شبیهسازی توزیع مکانی عمق برف با استفاده از هوش مصنوعی و رگرسیون خطی مبتنی بر کاهش ویژگی‌ها (مطالعه موردی: حوزه آبخیز چلگرد)

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد/ گروه مهندسی طبیعت، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه اردکان، اردکان، ایران

2 دانشیار/ گروه مهندسی طبیعت، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه اردکان، اردکان، ایران

چکیده

دست‌یابی به توزیع مکانی عمق برف باید از راه مشاهده‌ای و در مقیاسی فشرده صورت گیرد. بنابراین به دلیل محدودیت‌های عملی، جمع‌آوری اطلاعات به‌ویژه در مقیاس‌های مذکور، دشوار و گاهی غیرممکن است. اما با توجه ‌به مشکلات موجود در مناطق مرتفع، استفاده از روش‌های غیرمستقیم توصیه می‌شود. در این پژوهش کارایی شبکه عصبی مصنوعی و رگرسیون خطی در مدل‌سازی عمق برف و هم‌چنین اثر کاهش ویژگی‌ها با تحلیل مؤلفه اصلی در منطقه چلگرد واقع در چهارمحال و بختیاری ایران بررسی شد. به‌همین منظور ابتدا با استفاده از روش هایپرکیوب، محل 100 نقطه مشخص و طی یک عملیات صحرایی داده‌های عمق برف در نقاط مورد نظر و هم‌چنین در 195 نقطه دیگر به‌صورت تصادفی و با نمونه‌بردار مدل فدرال برداشت شد. سپس با استفاده از مدل رقومی ارتفاع، 25 متغیر ژئومورفومتری استخراج و همراه با شش باند تصاویر ماهواره لندست 8 و شاخص NDSI به‌عنوان ورودی‌های مدل‌ها انتخاب شد. نتایج حاصل از این پژوهش نشان داد که مدل شبکه عصبی مصنوعی با آرایش 1، 6 و 32، ضریب تبیین 0.62 و میانگین مربعات خطا برابر با 19.57 توانسته است با دقت بهتری تغییرات عمق برف را مورد شبیه‌سازی قرار دهد. هم‌چنین کاهش ویژگی‌های ورودی با PCA در مدل‌سازی عمق برف تأثیر نداشته است. بنابراین، پیشنهاد می‌شود از سایر روش‌های کاهش ویژگی جهت دست‌یابی به مهم‌ترین متغیرهای مؤثر در عمق برف استفاده شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


اصغری سراسکانرود، صیاد، صفری، شیوا، و ملانوری، الهام (1400). اندازه‌گیری عمق برف و ارزیابی ارتباط مؤلفه دما با ویژگی­های برف در حوزة آبخیز لیقوان. نشریه پژوهش­های حفاظت آب و خاک، 28(4)، 187-206. doi:10.22069/jwsc.2022.19570.3502
اصغری سراسکانرود، صیاد، و مدیرزاده، ریحانه (1399). برآورد تغییرات عمق برف در سطح شهرستان اردبیل و سرعین با استفاده از داده­های ماهواره Sentinel1 با روش تداخل‌سنجی راداری. تحقیقات منابع آب ایران، 16(1)، 394-407. dor:20.1001.1.17352347.1399.16.1.26.0
بهرامی، مهناز، فتح­زاده، علی، تقی­زاده مهرجردی، روح‌الله، و زارع چاهوکی، محمدعلی (1395). بررسی مقیاس پارامترهای ژئومورفومتری بر پیش‌بینی پراکنش مکانی عمق برف. هیدروژئومورفولوژی، 3(6)، 95-113. dor:20.1001.1.23833254.1395.3.6.6.0
حقی­زاده، علی، کیانی، آرمان، و کیانی، میلاد. (1396). ارزیابی کارایی روش‌های زمین آماری به‌منظور برآورد توزیع مکانی عمق و چگالی برف در مناطق کوهستانی (مطالعه موردی: حوضة آبخیز گوش بالا مشهد). هیدروژئومورفولوژی، 4(12)، 45-66. dor:20.1001.1.23833254.1396.4.12.3.6
سیفی هوشنگ، و فیضی‌زاده، بختیار (1398). کاربرد روش تداخل‌سنجی و تصاویر سنجش از دوری رادار در برآورد عمق برف و آب قابل استحصال از آن در حوضه آبریز یامچی.‎ تحقیقات منابع آب ایران، 15(1)، 341-355. dor:20.1001.1.17352347.1398.15.1.25.2
شریفی، محمدرضا، آخوندعلی، علی محمد، پرهمت، جهانگیر، و محمدی، جهانگرد (1386). ارزیابی دو روش معادلة همبستگی خطی و کریجینگ معمولی به­منظور برآورد توزیع مکانی عمق برف در حوزه آبخیز صمصامی. علوم و مهندسی آبخیزداری، 1(1)، 38-24.
