Quantitative estimation of sand dunes using UAV imaging in Sistan sub-arid region
Subject Areas : Natural resources and environmental management
saeed pourmorteza
1
,
Hamid Gholami
2
,
Alireza Rashki
3
,
Navaz Moradi
4
1 - Department of Natural Resources Engineering, University of Hormozgan, Bandar-Abbas, Hormozgan, Iran
2 - Department of natural resources engineering, University of Hormozgan
3 - Department of Desert and Arid zone Management, Faculty Natural Resources and Environment, Ferdowsi University of Mashhad
4 - Department of natural resources engineering, University of Hormozgan
Keywords: UAV, sand dune, Sistan Plain, Quantification,
Abstract :
Sand dunes are one of the most important facies of wind erosion. Our understanding of the complex interactions of sand dunes is often limited by the lack of accurate morphological data. The erosion and sedimentation process is very important and there is currently a lack of field data for executive projects, study plans and validation of erosion and sedimentation models. Images of the study area were taken using a Phantom 4 Pro UAV at an altitude of 60 meters on September 22, 2019. This type of UAV, which is small and light, with its 20-megapixel camera and GPS, can provide high quality images. After separating the dunes, a three-dimensional area in terms of square meters and volume in terms of cubic meters were obtained. And the product of a small amount of bulk density of soil in terms of cubic centimeters and the volume of dunes in terms of cubic meters The weight of the dunes was obtained in terms of tons.In the study, the slope percentage and sediment height were determined based on the windward part and the wind shelter of the dune The highest wind area was slope 10-20% And the maximum sediment is in the slope of 70-100% And in the wind shelter, the maximum area was on a slope of 30-50% And the highest sediment was determined in the slope of 70-100% .
_||_
برآورد کمی تپههای ماسهای با استفاده از تصویربرداری با پهپاد در منطقه فراخشک سیستان
چکیده
کلمات کلیدی: تپه ماسهای، پهپاد، کمیسازی، دشت سیستان
مقدمه
بیابان ها یکی از اصلیترین مناطق روی زمین هستند و حدود یک پنجم سطح زمین را شامل میشوند اراضی بیابانی همواره در حال گسترش هستند (23) تپه های ماسه ای یکی از مناطق بیابانی ایران هستند و گستره قابل توجهی از مساحت بیابان¬های ایران را به خود اختصاص داده اند (1) نتایج مطالعات در مقیاس 1:25000 در ایران نشان میدهد که تپههای ماسهای تقریباً 6/4 میلیون هکتار مساحت را پوشش میدهد (2) یکی از نشانههای مناطق خشک و نیمهخشک وجود تپههای ماسهای است تپههای ماسهای یک سیستم منحصربهفرد را تشکیل میدهند که متحرک یا ثابت هستند شاخصهای متداول تحرک تپههای ماسهای مربوط به باد و میزان بارندگی است (22) شکل تپه های ماسه ای از اثر نیروی باد و ترکیب ماسههای در دسترس حاصل میشود (8) مورفولوژی تپههای ماسهای در مناطق خشک عمدتاً توسط رژیم بادهای تکجهتی و چندجهتی، در دسترس بودن ماسه و توپوگرافی و موانع بستر آنها و وضعیت پوشش گیاهی بستگی دارد (25) درک ما از فعل‌وانفعالات پیچیده بین جریان باد و حمل‌ونقل ماسه اغلب به دلیل فقدان دادههای