Analysis of land use/ cover changes in Ardabil province using landscape metrics

Subject Areas : Natural resources and environmental management

Azad  Kakehmami ¹ (PhD. Student of Rangeland Science, Department of Natural Resources, Faculty of Agricultural and Natural Resources, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran)
Mehdi  Moameri ² (Associate Professor, Plant Sciences and Medicinal Plants, Faculty of Agricultural and Natural Resources, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran)
Ardavan  Ghorbani ³ (Associate Professor, Department of Natural Resources, Faculty of Agricultural and Natural Resources, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran)
Sahar  Ghafari ⁴ (PhD. Graduated of Rangeland Science, Department of Natural Resources, Faculty of Agriculture and Natural Resources, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran)

Received: 2020-05-01 Accepted : 2020-08-01 Published : 2020-09-22

Keywords: remote sensing, Number of patches, Patch density, Largest patch index, Edge density, Object-baed,

Abstract :

Background and ObjectiveAssessing the process of land use and land cover (LULC) changes leads to a clear understanding of how humans and the environment interact. Landscape metrics can be used as a basis for comparing different scenarios of landscape or recognizing changes and developments in landscape over time. The use of landscape metrics, while saving time, makes it possible to assess the environmental impact of human activities in the shortest time. Population growth in recent decades, the region's high potential for farming, rising expectations and higher demand for income, low employment rates, tourism in the region, the development of communication routes, as well as inappropriate decisions in recent years have led to many changes in Ardabil province. Given the ecological importance of the study area, it seems that the analysis of the relationship between landscape metrics and LULC changes of Ardabil province in the period 1987 to 2015 is a way to quantify the impact of these changes on the landscape. Materials and MethodsIn this study, the data of Landsat 5 Thematic Mapper (TM) sensor (1987) and Landsat 8 Operational Land Imager (OLI) sensor (2015) were used in a 28-year period to evaluate the trend of LULC changes in Ardabil province. In order to accuracy assessment and geometric correction of LULC maps, 1:25000 topographic maps of the National Cartographic Center of Iran were used. After preparing LULC change maps, LULC metrics were extracted using the FRAGSTATS software. In order to avoid the production of additional information, based on the literature review and expert knowledge, and according to the appropriateness of the criteria with the aim of studying and paying attention to the correlation between there, a set of landscape metrics related to LULC change was extracted. Then, the index of class area (CA), percentage of landscape (PL), number of patches (NP), mean patch size (MPS), edge density (ED), largest patch index (LPI), total edge(TE) and patch density (PD) were calculated and their relationship to LU/LC changes was analyzed by comparative analysis method. Results and Discussion The biggest change in the mean patch size of LULC in the period of 1987 to 2015 (75186 and 1164.354 hectares, respectively) is related to rangelands with a decreasing trend. Population growth in recent years and the resulting to decrease distances between urban and rural areas, low-density construction, transportation network development, and strip or linear growth have led to an increase in the number of man-made patches over time. Moreover, in order to access the living needs, Due to the climatic potential there is an increase in farmlands by changing rangelands throughout the region, especially in the north (Parsabad and Bilesvar counties) and south (Khalkhal county) of Ardabil province, which reduces the percentage of rangelands (From 58.17 to 53.89%). In fact, the process of rangelands change is fragmented, which reduces the mean patch size and, in other words, reduces the stability of the rangelands. On the other hand, man-made land use types have spread in a very heterogeneous and inappropriate way in Ardabil province, which has increased the common border with natural patch and as a result has increased the influence on natural patch (forests and rangelands) and further destroyed them. The increase in class area, largest patch index, total edge, patch density and number of patches of water bodies in the period 1987 to 2015 are due to the increased construction of dams in this period. The increase in requirement and the desire to produce more, and on the other hand the availability of water resources in this period, has changed the rangelands to farmlands (irrigated farming) and as a result, the development of agricultural levels in the region. On the other hand, with the increase of water resources in the province, in the largest patch index of the patches occurred during the study period in dry farming lands. Evaluation of the number of patches showed that the biggest change during the period 1987 to 2015 was related to dry farming class with an increasing trend (2651 patches), which due to human population growth in recent decades, high potential of the region for agriculture and increasing expectations and demand to earn money, this increase indicates the fragmentation and disruption of the landscape, which has resulted in a decrease in forest and rangelands and an increase in farmland land uses. The highest changes in edge density in the period 1987 to 2015 are related to rangelands with an increasing trend (11.78 m/ha) and the lowest change in edge density is related to the forest with an increasing trend (0.66 m/ha). Comparison of edge density showed that the expansion of man-made lands and the increase in agricultural land use (dry and irrigated farming) have increased the edge density of rangeland patches and have been fragmented more than other. The increase in the agriculture level due to the joining of the patches to each other has caused the decrease in the number of patches and the increase in the mean patch size due to the reduction of fragmentation. From the increase in the number of patches in the study period (from 20065 to 23802 patches), it can be concluded that due to human intervention and occupation, the tendency of land appearance in Ardabil province is towards fine-grained structure and the number of man-made artificial and semi-natural patches which has reduced forest and rangelands. The results showed that residential and farmlands (dry and irrigated farming) during the study period had a perfectly aligned change trend, while the reverse trend with forest and rangelands, which can be due to the direct effect and intensity of human presence in determining the distribution pattern for all kinds of LULC. Conclusion Due to the uncontrolled growth of residential and farmlands (dry and irrigated farming) in recent years, to prevent further destruction and also to preserve forests and rangelands, it is recommended to perform land use planning based on structural elements and concepts of landscape. The change in the landscape structure has taken in land use types with different degrees, and quantifying these changes using landscape metrics is one of the issues which can help analyze the pattern of spatial changes.

References:

Abdolalizadeh Z, Ebrahimi A, Mostafazadeh R. 2019. Landscape pattern change in Marakan protected area, Iran. Regional Environmental Change, 19(6): 1683-1699. doi:10.1007/s10113-019-01504-9.

Abdolshahnejad M, Nazari Samanni AA, Ghorbani M, Orsham A, Taheri F. 2019. Monitoring trend of land use changes and its role on the landscape metrics (A case study: North-east Ahvaz). Iranian Journal of Range and Desert Research, 26(2): 325-339. doi:https://doi.org/10.22092/IJRDR.2019.119355. (In Persian)

Baatz M, Benz U, Dehghani S, Heynen M, Höltje A, Hofmann P, Lingenfelder I, Mimler M, Sohlbach M, Weber M. 2004. eCognition professional user guide 4. Definiens Imaging, Munich, 365 p.

Castillo Martinez del E, García-Martin A, Longares Aladrén LA, de Luis M. 2015. Evaluation of forest cover change using remote sensing techniques and landscape metrics in Moncayo Natural Park (Spain). Applied Geography, 62: 247-255. doi:https://doi.org/10.1016/j.apgeog.2015.05.002.

Ganasri BP, Dwarakish GS. 2015. Study of Land use/land Cover Dynamics through Classification Algorithms for Harangi Catchment Area, Karnataka State, INDIA. Aquatic Procedia, 4: 1413-1420. doi:https://doi.org/10.1016/j.aqpro.2015.02.183.

Ghorbani A, Kakemami A, Kavianpour H. 2002. Change detection of urban areas in Ardabil Province during the last 5 decades using aerial photography and Landsat images. In: Proceedings of the 23^th Asian conference on remote sensing, ACRS 2002 : 25-29 November 2002, Kathmandu : CD-ROM. - Kathmandu : Asian Association on Remote Sensing (AARS) ; Survey Department HMG, 2002. Kathmandu, Nepal. 4 p.

Günlü A, Kadıoğulları AI, Keleş S, Başkent EZ. 2009. Spatiotemporal changes of landscape pattern in response to deforestation in Northeastern Turkey: a case study in Rize. Environmental Monitoring and Assessment, 148(1): 127-137. doi:10.1007/s10661-007-0144-y.

Herold M, Couclelis H, Clarke KC. 2005. The role of spatial metrics in the analysis and modeling of urban land use change. Computers, Environment and Urban Systems, 29(4): 369-399. doi:https://doi.org/10.1016/j.compenvurbsys.2003.12.001.

Hosseini Vardei M, Mahiny AS, Monavari M, Zarkesh MK. 2012. Using landscape metrics in cumulative effects assessment of road network on tree cover. Journal of Natural Environment, 65(2): 139-152. doi:https://doi.org/10.22059/JNE.2012.29598. (In Persian)

Jensen JR. 1996. Introductory digital image processing: a remote sensing perspective. vol Ed. 4. Prentice-Hall Inc. 656 p.

Joorabian Shooshtari Sh, Shayesteh K, Gholamalifard M, Azari M, López-Moreno JI. 2017. The Role of Landscape Metrics and Spatial Processes in Performance Evaluation of GEOMOD (Case Study: Neka River Basin). Journal of Geography and Sustainability of Environment, 7(3): 63-80. (In Persian)

Kakehmami A, Ghorbani A, Kayvan BF, Mirzaei MA. 2017. Comparison of visual and digital interpretation methods of land use/cover mapping in Ardabil province. Journal of RS and GIS for Natural Resources, 8(3): 121-134. (In Persian)

Karami A, Feghhi J. 2012. Investigation of Quantitative metrics to protect the landscape in land use by sustainable pattern (Case study: Kohgiluyeh and Boyer Ahmad). Journal of Environmental Studies, 37(60): 79-88. (In Persian)

Kharazmi R, Abdollahi AA, Rahdari MR, Karkon varnosfaderani M. 2016. Monitoring land use change and its impacts on land degradation and desertification trend using landsat satellite images (Case study: East of Iran, Hamoon Wetland). Journal of Arid Regions Geographic Studies, 7(25): 64-75. (In Persian)

Kiyani V, Feghhi J. 2015. Investigation of cover/land use structure of sefidrod watershed by landscape ecology metrics. Journal of Environmental Science and Technology, 17 (2): 131-141. (In Persian)

Kumar M, Denis DM, Singh SK, Szabó S, Suryavanshi S. 2018. Landscape metrics for assessment of land cover change and fragmentation of a heterogeneous watershed. Remote Sensing Applications: Society and Environment, 10: 224-233. doi:https://doi.org/10.1016/j.rsase.2018.04.002.