شریفی، محمدرضا، آخوندعلی، علی محمد، پرهمت، جهانگیر، و محمدی، جهانگرد (1386). بررسی تأثیر ارتفاع، جهت و تندی شیب بر عمق برف در حوضة صمصامی. تحقیقات منابع آب ایران، 3(3)، 69-72.
شریفی، محمدرضا، آخوندعلی، علی محمد، پرهمت، جهانگیر، و محمدی، جانگرد (1386). کاربرد تحلیل خوشه­ای به­منظور تخمین عمق برف (مطالعه موردی: حوضة صمصامی). پژوهش کشاورزی: آب، خاک و گیاه در کشاورزی، 7(4)، 25-37.
منجذب مرودشتی، شهربانو، مزیدی، احمد، امیدوار، کمال، و مظفری، غلامعلی (1400). بررسی تاثیر پارامترهای جوی بر پوشش برف حوضة آبخیز کوهرنگ. نیوار، 45(112-113)، 56-66. doi:10.30467/nivar.2021.263731.1175
 
References
Asghari Saraskanroud, S., & Modirzadeh, R. (2020). Estimation of snow depth changes in Ardabil and Sarein cities using Sentinel 1 satellite data with radar interferometric method. Iran-Water Resources Research, 16(1), 394-407. dor:20.1001.1.17352347.1399.16.1.26.0 [In Persian]
Asghari Saraskanroud, S., Safari, S.H., & Mollanuri, E. (2022). Measuring snow depth and evaluating the relationship between temperature component and snow characteristics in the Liqvan watershed. Journal of Water and Soil Conservation, 28(4), 187-206. doi:10.22069/jwsc.2022.19570.3502 [In Persian]
Bahrami, M., Fathizadeh, A., Zaree Chahooki, M.A., & Taghizadeh Mehrjerdi, R. (2016). Scale effect geomorphometric parameters of spatial pattern of snow depth. Hydrogeomorphology, 3(6), 95-113. dor:20.1001.1.23833254.1395.3.6.6.0 [In Persian]
Balk, B., & Elder, K. (2000). Combining binary decision tree and geostatistical methods to estimate snow distribution in a mountain watershed. Water Resources Research, 36(1), 13–26. doi:10.1029/1999wr900251
Beniston, M., Keller, F., & Goyette, S. (2003). Snow pack in the Swiss Alps under changing climatic conditions: an empirical approach for climate impacts studies. Theoretical and Applied Climatology, 74, 19–31. doi:10.1007/s00704-002-0709-1
Bloschl, G., Kirnbauer, R., & Gutknecht, D. (1991). Distributed Snowmelt Simulations in an Alpine Catchment: 1. Model Evalution on the Basis of Snow Cover Patterns. Water Resources Research, 27(12), 171-179. doi:10.1029/91wr02250
Camdevyren, H., Demyr, N., Kanik, A., & Keskyn, S. (2005). Use of principal component scores in multiple linear regression models for prediction of Chlorophyll-a in reservoirs. Ecological Modelling, 181(4), 581-589. doi:10.1016/j.ecolmodel.2004.06.043
Choularton, T.W., & Perry, S.J. (1986). A model of the orographic enhancement of snowfall by the seeder-feeder mechanism. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 112(472), 335–345. doi:10.1256/smsqj.47203
Cline, D.W., Bales, R.C., & Dozier, J. (1998). Estimating the spatial distribution of snow inmountain basins using remote sensing and energy balance modeling. Water Resources Research, 34(5), 1275-1285. doi:10.1029/97wr03755
Cybenko, G. (1989). Approximation by superposition of a sigmoidal function. Mathematics of Control, Signals and Systems, 2(4), 303-314.