مورفولوژیکی دقیق محدود میشود (12). مطالعات رخسارههای فرسایش بادی و کنترل ماسههای روان نیاز به یک دانش متناسب دارد (7) تفکیک تپههای ماسهای با استفاده از ابزارهای میدانی معمولا دشوار است زیرا دادههای پراکنده تولید میکنند(23)درعین‌حال بررسی فعالیت تپههای ماسهای با استفاده از دادهها و تصاویر ماهوارهای و تکنیکهای سنجش‌ازدور یکی از مهم‌ترین روشها در طول چهار دهه گذشته بوده است (10)؛ از دهه 1970 سنجش‌ازدور امکان بررسی سطحهای وسیع تپههای ماسهای را با هزینههای نسبتاً کم و با مشاهدات موقتی مداوم فراهم کرده است و نقش مهمی در درک چگونگی تکامل محیطهای بادی ایفا میکنند و دانش ما را در مورد سیستمهای بادی به میزان زیادی ارتقا میدهد در زمینه سنجش‌ازدور پیشرفتها در سه موضوع تحقیقاتی عبارت بوده‌اند از 1) نقشهبرداری وسیع از مناطق تپهای؛ و تشخیص انواع تپه که موردتوجه ژئومورفولوژیستهای فرسایش بادی بوده و پیشرفتهای مستمری در اصلاح طرحهای طبقهبندی و توسعه تکنیکهای طبقهبندی صورت گرفته است 2) کمیسازی الگوی تپهها؛ که برای دست یافتن به این مهم وضوح تصویر و کیفیت دادهها ضروری بوده است 3) نظارت بر دینامیک تپهها؛ که معمولاً به‌صورت جابجایی تپهها، فعل‌وانفعالات تپهها و مورفودینامیک آنها نشان داده میشود. درحالی‌که جهتگیریهای آینده سنجش‌ازدور تپهها در چند حوزه کاری در حال برجسته شدن هستند یکسان کردن مدلهای طبقهبندی در رابطه با مرفولوژی تپهها، توسعه روشهایی که قادر به تشخیص اشکال متنوع تپهها در گستره فضایی بزرگ هستند، طراحی مدلهایی با قوانین تطبیقی پیچیدهتر برای تعیین جابجایی تپهها، و بهبود تجزیه‌وتحلیل کمی تپهها است (26). و از این روش بر روی سطح گسترش تپهها دینامیک و پویایی آنها استفاده کردهاند (3) درک فرآیند فرسایش و رسوب بسیار اهمیت دارد و در حال حاضر کمبود دادههای میدانی برای انجام پروژههای اجرایی، طرحهای مطالعاتی و اعتبار سنجی مدلهای فرسایش و رسوب وجود دارد. به‌تازگی پهپادهایی که از سالیان گذشته در کاربردهای نظامی و استراتژیک مورد استفاده قرار میگرفتند، امروزه در تحقیقات میدانی و علمی ابزاری جذاب شناخته میشوند و به‌عنوان یک نتیجه از پیشرفتهای تکنولوژی سریع و کم‌هزینه از وسایل نقلیه بدون سرنشین هستند؛ که سطح بالایی از انعطافپذیری عملیاتی را دارند و با عنایت به مجهز شدن به سیستم مکانیاب ماهوارهای و دوربینهایی با دقت و کیفیت بالا قادر به استفاده در عرصههای کشاورزی و منابع طبیعی هستند؛ که این حوزه تحقیقاتی بسیار بالقوه است زیرا پردازش این تصاویر جدید و گسترده است (17) و محققین با استفاده از پهپاد اندازهگیری پوشش گیاهی تپههای ساحلی (13) و تغییرات ژئومورفولوژیکی تپهها (9) مورفودینامیک تپههای ماسهای (12) اندازهگیری تغییرات در تپههای ساحلی (11) و عوامل مؤثر بر حرکت تپهها (16) را انجام داده‌اند مطالعه با استفاده از تصاویر پهپادی و تهیه توپوگرافی سهبعدی دقیق اغلب مبنایی را برای مطالعه تکامل بادی فراهم کرده است.(20) و تصاویر هوایی جایگزین مناسبی برای روشهای اندازهگیری هست (15) و هدف این مطالعه کمی سازی تپهها و اجزای آنها است.
منطقه موردمطالعه
سیستان در شمال استان سیستان و بلوچستان و جنوب شرقی ایران واقع‌شده است(شکل.1) آب‌وهوای سیستان بسیار خشک با میانگین بارش سالیانه 55 میلی‌متر که در زمستان رخ میدهد که مقدار تبخیر و تعرق بیش از 4000 میلی‌متر در سال است (14) این منطقه دشتی هموار با ارتفاع 480 متری از سطح دریا است و یکی از فعالترین کانونهای بحرانی به دلیل بادهای 120 روزه در ایران است (18).