Mehri S, Mostafazadeh R, Esmali-Ouri A, Ghorbani A. 2017. Spatial and temporal variations of Base Flow Index (BFI) for the Ardabil province river, Iran. Journal of the Earth and Physics, 43(3): 623-634. (In Persian)

Melhosseini Darani K, Mortazavi S, Hosseini SM, Shayesteh K, Falahatkar S. 2018. Investigating the visual pollution of non-heterogeneous land uses in the tourist areas (Case study: Dohezar and Sehezar forests of Tonekabon). Journal of RS and GIS for Natural Resources, 9 (2): 47-58. (In Persian)

Mirzaei Sh, Esmali-Ouri A, Mostafazadeh R, Ghorbani A, Mirzaei S. 2018. Flood hydrograph simulation and analysis of its components with landscape metrics in Amoughin watershed, Ardabil province. Journal of Ecohydrology, 5 (2): 357-372. doi:https://doi.org/10.22059/IJE.2018.231141.547. (In Persian)

Mohammadyari F, Mirsanjari MM, Zarandian A. 2019. Monitoring of vegetation changes in Karaj watershed using NDVI index and gradient analysis. Journal of RS and GIS for Natural Resources, 9(4): 55-72. (In Persian)

Mostafazadeh R, Jafari A, Keivan-behjou F. 2018. Comparing the rangelands structure and degradation of landscape connectivity in Iril sub-watersheds, Ardabil province. Iranian Journal of Applied Ecology, 7(1): 41-53.

Msofe NK, Sheng L, Lyimo J. 2019. Land use change trends and their driving forces in the Kilombero Valley Floodplain, Southeastern Tanzania. Sustainability, 11(2): 505. doi:https://doi.org/10.3390/su11020505.

Nasiri V, Darvishsefat AA. 2018. Change detection and analysis of land use/land cover changes using ecological landscape metrics (Case study: Arasbaran region, 1990-2014). Journal of Wood and Forest Science and Technology, 25(4): 1-18. . doi:https://doi.org/10.22069/jwfst.2019.14944.1744. (In Persian)

Nazarnejad H, Hoseini M, Hamze S. 2018. Analysis of temporal-spatial variations of land use in Predanan Piranshahr using landScape metrics. Journal of Forest Research and Development, 4(2): 241-255. (In Persian)

Nazarnejad H, Hoseini M, Irani T. 2018. Using landscape metrics to assess the structure changes of the landscape of Gharasou watershed in Kermanshah. Journal of Geography and Environmental Hazards, 7(26): 23-36. . doi:https://doi.org/10.22067/geo.v7i2.66958. (In Persian)

Saeed Sabaee M, Salman Mahiny R, Shahraeini SM, Mirkarimi SH, Dabiri N. 2016. Use of landscape metrics in land use allocation. Journal of Town and Country Planning, 8(1): 155-175. . doi:https://doi.org/10.22059/JTCP.2016.59264. (In Persian)

Singh SK, Srivastava PK, Szabó S, Petropoulos GP, Gupta M, Islam T. 2017. Landscape transform and spatial metrics for mapping spatiotemporal land cover dynamics using Earth Observation data-sets. Geocarto International, 32(2): 113-127. doi:10.1080/10106049.2015.1130084.

Southworth J, Munroe D, Nagendra H. 2004. Land cover change and landscape fragmentation—comparing the utility of continuous and discrete analyses for a western Honduras region. Agriculture, Ecosystems & Environment, 101(2): 185-205. doi:https://doi.org/10.1016/j.agee.2003.09.011.

Szabó S, Túri Z, Márton S. 2014. Factors biasing the correlation structure of patch level landscape metrics. Ecological Indicators, 36: 1-10. doi:https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2013.06.030.

Weng Y-C. 2007. Spatiotemporal changes of landscape pattern in response to urbanization. Landscape and Urban Planning, 81(4): 341-353. doi:https://doi.org/10.1016/j.landurbplan.2007.01.009.

Full-Text:



تحلیل تغییرات کاربری/پوشش اراضی استان اردبیل با استفاده از سنجه‌های سیمای سرزمین در بازه زمانی سال‌های 1987 تا 2015

 

چکیده

استفاده از سنجه‌های سیمای سرزمین برای پیش‌بینی و تجزیه و تحلیل تغییرات کاربری/پوشش اراضی می‌تواند رویکردی مناسب در راستای پایش تغییرات کاربری/پوشش اراضی باشد. هدف این تحقیق، تجزیه و تحلیل ارتباط سنجه‌های سیمای سرزمین با تغییر کاربری‌ها و پوشش‌های مختلف در بازه زمانی سال‌های 1987 تا 2015 (28 ساله) بوده است. برای تهیه نقشه کاربری/پوشش اراضی از تصاویر سنجنده‌هایTM  (Thematic Mapper) سال 1987 و OLI (Operational Land Imager) سال 2015 و از روش شئ‌گرا استفاده شد. جهت ارزیابی صحت و مقایسه نقشه‌‌های حاصل، از ماتریس خطا، صحت کلی و آماره‌‌ی کاپا استفاده شد. سپس سنجه‌های مساحت کلاس، درصد از سیمای سرزمین، تعداد لکه، میانگین اندازه لکه، تراکم حاشیه، بزرگترین لکه، حاشیه کل و تراکم لکه در نرم‌افزارFRAGSTATS  محاسبه و ارتباط آن‌ها با تغییرات کاربری/پوشش به روش مقایسه‌ای تجزیه و تحلیل شد. نتایج نشان داد روند تغییر مراتع به سمت تکه‌تکه شدن است که سبب کاهش متوسط اندازه لکه از 78/1290 به 43/126 هکتار و به‌عبارتی کاهش پایداری مراتع شده است. افزایش سنجه مساحت کلاس از 495 به 2322 هکتار، بزرگترین لکه از 01/0 به 02/0 (تعداد در 100 هکتار)، حاشیه کل از 30480 به 212610 متر و تعداد لکه‌های از 11 به 113 در مورد پوشش پهنه‌های آبي در بازه زمانی 1987 تا 2015 به دلیل افزایش سدهای جدید الاحداث در این دوره است. از افزایش تعداد لکه‌ها در بازه زمانی مورد مطالعه از 20065 به 23802 لکه می‌توان نتیجه گرفت که در اثر دخل و تصرف انسان گرایش سیمای سرزمین استان اردبیل به سمت ساختار ریزدانه است که منجر به کاهش پوشش جنگلی و مرتعی شده است. به طور کلی كاربري‌های انسان ساخت به طرز بسيار ناهمگونی در استان اردبیل گسترش يافته است كه باعث افزايش مرز مشترك با لكه‌هاي طبيعي و در نتيجه افزايش نفوذ در لكه‌هاي طبيعي جنگل و به خصوص مرتع و تخريب بيشتر آن‌ها مي‌شود.

 

واژه‌های كلیدی: شئ‌گرا، تعداد لکه، تراکم حاشیه، تراکم لکه، بزرگترین لکه، سنجش از دور.

 