Daly, C., Neilson, R.P., & Phillips, D.L. (1994). A statisticaltopographic model for mapping climatological precipitation over mountainous terrain. Journal of Appled Meteorology, 33, 140–158. doi:10.1175/1520-0450(1994)033<0140:astmfm>2.0.co;2
Elder, K., Dozier, J., & Michaelsen, J. (1991). Snow accumulation and distribution in an Alpin Watershed. Water Resources Research, 27(7), 1541-1552. doi:10.1029/91wr00506
Elder, K., & Dozier, J. (1990). Improving methods for measurement and estimation of snow storage in alpine watersheds, Hydrology in Mountainous Regions. I- Hydrological Measurements; the Water Cycle, IAHS, 193, 147-156.
Elder, K., Rosenthal, R., & Davis, R.E. (1995). Estimating the spatial distribution of snow water equivalent in a mountain watershed. Hydrology Processes, 12, 3627–3649. doi:10.1002/(sici)1099-1085(199808/09)12:10/11<1793::aid-hyp695>3.0.co;2-k
Erickson, T.A., Williams, M.W., & Winstral, A. (2005). Persistence of topographic controls on the spatial distribution of snow in rugged mountain, Colorado, United States. Water Resources Research, 41, 1-17. doi:10.1029/2003wr002973
Essery, R., Martin, E., Douville, H., Fernandez, A., & Brun, E. (1999). A comparison of four snow models using observations from an alpine site. Climate Dynamics, 15(8), 583–593. doi:10.1007/s003820050302
Ganjkhanlo, H., Vafakhah, M., Zeinivand, H., & Fathzadeh, A. (2020). The effect of different sampling schemes on estimation precision of snow water equivalent (SWE) using geo statistics techniques in a semi-arid region of Iran. Geocarto International, 35(16), 1-14. doi:10.1080/10106049.2019.1581267
Gupta, R.P., Haritashya, U.K., & Singh, P. (2005). Mapping Dry/Wet Snow Cover in the Indian Himalayas Using IRS Multispectral Imagery. Remote Sensing of Environment, 97(4), 458-469. doi:10.1016/j.rse.2005.05.010
Haghizadeh, A., Keiani, A., & Keiani, M. (2017). Evaluating the efficiency of geostatistical methods in order to estimate the spatial distribution of snow depth and density in mountainous areas (case study: Gosh Bala watershed of Mashhad). Hydrogeomorphology, 4(12), 45-66. dor:20.1001.1.23833254.1396.4.12.3.6 [In Persian]
Hornik, K., Stinchcombe, M., & White, H. (1989). Multilayer feedforward networks are universal approximators. Netural Networks, 2(5), 359-366. doi:10.1016/0893-6080(89)90020-8
Johnson, R.A., & Wichern, D.W. (1982). Applied multivariate statistical analysis. 3rd Ed., Prentice- Hall Inc., Englewood Cliffs, USA.
Kuras, P.K., Weiler, M., & Alila, Y. (2008). The spatiotemporal variability of runoff generation and groundwater dynamics in a snow-dominated catchment. Hydrology, 352(1-2), 50–66. doi:10.1016/j.jhydrol.2007.12.021
Lehning, M., Lowe, H., Ryser, M., & Raderschall, N. (2008). Inhomogeneous precipitation distribution and snow transport in steep terrain. Water Resources Research, 44(7), 1-19. doi:10.1029/2007wr006545
Marchand, W.D., & Killingtveit, A. (2001). Analyses of the relation between spatial snow distribution and terrain characteristics. 58th Estern Snow Conference Ottawa, Ontario, Canada.
Martinec, J., Rango, A., & Roberts, R. (2008). The Snowmelt Runoff Model (SRM) User’s Manual. Edited by Enrique Gómez-Landesa & Max P, Bleiweiss, Updated Edition for Windows, WinSRM Version 1.11, USDA Jornada Experimental Range, New Mexico State University, Las Cruces, NM 88003, U.S.A.