شکل 1. موقعیت سیستان در استان سیستان و بلوچستان و کشور ایران و تصویر آرتوفتوموزاییک منطقه موردمطالعه
Fig1. Location of Sistan in Sistan and Baluchestan province and Iran and ortophoto mosaics image of the study area
عملیات تصویربرداری و پردازش
تصاویر منطقه موردمطالعه با استفاده از پهپاد فانتوم 4 پرو در ارتفاع پرواز 60 متری در 31 شهریور 1398 برداشت شد این نوع پهپاد که کوچک و سبک است با داشتن لرزش گیر و دوربین 20 مگا پیکسلی و مکانیاب ماهوارهای امکان تهیه تصاویر با کیفیت و مختصات دار را دارد و استفاده از این نوع پهپاد برای کارهای فتوگرامتری بسیار رایج است تعدادی نقاط کنترل زمینی نیز به‌منظور ژئورفرنس کردن با برداشت توسط سیستم مکانیاب ماهوارهای سه فرکانسه استفاده گردید تولید مدل با استفاده از نرم‌افزار (Agi soft metashap) صورت گرفت و مدل ارتفاعی دیجیتال 4 سانتیمتری و آرتوفتوموزاییک 1 سانتیمتری تهیه شد با استفاده از نرم‌افزار (Arc Map) محدوده تپهها و قسمت بادخیز و بادپناه تفکیک گردید پس از مشخص شدن محدوده تپهها حجم و مساحت سهبعدی حساب گردید برای به دست آوردن وزن تپهها بعد از به دست آمدن وزن مخصوص ظاهری خاک به مقدار 63/1 از حاصلضرب آن با حجم تپه وزن تپهها مشخص گردید پس از جداسازی قسمتهای بادخیز و بادپناه در 5 تپه قسمتهای جدا شده بادخیز و بادپناه در دو گروه مجزا با نقشههای درصد شیب، درصد زبری و جهت شیب که طبقه‌بندی‌شده بودند سنجیده شدند تا اثر متقابل آنها بر مقدار رسوب مشخص گردد.
نتایج
پس از تفکیک و جداسازی تپهها بر اساس جدول (1) مساحت سهبعدی برحسب مترمربع و حجم برحسب مترمکعب به دست آمد و از حاصلضرب مقدار کمی وزن مخصوص ظاهری خاک برحسب سانتیمترمکعب و حجم تپهها برحسب مترمکعب مقدار وزنی تپهها بر حسب تن به دست آمد.
جدول 1. نتایج حجم و مساحت سهبعدی و وزن هر تپه به تفکیک
Table1. Results of 3-d volume and area and weight of each dune separately
تپهها | مساحت سهبعدی (مترمربع) | حجم (مترمکعب) | وزن (تن) | ||||
تپه )A( | 1913 | 65/34 | 56/4795 | ||||
تپه )B( | 7/1835 | 91/31 | 52/0133 | ||||
تپه )C( | 1/842 | 55/29 | 48/1665 | ||||
تپه )D( | 21/1411 | 73/40 | 66/3899 | ||||
تپه )E( | 04/2594 | 03/32 | 52/2089 | ||||
در نقشه آرتوفتوموزاییک (شکل.2) نحوه جداسازی قسمتهای مختلف تپه (بادخیز و بادپناه) مشخص شده است در (شکل.3) مدل ارتفاعی رقومی منطقه آورده شده است در (شکل.4) جهت شیب که به 9 جهت طبقه‌بندی‌شده است و در (شکل.5) و(شکل.6) نقشه شیب و زبری که بر اساس درصد در 7 گروه طبقه‌بندی‌شده نشان داده شده است.
شکل 2. نقشه آرتوفتوموزاییک و نحوه جداسازی تپه و قسمت باخیز و بادپناه
Fig2. Orthophoto mosaic map and how to separate the dune and the part wind ward and wind shelter
شکل 3. مدل ارتفاعی رقومی منطقه موردمطالعه
Fig3. Digital elevation model of the study area
شکل 4. نقشه جهت شیب منطقه موردمطالعه
Fig4. Map of the aspect of the study area
شکل 5. نقشه درصد شیب منطقه موردمطالعه
Fig5. Map of the slope percentage of the study area
شکل 6. نقشه درصد زبری منطقه موردمطالعه
Fig6. Map of roughness percentage of the study area
در بررسی درصد شیب و ارتفاع رسوب بر اساس(شکل.3) ، (شکل.5) و (جدول.2) در قسمت بادخیز و بادپناه تپه مشخص گردید که بیشترین مساحت بادخیز در شیب 10-20 درصد بود و بیشترین رسوب در شیب 70-100 درصد هست و در قسمت بادپناه بیشترین مساحت در شیب 30-50 درصد بود و بیشترین رسوب نیز در شیب 70-100 درصد مشخص گردید.