مقدمه

گسترش جوامع انسانی و تسلط بیش‌تر بر محیط زیست، سبب شده تا تغییرات محیطی سریعتر و گسترده‌تر از قبل به وقوع بپیوندد، بنابراین داشتن اطلاعات لازم در مورد این تغییرات براي اتخاذ سیاست‌هاي اصولی و تدوین برنامه‌هاي توسعه و برقراري نظم طبیعی پایدار اکوسیستم‌ها ضروري است (22). ارزیابی روند تغییرات کاربري اراضی و پوشش زمین منجر به ایجاد درک صحیحی از نحوه‌ی تعامل انسان و محیط زیست می‌شود که پايه‌اي براي فهم بهتر روابط، برهم كنش‌هاي انسان و پديده‌هاي طبيعي براي مديريت، استفاده بهتر از منابع، پیش‌بینی تغییرات آتی و انجام اقدامات مناسب مدیریتی را فراهم مي‌آورد (20). با توجه به پیشرفت روزافزون فن‌آوری‌های نوین برای دسترسی و تجزیه و تحلیل راحت‌تر در زمینه‌های مختلف، علوم سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیای نیز از این قائده مستثنی نبوده و با استفاده از روش‌ها و فناوری‌های نو اطلاعات مکانی را سریع‌تر و ارزان‌تر در اختیار کاربران این بخش قرار داده است  (5 و 16). ویژگی‌هایی از قبیل دید وسیع و یکپارچه، استفاده از طیف مختلف انرژی الکترومغناطیسی به‌منظور ثبت پدیده‌ها، پوشش تکراري و مهم‌تر از همه کم‌هزینه بودن و بالا بودن سرعت تجزیه و تحلیل سبب شده که روش‌های سنجش از دور با استقبال خاصی مواجه شود (14). یکی از رویکردهای تلفیقی با فن سنجش از دور به منظور بررسی روند تغییرات کاربری اراضی، استفاده از سنجه‌های سیمای سرزمین است. بوم‌شناسی سیمای سرزمین شامل بررسی الگوی سرزمین، کنش و واکنش بین لکه‌ها در منظر و چگونگی تغییر الگوها در طول زمان است (23). شناخت روند تغییرات الگوي سیماي سرزمین با استفاده از الگوریتم‌ سنجه‌ها براي کمّی کردن خصوصیات مکانی لکّه‌ها، کلاس‌ها و موزاییک‌هاي کل سیماي سرزمین در دهه‌های اخیر بعد جدیدی را در مطالعات اکولوژیکی بوجود آورده است (2، 18 و 19 ). سنجه‌هاي سیماي سرزمین شاخص‌هايي هستند كه ويژگي شكلي، هندسي و ماهيت پراكنش و توزيع اجزاي ساختار فضايي سيماي سرزمين را قابل تعريف و به صورت کمّی قابل مقایسه می‌سازند (26). سنجه‌های سیمای سرزمین درک مناسبی در ارتباط با ساختار مکانی و عملکرد سرزمین به وجود آورده است که در آن ترکیبی از بوم سازگان‌هاي محلی یا کاربري‌هاي سرزمین در یک منطقه در فرم مشابهی تکرار شده‌اند. از طريق ايجاد ارتباط ميان ساختار و کارکرد سيماي سرزمين و درک بهتر فرايندهاي اکولوژيک عملکرد سیمای سرزمین تعیین می‌شود که نقش مهمی در ارزيابي تغییرات زیست‌محیطی به منظور برنامه‌ريزي و مديريت پايدار دارد (1 و 11). سنجه‌های سیمای سرزمین مي‌توانند به عنوان اساس مقايسه سناريوهاي متفاوت سيماي سرزمين، يا شناخت تغيير و تحولات سيماي سرزمين در طي زمان باشند. مهم‌ترین فرض در این مطالعات بررسی تغییرات مقادیر سنجه‌های سیمای سرزمین در طول زمان، مربوط به تغییر در عملکردهای سرزمین است (16). استفاده از سنجه‌هاي سيماي سرزمين، ضمن صرفه‌جويي در زمان، ارزيابي زيست محيطي پيامد فعاليت‌ها را به صورت تجمعي در کوتاه‌ترين زمان امکانپذير می‌سازد (9). مطالعات مختلفی با استفاده از این سنجه‌ها در زمینه مزایاي سنجه‌هاي سیماي سرزمین و کاربرد آنها در بررسی تغییرات زمانی و توزیع مکانی پوشش و اراضی انجام شده است. مصطفی زاده و همکاران (21) در مقایسه ساختار اراضی مرتع و میزان تخریب پیوستگی سیمای سرزمین در زیرحوزه‌های آبخیز ایریل استان اردبیل به این نتیجه رسیدند که مقادیر لکه‌ها و هسته‌هاي مرکزي در منطقه کم بوده و میزان تخریب سیماي سرزمین در حاشیه لکه‌ها بیشتر است. در تعداد بالا و حاشیه بیشتر لکه‌ها، پیوستگی کاهش یافته و نشاندهنده تخریب مرتع است. زابو و همکاران (29) در تعیین عوامل موثر بر همبستگی متریک‌های چشم‌انداز در 7 نوع کاربری اراضی در حوزه آبخیز رودخانه تیزا در شمال شرق لهستان، به این نتیجه رسیدند که اندازه شبکه سلولی، نوع چشم‌انداز و تعداد طبقات کاربری اراضی بیش‌ترین تاثیر بر همبستگی دورنی میان سنجه‌های سرزمین را داشته است. كاستيلو و همكاران (4) پوشش جنگلي در پارك طبيعي مونكايو اسپانيا را با استفاده از فناوري سنجش از دور، سيستم اطلاعات جغرافيايي و سنجه‌هاي سيماي سرزمين بررسي كردند. اطلاعات به دست آمده از تحليل سنجه‌هاي سيماي سرزمين در تحقیق آنها نشان دهندة افزايش تكه تكه شدن و در نتيجه افزايش تنوع مکانی در سطح سيماي سرزمين است. نظرنژاد و همکاران (24) به بررسی تحلیل تغییرات زمانی مکانی اراضی پردانان پیرانشهر با استفاده از سنجه‌هاي سیماي سرزمین پرداختند. نتایج آنها نشان داد که در اثر دخل و تصرف انسان، ساختار سیماي سرزمین ریزدانه شده، تعداد تکه‌هاي انسان ساخت مصنوعی و نیمه‌طبیعی افزایش یافته و عوامل مزبور منجر به حذف کاربري جنگل و بیشه‌زار متراکم شده است. اتصال و پیوستگی سیماي سرزمین نیز به واسطه افزایش تکه‌هاي کاربري‌هاي متنوع، کاهش پیدا کرده و چشم‌انداز منطقه با حذف تکه‌هاي جنگل در میان پوشش‌هاي انسان ساخت دچار تحول شده است. نصیری و درویش صفت (23) مطالعه‌ای را با عنوان آشکارسازی و تحلیل تغییرات کاربری اراضی منطقه ارسباران با استفاده از سیماي سرزمین انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که نتایج محاسبه سنجه‌های مساحت کل، درصد از سیمای سرزمین و تعداد لکه‌ها نشان‌دهنده تخریب پوشش جنگلی و افزایش سطح اراضی بدون پوشش و مناطق مسکونی در منطقه بود. کاهش شاخص بزرگترین لکه و افزایش شاخص‌های فاصله اقلیدسی، مجاورت و پراکندگی و تکه تکه شدگی برای پوشش جنگلی در طول مدت مطالعه آنها نشان‌دهنده تخریب و از هم گسستگی این اراضی بوده است. بنابراین با توجه به اینکه بخشي از جنبه‌های تغيير کاربری اراضي به جنبه‌های انساني بستگي دارد، مي‌توان از ارتباط بين این شاخص‌های کمي برای تعيين سطح پایداری و همچنين روند آینده تغيير کاربری برای مشخص کردن مناطق بحراني تحت تأثير استفاده کرد. در این رابطه سنجه‌های مساحت لکه، تعداد لکه و متوسط اندازه لکه نيز به‌عنوان شاخص‌های کليدی در بحث پایش تغييرات کاربری اراضي و تغيير چيدمان سيمای سرزمين مي‌باشند.

افزایش جمعیت در دهه‌های اخیر، پتانسیل بالای منطقه برای کشاورزی، افزایش سطح توقعات و تقاضای بیش‌تر برای کسب درآمد، پایین بودن نرخ اشتغال، مطرح شدن منطقه از نظر گردشگری، توسعه راه‌های ارتباطی و همچنین تصمیم‌های نادرست در سال‌های اخیر موجب تغییرات کاربری متعددی در منطقه استان اردبیل شده است (6 و 12). با توجه به اهمیت اکولوژیکی، افزایش جمعیت و پتانسیل بالای منظقه برای کشاورزی شاهد تغییرات گسترده کاربری اراضی در سطح استان اردبیل هستیم، به نظر می‌رسد پژوهش تحلیل تغییرات کاربری/پوشش اراضی با استفاده از سنجه‌های سیمای سرزمین راهی برای کمی کردن اثر تغییرات کاربری اراضی بر سیمای سرزمین و در نتیجه استفاده از نتایج آن برای مدیریت سیمای سرزمین در منطقه مورد مطالعه است. مهم‌ترین فرضیه مطالعه حاضر این است که تغییرات کاربری/پوشش صورت گرفته در طول مدت مطالعه را به کمک سنجه‌های سیمای سرزمین می‌توان به‌درستی تحلیل و بررسی نمود.

 

مواد و روش‌ها

موقعیت منطقه مورد مطالعه

استان اردبیل با مساحت 1757528 هکتار‌ در شمال‌غرب ‌كشور در حد فاصل '15 °47‌ ‌و '56 °48‌ ‌طول ‌شرقي ‌و '9 °37‌ ‌و '42 °39 ‌عرض‌ شمالي واقع شده است‌ (شکل 1). حداقل ارتفاع استان حدود 15 متر و حداکثر ارتفاع آن 4811 متر از سطح دریا است. استان اردبیل براساس اطلاعات ایستگاه‌های سینوپتیک و باران‌سنجی دارای بارندگی بین 250 تا 600 میلی‌متر و دمای میانگین سالانه بین 4/8 تا 4/15 درجه سانتی‌گراد است (17). با وجود کوه‌های متعدد در استان اردبیل، دشت‌های هموار و وسیعی همانند دشت مغان در قسمت شمال، دشت اردبیل در قسمت مرکزی و دشت دامنه‌ای منطقه مشگین‌شهر و ارشق وجود دارد که موجب شده سیمای عمومی استان اردبیل دشت و دامنه‌ای با نمایی کشاورزی تلقی شود. از طرفی وجود کوه‌های متعدد موجب شده تا سطح زیادی از مناطق استان آب و هوای کوهستانی داشته باشد. ارتفاعات عمده منطقه، بخشي از رشته كوه‌هاي سبلان است كه عرصه‌هایي از بخش مركزي و غربي استان اردبیل را پوشش داده است. در نوار شرقی شهرستان‌های خلخال، گرمی و نمین پوشش جنگلی قابل مشاهده است که در اثر نفود رطوبت از کرانه‌های غربی دریای خزر به استان اردبیل شکل گرفته‌اند. کاربری عمده اراضی در سطح استان کشاورزی و مرتع می‌باشد (6 و 12).

 

شکل 1. موقعیت منطقه مورد مطالعه در ایران Fig 1. Location of the study area in Iran

 

روش پژوهش

در این پژوهش از داده‌های سنجنده TM لندست 5 (سال 1987) و سنجنده OLI لندست 8 (سال 2015) در یک بازه زمانی 28 ساله برای ارزیابی روند تغییرات کاربری/پوشش زمین استان اردبیل استفاده شد. به منظور ارزیابی صحت و اصلاح هندسی نقشه‌های کاربری/پوشش اراضی از نقشه‌های توپوگرافی 1:25000 سازمان نقشه برداری کشور استفاده شد. همچنین برای پردازش، طبقه‌بندی و تجزیه و تحلیل داده‌ها از نرم‌افزارهای ENVI 5.1،ArcGIS 10.1، eCognetion 8.7، Google Earth، Imaging 2013  ERDAS و Excel 2013 استفاده شد. لازم به ذکر است چون هدف از این پژوهش، بررسی روند تغییرات کاربری/پوشش اراضی است باید داده‌ها به گونه‌ای از میان تصاویر قابل دسترس انتخاب می‌شدند که تقریبا از نظر ماه به هم نزدیک باشد (جدول 1)، لذا تمامی این داده‌ها در تاریخی نزدیک به هم (اواسط خرداد) اخذ شدند.

