سرزمین به­ منظور مدیریت، کنترل و انجام اقدامات به­موقع در جهت کاهش تهدیدات و خسارات ناشی از این تغییرات در مقیاس سیمای سرزمین، ضروری است (اصغری پوده و همکاران، 1398). در مقیاس جهانی رشد جمعیت می­تواند به عنوان دلیل تاریخی اصلی برای تغییرات کاربری اراضی در نظر گرفته شود، اگرچه واکنش­ها و فرآیندهای مختلف را می­توان در مقیاس­های دقیق­تری در نظر گرفت. در کشورهای توسعه­یافته، تغییرات پوشش سرزمین به دلایلی مانند کشاورزی یا توسعه شهر و فرآیندهای مرتبط ایجاد می­شود اما همچنین نیاز فزاینده به حفظ تنوع زیستی و کیفیت اقتصادی محیط زیست در چارچوب تغییرات جهانی دیده می­شود (Muñoz-Rojas و همکاران، 2011). آشکارسازی تغییرات فرآیند تشخیص تفاوت­ها در وضعیت یک پدیده با مشاهده آن در زمان­های مختلف است. آشکارسازی تغییرات در بسیاری از کاربردهای مرتبط با تغییرات پوشش سرزمین نظیر تغییر کشت و تغییرات سرزمین، تخریب زمین و بیابان زایی، تغییرات ساحل و رشد شهر، تغییرات الگوی سیمای شهری، جنگل زدایی، فعالیت­های معدنی و تخریب زیستگاه مفید است. اطلاعات تاریخی، دقیق و متوالی در مورد تغییرات سطح زمین برای هر نوع برنامه توسعه پایدار که کاربری اراضی به عنوان یکی از معیارهای ورودی عمده عمل می­کند، بسیار مهم است. بنابراین آنالیز و نقشه سازی وضعیت حال حاضر و تغییرات کاربری اراضی طی زمان، جهت درک بهتر و ارائه راه حل موثر برای مشکلات اقتصادی، اجتماعی و محیط زیستی مهم شناخته شده است (Abd El-Kawy و همکاران، 2011). سامانه اطلاعات جغرافیایی و سنجش از دور ابزارهای قدرتمند و مقرون به صرفه­ای جهت ارزیابی پویایی زمانی و مکانی پوشش سرزمین هستند. داده های سنجش از دور دیتاهای چندزمانه ارزشمندی را در مورد فرآیندها و الگوهای تغییرات پوشش سرزمین فراهم و سامانه اطلاعات جغرافیایی جهت نقشه­سازی و آنالیز این الگوها مفید است. به علاوه، آرشیوهای رقومی داده­های سنجش از دور فرصتی را جهت مطالعه تغییرات تاریخی پوشش سرزمین فراهم می کنند و الگوی جغرافیایی این تغییرات را در ارتباط با سایر عوامل محیط زیستی و انسانی می­توان ارزیابی کرد (Dewan و Yamaguchi، 2009). روش­های مختلفی از الگوریتم­های دیجیتالی برای آشکار­سازی تغییرات پوشش سرزمین از داده­های سنجش از دور ایجاد شده­اند. با وجود این دامنه گسترده، روش­ها به طور اساسی در دو طبقه وسیع خلاصه می­شوند، آنهایی که آشکار­سازی تغییرات را انجام می­دهند و سپس طبقات را مشخص می­کنند (Pre-classification) و آنهایی که اول طبقات را مشخص می­کنند و سپس آشکار­سازی تغییرات را انجام می­دهند مثل مقایسه پس از طبقه­بندی (Post-classification) (Van Oort، 2007). در روشهای Pre-classification تصاویر 2 تاریخ مختلف به یک تصویر جدید تبدیل می­شوند که شامل تغییرات طیفی وسیع است. مزایای عمده روش Post-classification که در آن بررسی پیکسل به پیکسل تغییر کاربری انجام خواهد شد و طی آن نقشه آشکارسازی تغییرات با تکنیک  Post Classification Comparison تهیه خواهد شد این است که تصاویر 2 تاریخ جداگانه طبقه­بندی می­شوند، در نتیجه کمترین مشکل تصحیح رادیومتریک بین دو تاریخ وجود خواهد داشت. در این روش ارزیابی مقایسه پس از طبقه بندی کلاً به دقت طبقه­بندی اولیه وابسته است (Coppin و همکاران، 2004) و نتایج طبقه­بندی ضعیف باعث عدم قطعیت در نقشه تغییر می­شود. به علاوه، این روش به خوبی در مناطق همگن بزرگ با تغییرات عمده عمل می­کند (Rafiee، 2009).