جدول 2. بررسی ارتفاع رسوب دردرصد شیب طبقهبندی شده در اجزای تپه (بادخیز و بادپناه)
Table2. Investigation of sediment height as a percentage of slope classified in dune components (wind ward and wind shelter)
درصد شیب بادخیز | مساحت (مترمربع) | میانگین (متر) | درصد شیب بادپناه | مساحت(مترمربع) | میانگین ارتفاع رسوب(متر) |
0-5 | 7957/579 | 456021/5 | 0-5 | 26754/15 | 08569/4 |
5-10 | 051/1059 | 310782/5 | 5-10 | 68971/35 | 158747/4 |
10-20 | 865/2044 | 068784/5 | 10-20 | 1187/112 | 187978/4 |
20-30 | 053/1499 | 973582/4 | 20-30 | 4469/187 | 066321/4 |
30-50 | 585/1243 | 042225/5 | 30-50 | 1436/433 | 047881/4 |
50-70 | 4093/467 | 473538/5 | 50-70 | 5884/132 | 241873/4 |
70-100 | 5685/253 | 838805/5 | 70-100 | 94036/38 | 658779/4 |
در بررسی درصد زبری و ارتفاع رسوب بر اساس(شکل.3) ،(شکل.6)و (جدول.3) در قسمت بادخیز و بادپناه تپه مشخص گردید که بیشترین مساحت بادخیز در زبری 40-50 درصد بود و بیشترین رسوب در زبری 0-20 درصد هست و در قسمت بادپناه بیشترین مساحت در زبری 40-50 درصد بود و بیشترین رسوب نیز درزبری 70-100 درصد مشخص گردید.
جدول 3. بررسی ارتفاع رسوب دردرصد زبری طبقهبندی شده در اجزای تپه (بادخیز و بادپناه)
Table3.Investigation of sediment height in the percentage of roughness classified in dune components (wind ward and wind shelter)
درصد زبری بادخیز | مساحت(مترمربع) | میانگین(متر) | درصد زبری بادپناه | مساحت(مترمربع) | میانگین(متر) |
0-20 | 0911/10 | 115879/6 | 0-20 | 082889/1 | 087597/5 |
20-30 | 1241/152 | 103482/5 | 20-30 | 45828/19 | 72346/4 |
30-40 | 8075/874 | 134816/5 | 30-40 | 76788/91 | 806366/3 |
40-50 | 806/2786 | 999147/4 | 40-50 | 6989/375 | 67896/3 |
50-60 | 515/2553 | 190057/5 | 50-60 | 1286/315 | 323007/4 |
60-70 | 7227/636 | 652982/5 | 60-70 | 3562/118 | 855763/4 |
70-100 | 2608/133 | 031665/6 | 70-100 | 70243/33 | 157149/5 |
در بررسی جهت شیب و ارتفاع رسوب بر اساس(شکل.3) ،(شکل.4) و (جدول.4) در بادخیز و بادپناه تپه مشخص گردید که بیشترین مساحت بادخیز در جهت شمالشرقی بود و بیشترین رسوب در جهت جنوب هست و در قسمت بادپناه بیشترین مساحت در جهت جنوب بود و بیشترین رسوب نیز درجهت شرقی مشخص گردید.
جدول4.بررسی ارتفاع رسوب در جهت شیب طبقهبندی شده در اجزای تپه (بادخیز و بادپناه)
Table4.Investigation of sediment height in the aspect classified in the dune components (wind ward and wind shelter)
جهت شیب بادخیز | مساحت(مترمربع) | میانگین(متر) | جهت شیب بادپناه | مساحت(مترمربع) | میانگین(متر) |
F | 072972/1 | 02505/5 | F | 015867/0 | 525906/3 |
N | 355/1253 | 931832/4 | N | 80577/18 | 139039/4 |
NE | 343/1329 | 806581/4 | NE | 21009/39 | 283845/4 |
E | 0996/806 | 059461/5 | E | 91/112 | 352619/4 |
SE | 2268/554 | 536108/5 | SE | 824/220 | 313411/4 |
S | 7312/538 | 692947/5 | S | 9463/299 | 821044/3 |
SW | 3374/710 | 688825/5 | SW | 3989/212 | 166953/4 |
W | 6305/856 | 263838/5 | W | 12488/34 | 27625/4 |
NW | 532/1097 | 081983/5 | NW | 95931/16 | 293257/4 |
در این پژوهش اندازهگیری کمی تپههای ماسهای در منطقه موردمطالعه سیستان در واحد تپه و اجزای آن بادخیز و بادپناه صورت گرفت مدل ارتفاعی رقومی 4 سانتیمتری با وضوح بالا به ما امکان احتساب حجم و مساحت سهبعدی، ارتفاع رسوب، درصد زبری، درصد شیب، و جهت شیب را داد.نتایج ما در این پژوهش 4 بخش داشت.