 

جدول 1. تصاویر ماهواره‌ای و نقشه‌های توپوگرافی مورد استفاده

Table 1. Satellite images and topographic maps which were used

نوع داده مورد استفاده	نام ماهواره	نام سنجنده	نام منطقه تصویر	تاریخ میلادی اخذ تصویر
تصویر ماهواره‌ای	لندست 5	TM	اردبیل	10/6/1987
	لندست 8	OLI		23/6/2015
	لندست 5	TM	خلخال	10/6/1987
	لندست 8	OLI		23/6/2015
	لندست 5	TM	انزلی	19/6/1987
	لندست 8	OLI		16/6/2015
نقشه‌های توپوگرافی	-	-	استان اردبیل	2003

 

عملیات پیش‌‌پردازش در واقع اعمال کلیه اقداماتی است که ضمن تصحیح کلیه اعوجاج‌‌ها و خطاهای احتمالی، با استخراج اطلاعات اولیه، آن‌‌ها را برای مرحله‌‌ی پردازش آماده می‌‌کند. به منظور كنترل كيفيت داده‌ها و آگاهي از وجود خطاهاي هندسي، راديومتريکی- اتمسفری و توپوگرافیکی تصاوير مورد بررسي اوليه قرار گرفتند (12) پس از بررسی اولیه، تصحیح رادیومتریکی، اتمسفری و هندسی با استفاده از نرم افزار ENVI بر روی تصاویر انجام گرفت. در طبقه‌بندی تصاویر ماهواره لندست سال‌های 1987 و 2015 در استان اردبیل، شش کلاس کاربری/پوشش اراضی مشتمل بر اراضی جنگل، مرتع، مناطق مسکونی و پهنه‌های آبی، زراعت دیم و آبی تعیین شدند. نمونه‌های تعلیمی از سطح تعلیمی از سطح منطقه با استفاده از بازدیدهای میدانی و تصاویر ماهواره Google Earth جمع‌آوری شد. با استفاده از ویژگی‌های تصاویر، کلاس‌های کاربری/پوشش اراضی در محدوده مورد مطالعه وارد و نسبت به قطعه‌بندی (سگمنت‌سازی) در روش شی‌ءگرا اقدام شد (12). در این پژوهش از نرم‌افزار eCognition 8.7 برای طبقه‌بندی شیءگرا و الگوریتم KNN استفاده شد. مقیاس بهینه با استفاده از روش واریانس محلی (Local variance) عدد 42 انتخاب گردید. در این مطالعه تکنیک مقایسه پس از طبقه‌‌بندی جهت آشکارسازی تغییرات کاربری/پوشش اراضی استفاده شد، زیرا برای شناخت این تغییرات به‌طور وسیع مورد استفاده قرار می‌‌گیرد (10). با توجه به در دسترس نبودن اطلاعات میدانی در بازه‌های زمانی انتخاب شده، به منظور تهیه‌ی نقشه‌ی کاربری/پوشش اراضی از بررسی تصاویر رنگی کاذب، خصوصیات طیفی پدیده‌ها، آرشیو Google Earth، عکس‌های هوایی و نقشه‌های توپوگرافی سنواتی و پژوهش‌های انجام شده و مطالعات گذشته و همچنین برداشت نقاط شاهد از منطقه مورد مطالعه با استفاده از GPS استفاده شد. جهت ارزیابی صحت و مقایسه نقشه‌‌های حاصل، از ماتریس خطا، صحت کلی (رابطه 1) و آماره‌‌ی کاپا (رابطه 2) استفاده شد (15 و 26).

در رابطه‌ی فوق، OA نشان‌دهنده‌ی صحت کلی و N معرف تعداد کل پیکسل‌های طبقه‌بندی شده و   نمایه‌ی مجموع پیکسل‌های قطر اصلی ماتریس خطا (تعداد کل پیکسل‌های درست طبقه‌بندی شده) است (25).

]1[

]2[	احتمال توافق – 1 / (احتمال توافق) – (صحت مشاهده شده) = آماره کاپا

برای ارزیابی صحت نقشه‌‌های کاربری/ پوشش اراضی تولید شده از 100 نقطه‌‌ی کنترلی GPS (بازدید میدانی مورخ خرداد ماه 95-1394) کاملاً تصادفی و دارای دسترسی برای کنترل صحت نقشه‌‌های طبقه‌بندی شده استفاده شد.

 

استخراج و انتخاب سنجه‌هاي سيماي سرزمين

پس از تهيه نقشه‌هاي تغییرات کاربری/پوشش اراضی، سنجه‌های مربوط به کاربری/پوشش اراضی در سطح کلاس با استفاده از نرم‌افزار FRAGSTATS (نسخه 2/4) استخراج شدند. از آنجا که سنجه‌های سیمای سرزمین دارای تعدد و تنوع زیادی هستند، يکي از مسائل در استفاده از سنجه‌ها، انتخاب سنجه مناسب است. به دلیل تعداد زیاد سنجه‌ها و وجود همبستگی بین برخی از آن‌ها و به‌منظور پرهیز از تولید اطلاعات اضافی، براساس مرور منابع علمی (8 و 30) و دانش کارشناسی، و با توجه به تناسب سنجه‌ها با هدف مطالعه و توجه به همبستگی بین مفهوم آن‌ها، مجموعه‌ای سنجه‌های سیمای سرزمین مناسب و مرتبط با تغییرات کاربری/پوشش اراضی استخراج شد. سنجه‌های انتخاب شده با معیار مساحت همبستگی دارند که نشان دهنده مقدار تکه تکه شدگی انواع مختلف پوشش سطح زمین و تغییر تصاویر است (3، 7، 16، 27 و 28). مشخصات سنجه‌های سیمای سرزمین انتخاب شده در جدول 2 آمده است. مراحل اجرايي تحقيق، مطابق با شکل 1 بوده است.

 

جدول 2. مشخصات سنجه‌های سیمای سرزمین در ارزیابی تغییرات کاربری/پوشش اراضی

Table 2. Specifications of landscape metrics in assessing land use /land cover changes

سنجه‌های سیمای سرزمین		علامت اختصاری	دامنه تغییرات	واحد	توضیح سنجه
مساحت هر کلاس	Class area	CA	CA>0	هکتار	نسبت مساحت هر کلاس در سیمای سرزمین
درصد از سیمای سرزمین	Percentage of landscape	PLAND	0 < PLAND≤ 100	درصد	سهم نسبی هر کلاسه در سیمای سرزمین
تعداد لکه‌ها	Number of patches	NP	NP ≥ 1	-	تعدا لکه‌ها در سیمای سرزمین و یا تعداد لکه‌ها برای طبقه‌ای خاص
میانگین اندازه لکه	Mean patch size	MPS	-	هکتار	ميانگين اندازه لكه‌ي يك طبقه از لكه‌ها
تراکم حاشیه	Edge density	ED	ED>0	متر در هکتار	محيط هر كلاس تقسيم بر سطح آن
بزرگترین لکه	Largest Patch Index	LPI	%	0-100	درصدی از سیمای سرزمین که توسط بزرگترین لکه اشغال شده است. این سنجه یک اندازه‌گیری ساده از چیرگی است.
حاشیه کل	Total Edge	TE	TE>0	متر	-
تراکم لکه	Patch Density	PD	0<PD	تعداد در 100 هکتار	نشان دهنده تعداد لکه در واحد سطح و فراهم کردن امکان مقایسه بین مساحت‌های مختلف

 

شکل 2. نمودار روش کار تحلیل تغییرات کاربری/پوشش اراضی استان اردبیل با استفاده از سنجه‌های سیمای سرزمین

Fig 2. Methodology flow chart of land use/land cover change analysis in Ardabil province using landscape metrics

نتایج

طبقه بندی شئ‌گرا

نتایج طبقه‌بندی تصاویر و نقشه کاربری/پوشش اراضی تهیه شده به روش شی‌ءگرا برای سال‌های 1987 و 2015 در شکل 3 و 4 ارائه شده است. در نگاه اول تغییر مرتع به کشاورزی دیم و همچنین گسترش زمین‌های زیر کشت آبی به صورت مشخص در نقشه قابل مشاهده است. شکل 5، نقشه تغییرات کاربری‌ و پوشش‌های مختلف سال 2015 را نسبت به سال 1987 نشان می‌دهد.

جدول 4 به طور خلاصه نتایج ارزیابی صحت نقشه‌های کاربری/پوشش اراضی، مساحت کلاس های کاربری/پوشش و تغییرات آن‌ها را نشان می‌دهد. صحت کلی و ضریب کاپا برای تصویر سال 1987 به ترتیب برابر با 3/82 درصد و 7/0 محاسبه شد. کمترین صحت تولیدکننده در نقشه سال 2015 مربوط به کاربری مناطق مسکونی حدود 9/52 درصد است که می‌توان ضعف تصاویر سنجده TM در مقابل سنجنده OLI در تفکیک این کاربری از سایر کاربری‌ها را علت این امر دانست. نقشه مربوط به سال 2015 و سنجنده OLI از صحت بسیار بالایی برخوردار است به طوری که صحت کلی و ضریب کاپای آن به ترتیب برابر با 94 درصد و 9/0 است. کاربری پهنه‌های آبی با صحت تولید کننده 3/86 درصد کمترین صحت را دارا می‌باشد که علت آن را می‌توان خشک بودن بعضی از بندها و آبگیر‌های فصلی مناطق کوهستانی دانست. همچنین ارزیابی تغییرات کاربری/پوشش اراضی و پوشش زمین بین سال‌های 1987 تا 2015 نشان داد که افزایش مساحت در کاربری‌های زراعت دیم، آبی، مناطق مسکونی و پهنه‌های آبی و کاهش جنگل و مرتع است. بیش‌ترین تغییرات کاربری/پوشش مربوط به اراضی مرتعی با کاهش 27/4- درصد است (جدول 4).

