تجزیه و تحلیل سطح: نقشه برداری زمین
هدف یادگیری
هدف این پست، آشنایی با استفاده از تجزیه و تحلیل‌های سطح رستری برای برنامه‌های نقشه‌برداری زمین است.
هنگامی که اطلاعاتی مانند شیب، صورت، نمای زمین، هیدرولوژی، حجم و غیره بر روی سطوح رستری مانند مدل‌های ارتفاعی رقومی (DEMها؛ “مدیریت داده‌های جغرافیایی”) محاسبه می‌شود، تجزیه و تحلیل سطح اغلب به عنوان “تحلیل زمین (ارتفاع)” شناخته می‌شود. این تحلیل‌ها می‌توانند برای مطالعه پدیده‌های مختلف زمین‌شناسی و محیطی، از جمله تحلیل‌های باطنی‌تر مانند احتمال گردبادها یا تمرکز مرگ و میر نوزادان در یک منطقه خاص، به کار روند. در این بخش، چند روش برای ایجاد سطوح و تکنیک‌های رایج تجزیه و تحلیل سطح مربوط به مجموعه داده‌های زمین مورد بحث قرار خواهد گرفت.
چندین تحلیل رایج همسایگی مبتنی بر رستری، بینش‌های ارزشمندی را در مورد ویژگی‌های سطح زمین ارائه می‌دهند. نقشه‌های شیب (قسمت (الف) شکل ۸٫۱۲ “شیب، جنبه و نقشه‌های سایه تپه”) برای تجزیه و تحلیل و تجسم ویژگی‌های شکل زمین بسیار مفید هستند و اغلب همراه با نقشه‌های جنبه (که در ادامه توضیح داده می‌شود) برای ارزیابی واحدهای آبخیز، فهرست منابع جنگلی، تعیین تناسب زیستگاه، تخمین پتانسیل فرسایش شیب و غیره استفاده می‌شوند. این نقشه‌ها معمولاً با نصب یک سطح مسطح به یک پنجره متحرک ۳ در ۳ در اطراف هر سلول هدف ایجاد می‌شوند. هنگام تقسیم فاصله افقی در عرض پنجره متحرک (که از طریق وضوح فضایی تصویر رستری تعیین می‌شود) بر فاصله عمودی درون پنجره (که به عنوان تفاوت بین بزرگترین مقدار سلول و مقدار سلول مرکزی اندازه‌گیری می‌شود)، شیب به راحتی محاسبه می‌شود. رستری خروجی مقادیر شیب را می‌توان به صورت درصد شیب یا درجه شیب نمایش داد.
طبق تعریف، هر سلولی که شیب را نشان می‌دهد باید در جهت مشخصی جهت‌گیری شود. این جهت‌گیری به عنوان جنبه شناخته می‌شود. نقشه‌های جنبه (بخش (ب) شکل ۸٫۱۲ “شیب، جنبه، و نقشه‌های سایه تپه”) از اطلاعات شیب برای تولید تصاویر رستری استفاده می‌کنند که در آن مقدار هر سلول جهت آن را نشان می‌دهد. این جهت معمولاً به‌عنوان یکی از هشت جهت اصلی (شمال، جنوب، شرق، غرب، شمال‌غرب، شمال‌شرق، جنوب‌غرب، جنوب‌شرق) یا در درجه‌هایی از ۱ درجه (تقریباً نزدیک به شمال) تا ۳۶۰ درجه (برگشت به سمت شمال) کدگذاری می‌شود. سطوح مسطح هیچ جنبه‌ای ندارند و معمولاً مقدار -۱ به آن‌ها اختصاص داده می‌شود. برای محاسبه جنبه، از یک پنجره متحرک ۳ در ۳ برای یافتن بالاترین و پایین‌ترین ارتفاعات در اطراف سلول هدف استفاده می‌شود. اگر بالاترین مقدار سلول در بالا سمت چپ پنجره قرار داشته باشد (بالا به دلیل شمال است) و کمترین مقدار در سمت راست پایین باشد، می‌توان فرض کرد که جنبه سلول، جنوب‌شرقی است. ترکیب اطلاعات شیب و جنبه برای محققانی مانند گیاه‌شناسان و خاک‌شناسان ارزش زیادی دارد، زیرا دسترسی به نور خورشید بین شیب‌های رو به شمال و جنوب تفاوت زیادی دارد. این تفاوت‌ها به شدت بر روی الگوهای رویشی و تغییرات خاک‌شناسی تأثیر می‌گذارند.