در بخش اندازهگیری کمی تپهها تاکنون در پژوهشهایی که توسط محققین (4) با تصاویر ماهوارهای بر روی مساحت تپههای ماسهای انجام‌گرفته است درواقع سطح تپههای ماسهای در ابعاد وسیع مطالعه گردیده است نتایج در مطالعه (21) نشان داد که امکان تفکیک مکانی در محدوده تپه و اجزای آن با تصاویر ماهوارهای وجود ندارد ولی در این مطالعه با استفاده از پهپاد اندازهگیری کمی تپهها انجام شد و با توجه به اینکه تپههای ماسهای با داشتن شکل هندسی و ابعاد مختلف امکان اندازهگیری دقیق آنها توسط ابزارهای متداول که تاکنون استفاده‌شده است وجود ندارد و اندازه سطح مقطع سهبعدی تپهها با داشتن ابعاد انحنا و زوایای مختلفی که دارند همواره از یک سطح صاف و هموار بیشتر است ولی با استفاده از پهپاد میتوان این ابعاد را به‌خوبی مشخص و حجمها و مساحتهای سهبعدی را به دست آوریم؛ و دانستن این مهم در برنامهریزی پروژههای منابع طبیعی بسیار مهم است با توجه به هزینه بالای تهیه و اجرا و پاشش مالچهای تثبیت‌کننده خاک که بر اساس مساحت احتساب میگردد با تعیین درست سطح میتوان برنامهریزی مناسب جهت پاشش به‌اندازه مالچها نمود همچنین دانستن حجمهای سهبعدی تپهها و وزن آنها در پروژههای آب‌وخاک کاربرد زیادی دارد و یکی از معضلات اصلی در پروژههای تسطیح اراضی احتساب دقیق حجم و وزن تپههای ماسهای هست که در این پژوهش وزن تپهها با استفاده از حجم سهبعدی و وزن مخصوص ظاهری به دست آمد.
در بخش شیب و زبری تپهها محققین در بررسی تپههای ماسهای با استفاده از تونل باد دریافتند که با افزایش مقدار ماسه و شیب جریان باد در آن مناطق بیشتر میشود و همچنین مشخص شد که زبری در تپههای ماسهای باعث افزایش مقدار ماسه میگردد(6). در مطالعهای دیگر با افزایش سرعت باد سبب حمل‌ونقل و تجمع ماسه شد که با افزایش مقدار ارتفاع و شیب تپههای ماسهای همراه بود و همچنین با تجمع ماسه زبری در تپههای ماسهای بیشتر شد(24) در این مطالعه نتیجه افزایش ماسه با افزایش شیب، با نتایج محققین دیگر مطابقت دارد و مشخص شد که با افزایش شیب بین 70-100 درصد در قسمت بادخیز و بادپناه تپههای ماسهای ارتفاع رسوب نیز زیاد شده است.اما با توجه به اینکه تپههای ماسهای در مقیاس کوچک‌تر و در واحد بادخیز و بادپناه در این مطالعه بررسی شدند نتایج زبری با نتایج سایر محققین در قسمت بادخیز متفاوت بود و در قسمت بادپناه مطابقت داشت درواقع در بادخیز با حرکت امواج ماسهای بر روی آن به سمت بالا از ناهمواری و زبری آنها کاسته میشود و بیشترین زبری در قسمت پایین دامنه بادخیز بود و کمترین زبری در قسمت بالای دامنه واقع میشود به همین علت بیشترین رسوب در بادخیز در زبری 0-20 درصد که در قسمت مرتفع بادخیز قرار میگیرد مشخص گردید. در قسمت بادپناه و با شروع ریزش امواج ماسهای در قسمت بالای آن زبری نیز زیاد میشود و به همین علت بیشترین زبری در قسمت بالای بادپناه بین 70-100 درصد قرار میگیرد و هر چه این ریزش به سمت پایین بادپناه ادامه پیدا میکند از مقدار زبری نیز کاسته میشود .