 

شکل 3. نقشه کاربری/پوشش اراضی سال 1987 Fig 3. Land use / cover map of 1987

شکل 4. نقشه کاربری/پوشش اراضی سال 2015 Fig 4. Land use / cover map of 2015

 

شکل 5. نقشه پایش تغییرات کاربری/پوشش اراضی در بازه زمانی سال‌های 1987 تا 2015 استان اردبیل Fig 5. Monitoring map of land use / cover changes in the period of 1987 to 2015 in Ardabil province   جدول 4. ارزیابی صحت، مساحت و تغییرات هر یک از کلاس‌های کاربری/پوشش اراضی دربازه زمانی سال‌های 1987 تا 2015 Table 4. Evaluation of the accuracy, area and changes of each of the land use / cover classes in the period of 1987 to 2015

نوع کاربری/پوشش	مساحت (هکتار)			ارزیابی صحت سال 1987		ارزیابی صحت سال 2015
	1987	2015	تغییر سطح	کاربر(%)	تولید کننده (%)	کاربر(%)	تولید کننده (%)
زراعت دیم	553320	4/565952	4/12632	4/81	5/96	9/91	97
جنگل	17239	3/7845	7/9393-	3/94	99	1/97	100
زراعت آبی	6/148842	4/204119	8/55276	9/85	78	4/94	5/91
مرتع	3/1022298	947259	3/75039-	2/71	83	7/88	5/94
مناطق مسکونی	5/15330	2/30320	7/14989	5/92	9/52	3/99	3/92
پهنه‌های آبی	2/498	2322	8/1823	100	100	100	3/86
جمع کل	7/1757528	7/1757528	-	-		-
صحت کل:				3/82		94
ضریب کاپا:				7/0		9/0

 

آشکارسازی تغییرات کاربری/پوشش اراضی

نتایج ارزیابی تغییرات کاربری/پوشش توسط سنجه‌های سیمای سرزمین در سطح کلاس برای کاربری و پوشش‌های مختلف اراضی محاسبه و در اشکال 6 تا 12 ارائه شده است. بیش‌ترین مساحت کاربری/پوشش در هر دو سال 1987 و 2015 مربوط به مرتع (به ترتیب 1022300 و 947114 هکتار) و کمترین مساحت در هر دو سال 1987 و 2015 مربوط به پهنه‌ی آبی (به ترتیب 495 و 2322 هکتار) است. بیش‌ترین تغییر در مساحت کاربری/پوشش در بازه زمانی 1987 تا 2015 مربوط به مرتع با روند کاهشی (75186 هکتار) و کمترین تغییر در مساحت مربوط به پوشش پهنه آبی با روند افزایشی (1827 هکتار) است. بیش‌ترین درصد از سیمای سرزمین در هر دو سال 1987 و 2015 مربوط به مرتع (به ترتیب 17/58 و 89/53 درصد) و کمترین درصد از سیمای سرزمین در هر دو سال 1987 و 2015 مربوط به پهنه‌ی آبی (به ترتیب 03/0 و 13/0 درصد) است. بیش‌ترین تغییر در درصد از سیمای سرزمین در بازه زمانی 1987 تا 2015 مربوط به مرتع با روند کاهشی (28/4 درصد) و کمترین تغییر در درصد از سیمای سرزمین مربوط به پهنه آبی با روند افزایشی (1/0) است (شکل 6).

 

شکل 6. سنجه درصد از سیمای سرزمین در بازه زمانی 1987 تا 2015 Fig 7. Percentage of landscape index of each class in the period 1987 to 2015

بیش‌ترین تعداد لکه در سال 1987 مربوط به مرتع (8632) و در سال 2015 مربوط به زراعت دیم (7885) و کمترین تعداد لکه در هر دو سال 1987 و 2015 مربوط به پهنه‌ی آبی (به ترتیب 11 و 113) است. بیش‌ترین تغییر در تعداد لکه در بازه زمانی 1987 تا 2015 مربوط به زراعت دیم با روند افزایشی (2651) و کمترین تغییر در تعداد لکه مربوط به پهنه آبی با روند افزایشی (102) است (شکل 7). بیش‌ترین میانگین اندازه لکه در هر دو سال 1987 و 2015 مربوط به مرتع (به ترتیب 78/1290 و 43/126 هکتار) و کمترین میانگین اندازه لکه در هر دو سال 1987 و 2015 مربوط به مناطق مسکونی (به ترتیب 44/44 و 90/8 هکتار) است. بیش‌ترین تغییر در میانگین اندازه لکه در بازه زمانی 1987 تا 2015 مربوط به مرتع با روند کاهشی (35/1164 هکتار) و کمترین تغییر در میانگین اندازه لکه مربوط به پهنه آبی با روند کاهشی (75/24 هکتار) است (شکل 8).

 

شکل 7. سنجه تعداد لکه‌ها در بازه زمانی 1987 تا 2015 Fig 8. Number of patches index of each class in the period 1987 to 2015

شکل 8. سنجه میانگین اندازه لکه در بازه زمانی 1987 تا 2015 Fig 9. Mean patch size index of each class in the period 1987 to 2015

 

بیش‌ترین تراکم حاشیه در هر دو سال 1987 و 2015 مربوط به مرتع (به ترتیب 01/6 و 17/79 متر در هکتار) و کمترین تراکم حاشیه در هر دو سال 1987 و 2015 مربوط به پهنه آبی (به ترتیب 02/0 و 12/0 متر در هکتار) است. بیش‌ترین تغییر در تراکم حاشیه در بازه زمانی 1987 تا 2015 مربوط به مرتع با روند افزایشی (78/11 متر در هکتار) و کمترین تغییر در تراکم حاشیه مربوط به جنگل با روند افزایشی (06/0 متر در هکتار) است (شکل 9). بزرگترین لکه در هر دو سال 1987 و 2015 مربوط به مرتع (به ترتیب 25/30 و 97/40 درصد) و کوچکترین لکه در هر دو سال 1987 و 2015 مربوط به پهنه آبی (به ترتیب 01/0 و 02/0 درصد) است. بیش‌ترین تغییر در بزرگترین لکه در بازه زمانی 1987 تا 2015 مربوط به مرتع با روند افزایشی (72/10 درصد) و کمترین تغییر در بزرگترین لکه مربوط به پهنه آبی با روند افزایشی (01/0 متر درصد) است (شکل 10).

 

شکل 9. سنجه تراکم حاشیه در بازه زمانی 1987 تا 2015 Fig 10. Edge density index of each class in the period 1987 to 2015

شکل 10. سنجه بزرگترین لکه در بازه زمانی 1987 تا 2015 Fig 11. Largest Patch Index of each class in the period 1987 to 2015

 

بیش‌ترین حاشیه کل در هر دو سال 1987 و 2015 مربوط به مرتع و کمترین تراکم حاشیه در هر دو سال 1987 و 2015 مربوط به پهنه آبی است. بیش‌ترین تغییر در حاشیه کل در بازه زمانی 1987 تا 2015 مربوط به مرتع با روند افزایشی و کمترین تغییر در حاشیه کل مربوط به جنگل با روند افزایشی است (شکل 11). بیش‌ترین تراکم لکه در هر دو سال 1987 و 2015 مربوط به زراعت دیم (به ترتیب 26/0 و 97/40) و کمترین تراکم لکه در هر دو سال 1987 و 2015 مربوط به پهنه آبی (به ترتیب 001/0 و 005/0) است. بیش‌ترین تغییر در تراکم لکه در بازه زمانی 1987 تا 2015 مربوط به زراعت دیم با روند افزایشی (21/0) و کمترین تغییر در تراکم لکه مربوط به پهنه آبی با روند افزایشی (004/0 متر) است (شکل 12).

 

شکل 11. سنجه حاشیه کل در بازه زمانی 1987 تا 2015 Fig 12. Total Edge index of each class in the period 1987 to 2015

شکل 12. سنجه تراکم لکه در بازه زمانی 1987 تا 2015 Fig 13. Largest Patch Index of each class in the period 1987 to 2015

 

بحث و نتیجه‌گیری

بر اثر فعاليت‌هاي انساني و پديده‌هاي طبيعي، چهرة زمين همواره دستخوش تغيير مي‌شود؛ از اينرو براي مديريت بهينة سرزمین، آگاهي از نسبت تغييرات پوشش كاربري اراضي از موارد ضروري در برنامه‌ريزي محسوب مي‌شود (26). ارزیابی تعداد لکه نشان داد که بیش‌ترین تغییر در طول بازه زمانی 1987 تا 2015 مربوط به کلاس زراعت دیم با روند افزایشی بوده است که با توجه به افزایش جمعیت در دهه‌های اخیر، پتانسیل بالای منطقه برای کشاورزی و افزایش سطح توقعات و تقاضای بیش‌تر برای کسب درآمد بوده که این افزایش بیانگر خردشدگی و وجود اختلال در سرزمین است که در نتیجه سبب کاهش اراضی جنگلی و مرتعی و افزایش اراضی کشاورزی شده است. این نتیجه با نتایج تحقیق نظرنژاد و همکاران (25) در حوزه آبخیز قره‌سو کرمانشاه که بیان کردند که بیش‌ترین تغییرات ناشی از تغییر لکه‌های جنگلی و مرتعی در میان پوشش انسان ساخت و اراضی کشاورزی بوده است، مطابقت دارد. مقایسه تراکم حاشیه نشان داد که گسترش اراضی انسان ساخت و افزایش کاربری‌های کشاورزی (زراعت دیم و آبی)، سبب افزایش تراکم حاشیه لکه‌های مرتعی شده است و حالت تکه تکه بیش‌تری را نسبت به سایر کاربری‌ها داشته است.