یک نقشه سایه تپه (قسمت (ج) شکل ۸٫۱۲ “شیب، جنبه، و نقشه‌های سایه تپه”) نشان‌دهنده روشنایی یک سطح از یک منبع نوری فرضی است که معمولاً خورشید در نظر گرفته می‌شود. در واقع، شیب یک تپه در هنگام رو به خورشید روشن‌تر و در هنگام رو به سایه تاریک‌تر است. با استفاده از اطلاعات شیب سطح، جنبه، زاویه نور ورودی و ارتفاع خورشیدی به عنوان ورودی‌ها، فرآیند سایه تپه هر سلول در شطرنجی خروجی را با مقدار ۸ بیتی (بین ۰ تا ۲۵۵) که از سیاه به سفید افزایش می‌یابد، کدگذاری می‌کند. همانطور که در قسمت (ج) شکل ۸٫۱۲ نشان داده شده است، نقشه‌های سایه تپه یک روش مؤثر برای تجسم ماهیت سه‌بعدی ارتفاعات زمین روی یک صفحه دو‌بعدی یا نقشه کاغذی هستند. این نقشه‌ها همچنین می‌توانند به‌عنوان یک نقشه پایه زمانی که با یک لایه نیمه‌شفاف، مانند مدل ارتفاعی رقومی با رنگ کاذب پوشانده می‌شوند، به‌طور مؤثر استفاده شوند (DEM؛ بخش (د) شکل ۸٫۱۲ “شیب، جنبه، و نقشه‌های سایه تپه”).
شکل ۸٫۱۲ (الف) شیب، (ب) جنبه، و (ج و د) نقشه های سایه تپه
منبع: داده های موجود از سازمان زمین شناسی ایالات متحده، مرکز مشاهده و علم منابع زمین (EROS)، سیوکس فالز، SD.
تجزیه و تحلیل Viewshed یک تکنیک تجسمی ارزشمند است که از ارتفاع سلول‌ها در یک مدل ارتفاعی رقومی (DEM) یا شبکه نامنظم مثلثی (TIN) برای شناسایی مناطقی استفاده می‌کند که از یک یا چند مکان خاص قابل مشاهده هستند (بخش (الف) شکل ۸٫۱۳ “نمای حوزه و نقشه‌های حوزه آبخیز”). محل مشاهده می‌تواند یک نقطه یا خط باشد و می‌تواند در هر ارتفاع دلخواه قرار گیرد. خروجی تجزیه و تحلیل viewshed یک رستری باینری است که سلول‌ها را به دو دسته ۱ (قابل مشاهده) و ۰ (غیرقابل مشاهده) طبقه‌بندی می‌کند. در صورتی که دو مکان مشاهده وجود داشته باشد، مقادیر رستری خروجی می‌توانند ۲ (قابل مشاهده از هر دو نقطه)، ۱ (قابل مشاهده از یک نقطه) یا ۰ (غیرقابل مشاهده از هیچ نقطه) باشند.