پایش تغییرات کاربری اراضی در ارتباط با اکولوژی، جنگل­زدایی، بیابان­زایی، شهر­نشینی، سیل، خشکسالی، مدیریت پایدار منابع طبیعی، تضمین اکولوژیک، شناسایی و مدل­سازی اثرات تغییرات اقلیم انجام می شود (Lambin و Ehrlich، 1997؛ López و همکاران، 2001؛ Russell-Smith و همکاران، 2003؛ Lo و Quattrochi، 2003؛ Fraser و همکاران، 2005؛ Bayarjargal و همکاران، 2006؛ Liu و همکاران، 2002).

یکی از مشکلات عمده در مدل­سازی تغییرات کاربری اراضی بویژه در مقیاس جهانی و منطقه ای تنوع متغیر ها و محدودیت های تغییرات کاربری اراضی در مقیاس محلی است (Park و همکاران، 2005). انجام تصمیم گیری از قبیل اتخاذ راهبرد[1]، سیاست، برنامه اجرایی[2]، طرح­ریزی و ارزیابی توان با GIS، نیاز به ارائه و ساخت مدل های مربوط به سطوح مختلف تصمیم گیری دارد، یعنی «مبانی تصمیم گیری در GIS، مدل­ها هستند». به طور کلی مدل­سازی بدین جهت به عمل می آید که بتوان 1) پیچیدگی نظام را ساده تر نمود که قابل درک باشد، 2) جمع بندی از اطلاعات گردآوری شده داشت، که بتوانند با هم از نظر ماهیت داده ها سازگار باشند و 3) شبیه سازی از تلفیق اطلاعات موجود درست کرد که شباهتی به جهان واقعی داشته باشد (مخدوم، 1383).

مدل­های تغییرات کاربری اراضی ابزار­هایی جهت آنالیز دلایل و پیامد­های تغییرات کاربری اراضی به منظور درک بهتر عملکرد سیستم های کاربری اراضی، مدیریت کاربری اراضی و شناسایی زون­های حساس هستند. این مدل ها برای رهایی مجموعه پیچیده ای از نیروهای اقتصادی-اجتماعی و بیوفیزیکی که بر نرخ و الگوی فضایی تغییرات کاربری اراضی و تخمین اثرات تغییر در کاربری اراضی مفید هستند کاربرد دارند. علاوه بر این، می­توانند تغییرات پوشش اراضی را در آینده با توجه به سناریو­های مختلف شناسایی کنند. به طور خلاصه، این مدل ها ابزار هایی مفید هستند که تکمیل کننده قابلیت ذهن بشر برای آنالیز تغییرات کاربری اراضی و گرفتن تصمیمات آگاهانه­تر می­باشند (Verburg و همکاران، 2004).

در همین راستا مدل­های زیادی برای آشکارسازی و پیش­بینی تغییرات کاربری اراضی ارائه شده­اند که مدلساز تغییر سرزمین(Land Change Modeler: LCM)  نیز جهت ایجاد توسعه پایدار بوم شناختی، راه حلی نرم افزاری است که برای تشخیص مسئله مبرم و رو به افزایش تبدیل زمین و نیازهای بخصوص تحلیلی حفظ تنوع زیستی طراحی و ساخته شده است و به صورت برنامه عمودی درون سامانه نرم افزاری IDRISI وجود داشته، همچنین به صورت افزونه برای ArcGIS از شرکت ESRI نیز در دسترس می باشد. LCM ابزاری را در اختیار قرار می دهد که به کمک آن می­توان به ارزیابی و پیش­بینی تغییرات پوشش اراضی و تأثیرات آن بر زیستگاه گونه­ها و تنوع زیستی پرداخت.