با افزایش جمعیت طی سال‌های اخیر و در نتیجه فاصله کم نقاط شهری و روستایی از همدیگر، ساخت و سازه‌های کم تراکم، توسعه شبکه حمل و نقل و رشد نواری یا خطی سبب شده که اندازه لکه کاربری‌های انسان ساخت در طول بازه زمانی مورد مطالعه افزایش یابد. همچنین به منظور تامین نیازهای معیشتی با توجه به پتانسیل اقلیمی منطقه شاهد افزایش اراضی کشاورزی با تغییر اراضی مرتعی در سراسر منطقه به خصوص در شمال (شهرستان‌های پارس آباد و بیله‌سوار) و جنوب (شهرستان خلخال) استان اردبیل هستیم، که موجب کاهش درصد مرتع (از 17/58 به 89/53 درصد) شده است. در واقع روند تغییر مراتع به سمت تکه تکه شدن است که سبب کاهش متوسط اندازه لکه و به‌عبارتی کاهش پایداری مراتع می‌شود (2). از سوی دیگر كاربري انسان ساخت به طرز بسيار ناهمگون و نامناسبي در استان اردبیل گسترش يافته است كه باعث افزايش مرز مشترك با لكه‌هاي طبيعي و در نتيجه افزايش نفوذ در لكه‌هاي طبيعي (جنگل و مرتع) و تخريب بيشتر آن‌ها شده است.

افزایش سنجه مساحت، بزرگترین لکه،حاشیه کل، تراکم لکه و تعداد لکه‌های پهنه‌های آبي در بازه زمانی 1987 تا 2015 به دلیل افزایش سدهای جدید الاحداث مانند سدهای سبلان، ایلخچی، قره قشلاق، سوها، سقزچی و ... در این دوره است. افزایش تقاضا و تمایل به توليد بيشتر و از سوی دیگر دسترسي به منابع آبي در این بازه زمانی، موجب تغيير مرتع به کشاورزی (زراعت آبی) و در نتيجه توسعه سطوح کشاورزی در منطقه شده است. از سوی دیگر با افزایش منابع آبی در استان بیش‌ترین کاهش در بزرگترین اندازه لکه در بازه زمانی مورد مطالعه در زراعت دیم اتفاق افتاده است. افزایش سطح کشاورزی در اثر پيوسته شدن لکه‌ها به یکدیگر موجب کاهش سنجه تعداد لکه و افزایش سنجه متوسط اندازه لکه در اثر کاهش تکه تکه شدگي شده است. عبدالشاه‌نژاد و همکاران (2) در پایش روند تغییرات کاربری اراضی در شمال شرق اهواز نتایج مشابهی گزارش کردند.

اثر تکه تکه شدگی سیمای سرزمین با افزایش تعداد لکه و تراکم حاشیه قابل مشاهده است. ساختار ریزدانه از تعداد زیادی لکه‌های کوچک تشکیل شده و فوق‌العاده تکه تکه شده است. در مقابل ساختار درشت دانه از تعداد کمی لکه‌های بزرک تشکیل شده است (13). از افزایش تعداد لکه‌ها در بازه زمانی مورد مطالعه (از 20065 به 23802 لکه) می‌توان نتیجه گرفت که در اثر دخل و تصرف انسان گرایش سیمای سرزمین در استان اردبیل به سمت ساختار ریزدانه است و تعداد لکه‌های انسان ساخت مصنوعی و نیمه طبیعی افزایش یافته که منجر به کاهش اراضی جنگلی و مرتعی شده است. نتایج نشان داد که اراضی مسکونی و زراعی (کشت دیم و آبی) در بازه زمانی مورد مطالعه روند تغییرات کاملا همسو داشته در صورتی که روند معکوس با اراضی جنگلی و مرتعی دارد که می‌تواند ناشی از اثر مستقیم و شدت تاثیر حضور انسان در تعیین الگوی پراکنش مکانی انواع کاربری‌/پوشش اراضی باشد.

با توجه به رشد کنترل نشده اراضی مسکونی و زراعی (دیم و آبی) در سال‌های اخیر، برای جلوگیری از تخریب بیش‌تر و همچنین حفظ اراضی جنگلی و مرتعی پیشنهاد می‌شود آمایش سرزمین بر مبنای عناصر ساختاری و مفاهیم سیمای سرزمین انجام شود. در مجموع براساس نتایج پژوهش می‌توان گفت که تغییر در ساختار سیماي سرزمین در کاربری‌های با درجات متفاوت صورت گرفته است و کمّی کردن این تغییرات با استفاده از سنجه‌هاي سیماي سرزمین از مواردي است که می‌تواند به تجزیه و تحلیل الگوي تغییرات مکانی کمک نماید. علاوه بر این تفسیر شیوه تغییرات و پیوستگی سیماي سرزمین می‌تواند راهکاري براي تعیین عوامل اصلی اثرات و ارائه راهکارهاي مدیریتی در بهبود ساختار بوم‌شناختی بوم سازگان‌ها و نیز برنامه‌ریزي مدیریت کاربري اراضی باشد.

 

References

1.       Abdolalizadeh1 Z, Ebrahimi A, Mostafazadeh R. 2019. Landscape pattern change in Marakan protected area, Iran. Journal of Regional Environmental Change. 19:1683–1699. https://doi.org/10.1007/s10113-019-01504-9.

2.       Abdolshahnejad M, Nazari Samanni AA, Ghorbani M, Orsham A, Taheri F. 2019. Monitoring trend of land use changes and its role on the landscape metrics (A case study: North-east Ahvaz). Iranian Journal of Range and Desert Research, 26(2): 325-339. https://doi.org/10.22092/IJRDR.2019.119355 (In Persian).

3.       Baatz M, Benz U, Dehghani S, Heynen m. 2004. eCognition user Guide 4. Munich: Definiens Imagine GmbH. 

4.       Castillo EMD, García-Martin A, Aladrén LAL, Luis MD. 2015. Evaluation of forest cover change using remote sensing techniques and landscape metrics in Moncayo Natural Park (Spain). Journal of Applied Geography, 62: 247-255. https://doi.org/10.1016/j.apgeog.2015.05.002.

5.       Ganasri B, Dwarakish G. 2015. Study of land use/land cover dynamics through classification algorithms for Harangi catchment area, Karnataka State, India. Journal of Aquatic Procedia, 4: 1413-1420. https://doi.org/10.1016/j.aqpro.2015.02.183.

6.       Ghorbani A, Kakemami A, Kavianpour H. 2011. Change detection of urban areas in Ardabil Province during the last 5 decades using aerial photography and Landsat images. In: 23rd Asian Conference on Remote Sensing.

7.       Günlü A, Kadıoğulları AI, Keleş S, Başkent EZ. 2009. Spatiotemporal changes of landscape pattern in response to deforestation in Northeastern Turkey: a case study in Rize. Journal of Environmental Monitoring and Assessment, 148(1-4): 127-137. https://doi.org/10.1007/s10661-007-0144-y.

8.       Herold M, Couclelis H, Clarke KC. 2005. The role of spatial metrics in the analysis and modeling of urban land use change. Journal of Computers, Environment and Urban Systems, 29(4): 369-399. https://doi.org/10.1016/j.compenvurbsys.2003.12.001.

9.       Hosseini Vardei M, Mahini AS, Monavari SM, Kheirkhah Zarkesh M. 2012. Using Landscape Metrics in Cumulative Effects Assessment of Road Networkon Tree Cover. Journal of Natural Environment, 65(2): 139-152. https://doi.org/10.22059/JNE.2012.29598. (In Persian).

10.       Jensen JR. 2015. Introductory Digital Image Processing: A Remote Sensing Perspective. Ed 4. Pearson, 656.

11.       Joorabian Shooshtari Sh; Shayesteh K; Gholamalifard M; Azari M; López-Moreno JI. 2017. The Role of Landscape Metrics and Spatial Processes in Performance Evaluation of GEOMOD (Case Study: Neka River Basin). Journal of Geography and Sustainability of Environment, 7(3): 63-80. (In Persian).

12.       Kakehmami A, Ghorbani A, Kayvan BF, Mirzaei MA. 2017. Comparison of visual and digital interpretation methods of land use/cover mapping in Ardabil province. Journal of RS and GIS for Natural Resources, 8(3): 121-134. (In Persian).

13.       Karami A, Feghhi J. 2012. Investigation of Quantitative metrics to protect the landscape in land use by sustainable pattern (Case study: Kohgiluyeh and Boyer Ahmad). Journal of Environmental Studies, 60: 79-88. (In Persian).

14.       Kharazmi R, Abdollahi AA, Rahdari MR, Karkon varnosfaderani M. 2016. Monitoring land use change and its impacts on land degradation and desertification trend using landsat satellite images (Case study: East of Iran, Hamoon Wetland). Journal of Arid Regions Geographic Studies; 7 (25) :64-75. (In Persian).

15.       Kiyani V, Feghhi J. 2015. Investigation of Cover/Land Use Structure of Sefidrod Watershed by Landscape Ecology Metrics. Journal of Environmental Science and Technology, 17(2): 131-141. (In Persian).

16.       Kumar M, Denis DM, Singh SK, Szabó S, Suryavanshi S. 2018. Landscape metrics for assessment of land cover change and fragmentation of a heterogeneous watershed. Journal of Remote Sensing Applications: Society and Environment, 10: 224-233. https://doi.org/10.1016/j.rsase.2018.04.002.

17.       Mehri S, Mostafazadeh R, Esmali-Ouri A, Ghorbani A. 2017. Spatial and Temporal Variations of Base Flow Index (BFI) for the Ardabil Province River, Iran. Journal of the Earth and Physics, 43(3): 623-634. (In Persian).

18.       Melhosseini Darani K; Mortazavi S; Hosseini SM; Shayesteh K; Falahatkar S. 2018. Investigating the visual pollution of non-heterogeneous land uses in the tourist areas (Case study: Dohezar and Sehezar forests of Tonekabon). Journal of RS and GIS for Natural Resources, 9(2): 47-58. (In Persian).