پارامترهای اضافی که می‌توانند بر نقشه نمای حاصل تأثیر بگذارند شامل آزیموت دید (افقی و/یا عمودی) و شعاع دید هستند. آزیموت دید افقی زاویه افقی ناحیه دید است و به طور پیش‌فرض بر روی ۳۶۰ درجه تنظیم می‌شود. کاربر ممکن است بخواهد این مقدار را به ۹۰ درجه تغییر دهد، برای مثال زمانی که نمای مورد نظر تنها قسمتی از منظر را که از پنجره دفتر قابل مشاهده است، شامل می‌شود. مشابه آن، زاویه دید عمودی می‌تواند از ۰ تا ۱۸۰ درجه تنظیم شود. در نهایت، شعاع دید فاصله‌ای را که از محل مشاهده برای گنجاندن در خروجی در نظر گرفته می‌شود، تعیین می‌کند. این پارامتر معمولاً به صورت بی‌نهایت تنظیم می‌شود (که به معنای شامل تمامی مناطق در DEM یا TIN مورد بررسی است). به عنوان مثال، اگر بخواهید فقط منطقه‌ای در محدوده ۱۰۰ کیلومتری از یک ایستگاه رادیویی را نمایش دهید، ممکن است شعاع دید را محدود کنید.
از سوی دیگر، تجزیه و تحلیل حوضه یک سری از تکنیک‌های تجزیه و تحلیل سطحی است که تقسیمات توپوگرافی که آب‌های سطحی را برای شبکه‌های جریان تخلیه می‌کند، شبیه‌سازی می‌کند (بخش (ب) شکل ۸٫۱۳ “حوضه و نقشه‌های حوزه آبخیز”). در سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی (GIS)، تجزیه و تحلیل حوضه بر اساس ورودی یک DEM “پر” انجام می‌شود. یک DEM پر شده به این معناست که فرورفتگی‌های داخلی (مانند چاله‌ها، تالاب‌های غرق‌شده یا معادن) در آن وجود ندارد. از این ورودی‌ها، یک رستر جهت جریان برای مدل‌سازی حرکت آب در سراسر سطح ایجاد می‌شود. با استفاده از اطلاعات جهت جریان، یک رستر انباشته جریان محاسبه می‌کند که تعداد سلول‌هایی که به هر سلول کمک می‌کنند تا جریان را هدایت کنند، تعیین می‌شود. به طور کلی، سلول‌هایی با مقدار بالای تجمع جریان، نشان‌دهنده کانال‌های جریان هستند، در حالی که سلول‌هایی با تجمع جریان کم، نمایانگر ارتفاعات می‌باشند.
با توجه به این نکات، شبکه‌ای از بخش‌های جریان رستری ایجاد می‌شود. این شبکه‌های جریان بر اساس حداقل آستانه انباشت جریان تعریف‌شده توسط کاربر ایجاد می‌گردند. برای مثال، ممکن است تصمیم گرفته شود که یک سلول حداقل به هزار سلول کمک‌کننده نیاز دارد تا به عنوان یک بخش جریان در نظر گرفته شود. تغییر این مقدار آستانه، چگالی شبکه جریان را تغییر خواهد داد. پس از ایجاد شبکه جریان، یک رستر پیوند جریان محاسبه می‌شود که هر بخش جریان (خط) را از نظر توپولوژیکی به تقاطع‌های جریان (گره‌ها) متصل می‌کند. در نهایت، مجموعه داده‌های رستری جهت جریان و پیوند جریان برای تعیین رستری خروجی حوضه ترکیب می‌شوند، همانطور که در بخش (ب) شکل ۸٫۱۳ “نمای حوزه و نقشه‌های حوزه آبخیز” مشاهده می‌شود (چانگ، ۲۰۰۸). این تحلیل‌ها برای مدیریت آبخیز و مدل‌سازی هیدرولوژیکی بسیار ارزشمند هستند.
شکل ۸٫۱۳ (الف) حوزه نمای و (ب) نقشه های حوزه آبخیز
منبع: داده های موجود از سازمان زمین شناسی ایالات متحده، مرکز مشاهده و علم منابع زمین (EROS)، سیوکس فالز، SD.
خوراکی های کلیدی
- توابع نزدیکترین محله اغلب در سطوح رستری برای ایجاد نقشه های شیب، نمای، تپه، حوضه استفاده می شود.
تمرینات
- چگونه از نقشه های شیب و جهت در ایجاد نقشه سایه تپه استفاده می شود؟
- اگر می‌خواهید خانه جدیدی بسازید، چگونه می‌توانید از یک نقشه دید برای کمک به تلاش خود استفاده کنید؟