بررسی تغییرات تالاب ها طی دهه های گذشته تاکنون و مشخص کردن سمت و سوی این تغییرات، برای مدیریت و چگونگی بهره برداری از تالاب ها و ارائه راهکارهایی که باعث شوند در لیست مونترو قرار نگیرند، بسیار ضروری است (کرمی و میرسنجری، 1397). در جهان بیشترین اکوسیستم های در معرض خطر، تالاب ها هستند که دلایل آن پیچیده و تنها به استفاده از زمین و آب تالاب مربوط نمی شود بلکه مدیریت حوزه های بالادست و فشارهای خارجی نظیر تغییرات اقلیم و رشد جمعیت نیز تاثیر گذارند. تالاب ها در شرایط طبیعی، منافع اقتصادی، زیست­محیطی و فرهنگی زیادی به جوامع محلی از جمله حفاظت از کیفیت آب، سیل و کنترل فرسایش، زیستگاه حیاتوحش، آبزی پروری و فرصت­های منحصربه فرد برای آموزش و تفرج فراهم می­کنند (مکرونی و همکاران، 1395).

یکی از تالاب های مهم و مرزی کشور تالاب هورالعظیم است که خود جزیی از بزرگترین تالاب­های جهان به­نام تالاب بین النهرین با مساحتی بالغ بر 9000 کیلومترمربع است. این تالاب از هور مرکزی، هورالحمار و هورالهویزه تشکیل شده است، هورالحمار در انتهای رودخانه فرات، هور مرکزی در انتهای شاخه­های دلتای غربی دجله و هویزه مابین انتهای شاخه­های دلتای شرق دجله و انتهای رودخانه کرخه واقع شده است. از این سه، هور مرکزی و هورالحمار کاملا در کشور عراق قرار دارند و از هویزه حدود دو سوم آن در عراق و یک سوم آن در کشور ایران واقع است و قسمت ایرانی با نام هورالعظیم شناخته می­شود (زیبانچی و همکاران، 1388؛ احمدزاده، 1395). تالاب هورالعظیم به دلایل تاریخی، فرهنگی و محیط زیستی از اهمیت بین المللی برخوردار است اما همواره تحت تاثیر تخریب­های ناشی از عوامل بشری یا آنتروپوژنیک در سطوح ملی و بین­المللی به صورت مستقیم و غیرمستقیم قرار گرفته است. مهم­ترین تهدیدها و تخریب­ها در اکوسیستم آبی معطوف به مداخلات انسانی در کشورهای منطقه مانند سدسازی کشور ترکیه، حفر چاههای متعدد در عراق و احداث سد کرخه در ایران منجر به خشک شدن بخش عظیمی از این اکوسیستم بزرگ آبی شده است. تبعات خشکی تالاب و بدل شدن آن از یک منطقه جاذب گرد و غبار به منبع تولیدکننده گرد و غبار از پیامدهای آنتروپوژنیک و مخرب حیات بشریت، گیاهان و جانوران بوده است. بنابراین تغییر در کاربری زمین و نحوه مدیریت سرزمین، منجر به پیامدهای محیط­زیستی زیادی می­گردد که نیازمند تحقیق و یافتن نحوه اثرگذاری در آینده سرزمین می­شود. یکی از انگیزه­های انتخاب تالاب هورالعظیم برای مدل­سازی تغییرات، آشکار نمودن زمانی و مکانی این تغییرات در سرزمین و کمک به فرآیند تصمیم­گیری خردمندانه مدیران بوده و امید است به عزم ملی و بین­المللی جهت حفاظت و احیا تالاب کمک نماید و پایگاه رقومی به روز و با صحت بالایی را جهت اجرای سایر مدل هایی که ورودی اولیه آن­ها نقشه های تغییرات پوشش سرزمین است فراهم آورد. لازم به ذکر است با توجه به مرور منابع انجام شده، برای اولین بار است که بررسی تغییرات تالاب هورالعظیم طی دوره زمانی گذشته بررسی و مدل­سازی این تغییرات برای سال های آینده شبیه­سازی می­شود.