در بخش چهارم این مطالعه محققین در بررسی جهت شیب تپهها مشخص کردند که جهت شیب رو به شمال همواره دمای پایینتر و رطوبت بیشتری دارد و جهت شیب رو به جنوب به علت دمای بیشتر و رطوبت کمتر فرسایشپذیرتر است و حرکت ماسه در آنها بیشتر اتفاق میافتاد.(5) در مطالعهای دیگر بر روی اثر جهت شیب بر روی تثبیت تپهها نشان دادند که در اثر حذف پوشش گیاهی در جهت شیب تپهها در جهت شمالی و در جهت جنوبی تفاوت وجود دارد در جهت شمالی به دلیل رطوبت بیشتر امکان احیا وجود دارد ولی در جهت جنوبی به دلیل خشکی بیشتر امکان احیا بسیار کمی وجود دارد و به همین دلیل در این جهت فرسایش بیشتر میشود(19). در این مطالعه با توجه به اقلیم منطقه و در نظر گرفتن جهت باد غالب که از شمالغرب به جنوب شرق است مشخص گردید که همواره در جهت شمال در تپهها به علت دمای کمتر و رطوبت بیشتر دارای فرسایش کمتری نیست و نتایج محققین با نتیجه این تحقیق همخوانی ندارد ازآنجاکه جهت وزش باد غالب از شمال غرب به جنوب شرق است، در بادخیز تپهها در قسمت شمالی شروع دامنه است و در قسمت جنوبی بیشترین مقدار تجمع رسوبات را دارند و کمترین مقدار رسوب در شمال و شمال شرق و بیشترین مقدار رسوبات در جنوب و جنوب غرب بادخیز است بیشترین مساحت بادخیز نیز در جهت شمالشرقی در بادخیز است در قسمت بادپناه نیز اثر وزش باد شمالغربی سبب شده است که تجمع رسوبات در شرق بادپناه زیاد شود و بیشترین مساحت بادپناه نیز در جهت جنوبی و در قسمت میانی بادپناه که سطح وسیعتری را دارد شامل میشود.
تفدیر و تشکر: این مقاله حاصل رساله با عنوان برآورد نرخ فرسایش بادی و میزان حرکت تپه های ماسه ای در دشت سیستان با استفاده از تصاویر UAV در مقطع دکتری در سال 1401 است که با حمایت دانشگاه هرمزگان اجرا شده است.
منابع
2) Abbasi H R, Opp C, Groll M, Rohipour H, Gohardoust A. 2019. Assessment of the distribution and activity of dunes in Iran based on mobility indices and ground data. Aeolian Research, 41, 100539. doi: https://doi.org/10.1016/j.aeolia.2019.07.005.
3( Azzaoui MA, Adnani M, El Belrhiti H, Chaouki I E, Masmoudi L. 2019. Detection of crescent sand dunes contours in satellite images using an active shape model with a cascade classifier. The International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 42, 17-24. doi: https://doi.org/10.5194/isprs-archives-xlii-4-w12-17-2019.
4) Austrich A, Mapelli FJ, Mora MS, Kittlein MJ. 2021. Landscape Change and Associated Increase in Habitat Fragmentation During the Last 30 Years in Coastal Sand Dunes of Buenos Aires Province, Argentina. Estuaries and Coasts, 44(3), 643-656.. doi: https://doi.org/10.1007/s12237-020-00798-x.
5) Begum F, Bajracharya R M, Sharma S, Sitaula BK. 2010. Influence of slope aspect on soil physico-chemical and biological properties in the mid hills of central Nepal. International Journal of Sustainable Development World Ecology, 17(5), 438-443. doi: https://doi.org/10.1080/13504509.2010.499034.
6) Cao S, Wang T, Ge Y, Tamura Y. 2012. Numerical study on turbulent boundary layers over two-dimensional hills—effects of surface roughness and slope. Journal of wind engineering and industrial aerodynamics, 104, 342-349.
doi: https://doi.org/10.1016/j.jweia.2012.02.022.