19.       Mirzaei Sh, Esmali-Ouri A, Mostafazadeh R, Ghorbani A, Mirzaei S. 2018. Flood Hydrograph Simulation and Analysis of its Components with Landscape Metrics in Amoughin Watershed, Ardabil Province. Journal of Ecohydrology. 5(2): 357-372. https://doi.org/10.22059/IJE.2018.231141.547. (In Persian).

20.       Mohammadyari F, Mirsanjari MM, Zarandian A. 2019. Monitoring of vegetation changes in Karaj watershed using NDVI index and gradient analysis. Journal of RS and GIS for Natural Resources, 9(4): 55-72. (In Persian).

21.       Mostafazadeh R, Jafari A, Keivan-behjou F. 2018. Comparing the Rangelands Structure and Degradation of Landscape Connectivity in Iril Sub-Watersheds, Ardabil Province. Journal of Applied Ecology. 7(1): 41-53.

22.       Msofe NK, Sheng L, Lyimo J. 2019. Land use change trends and their driving forces in the Kilombero Valley Floodplain, Southeastern Tanzania. Journal of Sustainability, 11(2): 505. https://doi.org/10.3390/su11020505.

23.       Nasiri V, Darvishsefat AA. 2018. Change Detection and Analysis of Land Use Land Cover Changes Using Ecological Landscape Metrics (Case study: Arasbaran region, 1990-2014). Journal of Wood and Forest Science and Technology, 25(4): 1-18. https://doi.org/10.22069/jwfst.2019.14944.1744. (In Persian).

24.       Nazarnejad H, Hoseini M, Hamze S. 2018. Analysis of temporal-spatial variations of land use in Predanan Piranshahr using LandScape Metrics. Journal of Forest Research and Development, 4(2): 241-255. (In Persian).

25.       Nazarnejad H, Hoseini M, Irani T. 2018. Using Landscape Metrics to Assess the Structure Changes of the Landscape of Gharasou Watershed in Kermanshah. Journal of Geography and Environmental Hazards, 7(26): 23-36. https://doi.org/10.22067/geo.v7i2.66958. (In Persian).

26.       Saeed Sabaee M, Salman Mahiny R, Shahraeini SM, Mirkarimi SH, Dabiri N. 2016. Use of Landscape Metrics in Land Use Allocation. Journal of Town and Country Planning, 8(1): 155-175. https://doi.org/10.22059/JTCP.2016.59264. (In Persian).

27.       Singh SK, Srivastava PK, Szabó S, Petropoulos GP, Gupta M, Islam T. 2016. Landscape transform and spatial metrics for mapping spatiotemporal land cover dynamics using Earth Observation data-sets. Journal of Geocarto International, 32(2): 113-127. https://doi.org/10.1080/10106049.2015.1130084.

28.       Southworth J, Munroe D, Nagendra H. 2004. Land cover change and landscape fragmentation-comparing the utility of continuous and discrete analyses for a western Honduras region. Journal of Agriculture, Ecosystems and Environment, 101(2-3): 185-205. https://doi.org/10.1016/j.agee.2003.09.011.

29.       Szabó S, Túri Z, Márton S. 2014. Factors biasing the correlation structure of patch level landscape metrics. Journal of Ecological Indicators, 36: 1-10. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2013.06.030.

30.       Weng Y-C. 2007. Spatiotemporal changes of landscape pattern in response to urbanization. Journal of Landscape and Urban Planning, 81(4): 341-353. https://doi.org/10.1016/j.landurbplan.2007.01.009.

 

 

Analysis of land use/ cover changes in Ardabil province using landscape metrics during the period 1987 to 2015 

 

Abstract

Using landscape metrics to analyze land use/land cover (LU/LC) change can be an appropriate approach to monitoring land use changes. The aim of this study was analysis of the relationship between landscape metrics with different LU/LC in the period 1987 to 2015 (28 years). In order to make LU/LC maps, TM (Thematic Mapper) sensor of 1987 images, OLI (Operational Land Imager) sensor of 2015 images and the object-based method were used. To evaluate the accuracy and comparison of the resulting maps, the error matrix, overall accuracy, and kappa coefficient were used. The class area (CA) index, percentage of landscape (PL), number of patches (NP), mean patch size (MPS), edge density (ED), largest patch index (LPI), total edge (TE) and patch density (PD) were calculated in FRAGSTATS software and their relationship to LU/LC changes was analyzed by comparative analysis method. The results showed that the trend of rangelands is towards fragmentation, which has reduced the MPS from 1290.78 to 126.43 hectares, and in other words, has reduced the stability of rangelands. Increasing CA from 495 to 2322 hectares, the LPI from 0.01 to 0.02 (number per 100 hectares), the TE from 30480 to 212610 meters and the NP from 11 to 113 on the water bodies in the period from 1987 to 2015, are due to the increase in the dam construction during this period. The increase in the NP in the study period from 20065 to 23802, can be due to human intervention, the trend of landscape in Ardabil province is towards fine-grained structure that leads to declining forest and rangelands. In general, man-made land uses have spread in a very heterogeneous way in Ardabil province, which increases the common border with natural patches and as a result increases the influx into forest patches, especially rangelands and further destroys them.

Keywords: Object-baed, Number of patches, Edge density, Patch density, Largest patch index, Remote sensing.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

تحلیل تغییرات کاربری/پوشش اراضی استان اردبیل با استفاده از سنجه‌های سیمای سرزمین در بازه زمانی سال‌های 1987 تا 2015

طرح مسئله: ارزیابی روند تغییرات کاربري اراضی و پوشش زمین منجر به ایجاد درک صحیحی از نحوه‌ی تعامل انسان و محیط زیست می‌شود. سنجه‌های سیمای سرزمین مي‌توانند به عنوان اساس مقايسه سناريوهاي متفاوت سيماي سرزمين، يا شناخت تغيير و تحولات سيماي سرزمين در طي زمان باشند. استفاده از سنجه‌هاي سيماي سرزمين، ضمن صرفه‌جويي در زمان، ارزيابي زيست محيطي پيامد فعاليت‌های انسانی را به صورت تجمعي در کوتاه‌ترين زمان امکانپذير می‌سازد. افزایش جمعیت در دهه‌های اخیر، پتانسیل بالای منطقه برای کشاورزی، افزایش سطح توقعات و تقاضای بیش‌تر برای کسب درآمد، پایین بودن نرخ اشتغال، مطرح شدن منطقه از نظر گردشگری، توسعه راه‌های ارتباطی و همچنین تصمیم‌های نادرست در سال‌های اخیر موجب تغییرات کاربری متعددی در سطح استان اردبیل شده است. با توجه به اهمیت اکولوژیکی منطقه، به نظر می‌رسد پژوهش تجزیه و تحلیل ارتباط سنجه‌های سیمای سرزمین با تغییرات کاربری/پوشش اراضی استان اردبیل در بازه زمانی سال‌های 1987 تا 2015 راهی برای کمی کردن اثر این تغییرات بر سیمای سرزمین است.

هدف: ارزیابی تغییرات کاربری/پوشش اراضی استان اردبیل با استفاده از سنجش از دور و تجزیه و تحلیل ارتباط سنجه‌های سیمای سرزمین با تغییر کاربری‌ها و پوشش‌های مختلف در بازه زمانی سال‌های 1987 تا 2015 (28 ساله) بوده است.

روش تحقیق: در این پژوهش از داده‌های سنجنده TM لندست 5 (سال 1987) و سنجنده OLI لندست 8 (سال 2015) در یک بازه زمانی 28 ساله برای ارزیابی روند تغییرات کاربری/پوشش زمین استان اردبیل استفاده شد. به منظور ارزیابی صحت و اصلاح هندسی نقشه‌های کاربری/پوشش اراضی از نقشه‌های توپوگرافی 1:25000 سازمان نقشه برداری کشور استفاده شد. همچنین برای پردازش، طبقه‌بندی و تجزیه و تحلیل داده‌ها از نرم‌افزارهای ENVI 5.1،ArcGIS 10.1، eCognetion 8.7، Google Earth، ERDAS Imaging 2013 و Excel 2013 استفاده شد. پس از تهيه نقشه‌هاي تغییرات کاربری/پوشش اراضی، سنجه‌های مربوط به کاربری/پوشش اراضی در سطح کلاس با استفاده از نرم‌افزار FRAGSTATS (نسخه 2/4) استخراج شدند. به‌منظور پرهیز از تولید اطلاعات اضافی، براساس مرور منابع و دانش کارشناسی، و با توجه به تناسب سنجه‌ها با هدف مطالعه و توجه به همبستگی بین مفهوم آن‌ها، مجموعه‌ای سنجه‌های سیمای سرزمین مناسب و مرتبط با تغییرات کاربری/پوشش اراضی استخراج شد. سنجه‌های مساحت کلاس، درصد از سیمای سرزمین، تعداد لکه، میانگین اندازه لکه، تراکم حاشیه، بزرگترین لکه، حاشیه کل و تراکم لکه محاسبه و ارتباط آن‌ها با تغییرات کاربری/پوشش به روش مقایسه‌ای روند تجزیه و تحلیل شد.