Minasny, B., & McBratney, A.B. (2006). A conditioned Hypercube method for sampling in the presence of ancillary information. Computers and Geosciences, 32(9),1378–1388. doi:10.1016/j.cageo.2005.12.009
McKay, G.A., & Gray, D.M. (1981). The distribution of the snow cover. In: Handbook of Snow, edited by: Gray, D. and Hale, D., Pergamon Press Canada Ltd., 153–190.
Molotch, N.P., Colee, M.T., Bales, R.C., & Dozier, J. (2005). Estimating the spatial distribution of snow water equivalent in an alpine basin using binary regression tree models: the impact of digital elevation data independent variable selection. Hydrological Processes, 19(7), 1459-1479. doi:10.1002/hyp.5586
Monjazeb Marvdashti, SH., Mazidi, A., Omidvar, K., & Mozafari, GH.A. (2021). Investigation of the effect of atmospheric parameters on the snow cover of Koohrang watershed. Nivar, 45(112-113), 56-66. doi:10.30467/nivar.2021.263731.1175 [In Persian]
Mott, R., Scipion, D., Schneebeli, M., Dawes, N., Berne, A., & Lehning, M. (2013). The effect of airflow dynamics on small-scale snow-fall patterns in mountainous terrain. Journal of Geophysical Research; Atmospheres, in revision.
Patil, A., Singh, G., Rudiger, C.H. (2019). A novel approach for the retrieval of snow water equivalent using SAR data. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Yokohama, Japan, 3233-3236.
Pomeroy, J.W., & Gray, D.M. (1995). Snowcover Accumulation, Relocation and Management. National Hydrology Research Institute Science Report No. 7, Environment Canada, Saskatoon.
Rango, A., Walker, A., & Goodinson, B. (2000). Remote Sensing in Hydrology and Water Management (eds by Schultz G & Ergman E), Springer Berlin Heidelberg.
Seifi, H., & Feizizadeh, B. (2019). Application of interferometric method and radar remote sensing images in estimating snow depth and extractable water in Yamchi watershed. Iran- Water Resources Research, 15(1), 341-355. dor:20.1001.1.17352347.1398.15.1.25.2 [In Persian]
Shaban, A., Faour, G., Khawlie, M., & Abdallah, C. (2004). Remote sensing application to estimate the volume of water in the form of snow on Mount Lebanon. Hydrological Sciences Journal, 49(4), 643-653. doi:10.1623/hysj.49.4.643.54432
Sharifi, M.R., Akhoondali, A.M., Porhemmat, J., & Mohammadi, J. (2007). Evaluation of two methods of linear correlation equation and normal kriging in order to estimate the spatial distribution of snow depth in Samsami watershed. Iran-Watershed Management Science & Engineering, 1(1), 24-38. [In Persian]
Sharifi, M.R., Akhoondali, A.M., Porhemmat, J., & Mohammadi, J. (2007). Application of Cluster Analysis for Estimating Snow Depth(Case Study: Samsami Basin). Journal of Agricultural Research, 7(4), 25-37. [In Persian]
Sharifi, M.R., Akhoondali, A.M., Porhemmat, J., & Mohammadi, J. (2008). Effect of elevation and aspect on snow depth at samsami basin. Iran-Water Resouces Reserarch, 3(3), 69-72. [In Persian]
Trujillo, E., Ramirez, J.A., & Elder, K.J. (2007). Topographic, meteorologic, and canopy controls on the scaling characteristics of the spatial distribution of snow depth fields. Water Resources Research, 43, 1–17. doi:10.1029/2006wr005317
Winstral, A., Elder, K., & Davis, R.E. (2002). Spatial snow modeling of wind-redistributed snow using terrain based parameters. Journal of Hydrometeorology, 3, 524-538. doi:10.1175/1525-7541(2002)003<0524:ssmowr>2.0.co;2
Zhang, H., Zhang, F., Che, T., & Wang, S. (1998). Comparative evaluation of VIIRS daily snow cover product with MODIS for snow detection in China based on ground observations. Science of The Total Environment,138-156. doi:10.1016/j.scitotenv.2020.138156
Zhoua, X., Xie, H., & Hendrickx, J.M.H. (2005). Statistical evaluation of remotely sensed snow-cover products with constraints from streamflow and snotel measurements. Elsevier Remote Sensing of Environment, 94(2), 214-231. doi:10.1016/j.rse.2004.10.007