نتایج و بحث: بیش‌ترین تغییر در میانگین مساحت کاربری/پوشش و اندازه لکه در بازه زمانی 1987 تا 2015 (به ترتیب 75186 و 35/1164 هکتار) مربوط به مرتع با روند کاهشی است. با افزایش جمعیت طی سال‌های اخیر و در نتیجه فاصله کم نقاط شهری و روستایی از همدیگر، ساخت و سازه‌های کم تراکم، توسعه شبکه حمل و نقل و رشد نواری یا خطی سبب شده که اندازه لکه کاربری‌های انسان ساخت در طول بازه زمانی مورد مطالعه افزایش یابد. همچنین به منظور تامین نیازهای معیشتی با توجه به پتانسیل اقلیمی منطقه شاهد افزایش اراضی کشاورزی با تغییر اراضی مرتعی در سراسر منطقه به خصوص در شمال (شهرستان‌های پارس آباد و بیله‌سوار) و جنوب (شهرستان خلخال) استان اردبیل هستیم، که موجب کاهش درصد مرتع (از 17/58 به 89/53 درصد) شده است. در واقع روند تغییر مراتع به سمت تکه تکه شدن است که سبب کاهش متوسط اندازه لکه و به‌عبارتی کاهش پایداری مراتع می‌شود. از سوی دیگر كاربري انسان ساخت به طرز بسيار ناهمگون و نامناسبي در استان اردبیل گسترش يافته است كه باعث افزايش مرز مشترك با لكه‌هاي طبيعي و در نتيجه افزايش نفوذ در لكه‌هاي طبيعي (جنگل و مرتع) و تخريب بيشتر آن‌ها شده است. افزایش سنجه مساحت، بزرگترین لکه، حاشیه کل، تراکم لکه و تعداد لکه‌های پهنه‌های آبي در بازه زمانی 1987 تا 2015 به دلیل افزایش سدهای جدید الاحداث در این دوره است. افزایش تقاضا و تمایل به توليد بيشتر و از سوی دیگر دسترسي به منابع آبي در این بازه زمانی، موجب تغيير مرتع به کشاورزی (زراعت آبی) و در نتيجه توسعه سطوح کشاورزی در منطقه شده است. از سوی دیگر با افزایش منابع آبی در استان بیش‌ترین کاهش در بزرگترین اندازه لکه در بازه زمانی مورد مطالعه در زراعت دیم اتفاق افتاده است. ارزیابی تعداد لکه نشان داد که بیش‌ترین تغییر در طول بازه زمانی 1987 تا 2015 مربوط به کلاس زراعت دیم با روند افزایشی (2651) بوده است که با توجه به افزایش جمعیت در دهه‌های اخیر، پتانسیل بالای منطقه برای کشاورزی و افزایش سطح توقعات و تقاضای بیش‌تر برای کسب درآمد بوده که این افزایش بیانگر خردشدگی و وجود اختلال در سرزمین است که در نتیجه سبب کاهش اراضی جنگلی و مرتعی و افزایش اراضی کشاورزی شده است. بیش‌ترین تغییر در تراکم حاشیه در بازه زمانی 1987 تا 2015 مربوط به مرتع با روند افزایشی (78/11 متر در هکتار) و کمترین تغییر در تراکم حاشیه مربوط به جنگل با روند افزایشی (06/0 متر در هکتار) است. مقایسه تراکم حاشیه نشان داد که گسترش اراضی انسان ساخت و افزایش کاربری‌های کشاورزی (زراعت دیم و آبی)، سبب افزایش تراکم حاشیه لکه‌های مرتعی شده است و حالت تکه تکه بیش‌تری را نسبت به سایر کاربری‌ها داشته است. افزایش سطح کشاورزی در اثر پيوسته شدن لکه‌ها به یکدیگر موجب کاهش سنجه تعداد لکه و افزایش سنجه متوسط اندازه لکه در اثر کاهش تکه تکه شدگي شده است. از افزایش تعداد لکه‌ها در بازه زمانی مورد مطالعه (از 20065 به 23802 لکه) می‌توان نتیجه گرفت که در اثر دخل و تصرف انسان گرایش سیمای سرزمین در استان اردبیل به سمت ساختار ریزدانه است و تعداد لکه‌های انسان ساخت مصنوعی و نیمه طبیعی افزایش یافته که منجر به کاهش اراضی جنگلی و مرتعی شده است. نتایج نشان داد که اراضی مسکونی و زراعی (کشت دیم و آبی) در بازه زمانی مورد مطالعه روند تغییرات کاملا همسو داشته در صورتی که روند معکوس با اراضی جنگلی و مرتعی دارد که می‌تواند ناشی از اثر مستقیم و شدت تاثیر حضور انسان در تعیین الگوی پراکنش مکانی انواع کاربری‌/پوشش اراضی باشد.

نتیجه‌گیری: با توجه به رشد کنترل نشده اراضی مسکونی و زراعی (دیم و آبی) در سال‌های اخیر، برای جلوگیری از تخریب بیش‌تر و همچنین حفظ اراضی جنگلی و مرتعی پیشنهاد می‌شود آمایش سرزمین بر مبنای عناصر ساختاری و مفاهیم سیمای سرزمین انجام شود. تغییر در ساختار سیماي سرزمین در کاربری‌های با درجات متفاوت صورت گرفته است و کمّی کردن این تغییرات با استفاده از سنجه‌هاي سیماي سرزمین از مواردي است که می‌تواند به تجزیه و تحلیل الگوي تغییرات مکانی کمک نماید.

واژگان کلیدی: شئ‌گرا، تعداد لکه، تراکم حاشیه، تراکم لکه، بزرگترین لکه، سنجش از دور.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Analysis of land use/ cover changes in Ardabil province using landscape metrics during the period 1987 to 2015

Statement of the Problem: Assessing the process of land use and land cover (LULC) changes leads to a clear understanding of how humans and the environment interact. Landscape metrics can be used as a basis for comparing different scenarios of landscape, or recognizing changes and developments in landscape over time. The use of landscape metrics, while saving time, makes it possible to assess the environmental impact of human activities in the shortest time. Population growth in recent decades, the region's high potential for farming, rising expectations and higher demand for income, low employment rates, tourism in the region, the development of communication routes, as well as inapproprate decisions in recent years have led to many changes in Ardabil province. Given the ecological importance of the study area, it seems that the analysis of the relationship between landscape metrics and LULC changes of Ardabil province in the period 1987 to 2015 is a way to quantify the impact of these changes on landscape.

Purpose: Assessment of LULC changes in Ardabil province using remote sensing and analysis of the relationship between landscape metrics and LULC changes in the period from 1987 to 2015 (28 years).

Methodology: In this study, the data of Landsat 5 Thematic Mapper (TM) sensor (1987) and Landsat 8 Operational Land Imager (OLI) sensor (2015) were used in a 28-year period to evaluate the trend of LULC changes in Ardabil province. In order to accuracy assessment and geometric correction of LULC maps, 1: 25000 topographic maps of the National Cartographic Center of Iran were used. softwares such as ENVI 5.1, ArcGIS 10.1, eCognetion 8.7, Google Earth, ERDAS Imaging 2013 and Excel 2013 were also used for data processing, classification and analysis. After preparing LULC change maps, LULC metrics were extracted using the FRAGSTATS software (version 2.4). In order to avoid the production of additional information, based on the literature review and expert knowledge, and according to the appropriateness of the criteria with the aim of studying and paying attention to the correlation between their, a set of landscape metrics related to LULC change was extracted. Then, the index of class area (CA), percentage of landscape (PL), number of patches (NP), mean patch size (MPS), edge density (ED), largest patch index (LPI), total edge(TE) and patch density (PD) were calculated and their relationship to LU/LC changes was analyzed by comparative analysis method.

Results and discussion: The biggest change in the mean patch size of LULC in the period of 1987 to 2015 (75186 and 1164.354 hectares, respectively) is related to rangelands with decreasing trend. Population growth in recent years and the resulting to decrease distances between urban and rural areas, low-density construction, transportation network development, and strip or linear growth have led to an increase in the number of man-made patches over time. Moreover, in order to meet the living needs, considering the climatic potential of the region, we are witnessing an increase in farmlands by changing rangelands throughout the region, especially in the north (Parsabad and Bilesvar counties) and south (Khalkhal county) of Ardabil province, which reduces the percentage of rangelands ( From 58.17 to 53.89%). In fact, the process of rangelands change is fragmented, which reduces the mean patch size and, in other words, reduces the stability of the rangelands. On the other hand, man-made land use types have spread in a very heterogeneous and inappropriate way in Ardabil province, which has increased the common border with natural patch and as a result has increased the influence on natural patch (forests and rangelands) and further destroyed them. The increase in class area, largest patch index, total edge, patch density and number of patches of water bodies in the period 1987 to 2015 are due to the increased construction of dams in this period. The increase in requirement and the desire to produce more, and on the other hand the availability of water resources in this period, has changed the rangelands to farmlands (irrigated farming) and as a result, the development of agricultural levels in the region. On the other hand, with the increase of water resources in the province, in the largest patch index of the patches occurred during the study period in dry farming lands. Evaluation of the number of patches showed that the biggest change during the period 1987 to 2015 was related to dry farming class with an increasing trend (2651), which due to human population growth in recent decades, high potential of the region for agriculture and increasing expectations and demand to earn money, this increase indicates the fragmentation and disruption of the landscape, which has resulted in a decrease in forest and rangelands and an increase in farmland land uses. The highest changes in edge density in the period 1987 to 2015 are related to rangelands with increasing trend (11.78 m / ha) and the lowest change in edge density is related to forest with increasing trend (0.66 m / ha). Comparison of edge density showed that the expansion of man-made lands and the increase in agricultural land use (dry and irrigated farming) have increased the edge density of rangeland patches and have been fragmented more than other. The increase in the agriculture level due to the joining of the patches to each other has caused the decrease in the number of patches and the increase in the mean patch size due to the reduction of fragmentation. From the increase in the number of patches in the study period (from 20065 to 23802 patches), it can be concluded that due to human intervention and occupation, the tendency of land appearance in Ardabil province is towards fine-grained structure and the number of man-made artificial and semi-natural patches which has reduced forest and rangelands. The results showed that residential and farmlands (dry and irrigated farming) during the study period had a perfectly aligned change trend, while the reverse trend with forest and rangelands, which can be due to the direct effect and intensity of human presence in determining the distribution pattern for all kinds of LULC.

Conclusion: Due to the uncontrolled growth of residential and farmlands (dry and irrigated farming) in recent years, to prevent further destruction and also to preserve forest and rangelands, it is recommended to perform land use planning based on structural elements and concepts of landscape. The change in the landscape structure has taken in land use types with different degrees, and quantifying these changes using landscape metrics is one of the issues which can help analyze the pattern of spatial changes.

 

Keywords: Object-baed, Number of patches, Edge density, Patch density, Largest patch index, Remote sensing.

---