7) Dong Z, Qian G, Lv P, Hu G. 2013. Investigation of the sand sea with the tallest dunes on Earth: China's Badain Jaran Sand Sea. Earth-Science Reviews, 120, 20-39. doi: https://doi.org/ 10.1016/j.earscirev.2013.02.003.
9) Fabbri S, Grottoli E, Armaroli C, Ciavola P. 2021. Using High-Spatial Resolution UAV-Derived Data to Evaluate Vegetation and Geomorphological Changes on a Dune Field Involved in a Restoration Endeavour. remote sensing, 13(10), 1987. doi: https://doi.org/10.3390/rs13101987.
10) Hugenholtz C H, Levin N, Barchyn TE, Baddock MC. 2012. Remote sensing and spatial analysis of aeolian sand dunes: A review and outlook. Earth-science reviews, 111(3-4), 319-334. doi:https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2011.11.006.
11) Laporte-Fauret Q, Marieu V, Castelle B, Michalet R, Bujan S, Rosebery D. 2019. Low-cost UAV for high-resolution and large-scale coastal dune change monitoring using photogrammetry. Journal of Marine Science and Engineering, 7(3), 63. doi: https://doi.org/ 10.3390/jmse7030063.
12) Luo W, Shao M, Che X, Hesp PA, Bryant RG, Yan C, Xing Z. 2020. Optimization of UAVs‐SfM data collection in aeolian landform morphodynamics: a case study from the Gonghe Basin, China. Earth Surface Processes and Landforms, 45(13), 3293-3312. doi: https://doi.org/ 10.1002/esp.4965.
13) Laporte-Fauret Q, Lubac B, Castelle B, Michalet R, Marieu V, Bombrun L, Rosebery D. 2020. Classification of atlantic coastal sand dune vegetation using in situ, uav, and airborne hyperspectral data. Remote Sensing, 12(14), 2222. doi: https://doi.org/ 10.3390/rs12142222.
14) Moghaddamnia A, Gousheh MG, Piri J, Amin S, Han D. 2009. Evaporation estimation using artificial neural networks and adaptive neuro-fuzzy inference system techniques. Advances in Water Resources, 32(1), 88-97. doi: https://doi.org/ 10.1016/j.advwatres.2008.10.005.
15) Marzolff I, Ries JB, Poesen J. 2011. Short‐term versus medium‐term monitoring for detecting gully‐erosion variability in a Mediterranean environment. Earth Surface Processes and Landforms, 36(12), 1604-1623. doi: https://doi.org/10.1002/esp.2172.
16) Madurapperuma B, Lamping J, McDermott M, Murphy B, McFarland J, Deyoung K, Mitchell S. 2020. Factors Influencing Movement of the Manila Dunes and Its Impact on Establishing Non-Native Species. Remote Sensing, 12(10), 1536. doi: https://doi.org/ 10.3390/rs12101536.
17) Pineux N., Lisein J, Swerts G, Bielders CL, Lejeune P, Colinet G, Degré A. 2017. Can DEM time series produced by UAV be used to quantify diffuse erosion in an agricultural watershed?. Geomorphology, 280, 122-136. doi: https://doi.org/ 10.1016/j.geomorph.2016.12.003.
18) Rashki A, Middleton NJ, Goudie AS. 2021. Dust storms in Iran–Distribution, causes, frequencies and impacts. Aeolian Research, 48, 100655. doi: https://doi.org/ 10.1016/j.aeolia.2020.100655.
19) Sewerniak P. 2016. Differences in early dynamics and effects of slope aspect between naturally regenerated and planted Pinus sylvestris woodland on inland dunes in Poland. iForest-Biogeosciences and Forestry, 9(6), 875. doi: https://doi.org/10.3832/ifor1728-009.
20) Sofia G, Hillier JK, Conway SJ. 2016. Frontiers in Geomorphometry and Earth Surface Dynamics: possibilities, limitations and perspectives. Earth Surface Dynamics, 4(3), 721-725. doi: https://doi.org/ 10.5194/esurf-4-721-2016, 2016.
21) Solazzo D, Sankey JB, Sankey TT, Munson SM. 2018. Mapping and measuring aeolian sand dunes with photogrammetry and LiDAR from unmanned aerial vehicles (UAV) and multispectral satellite imagery on the Paria Plateau, AZ, USA. Geomorphology, 319, 174-185. doi: https://doi.org/ 10.1016/j.geomorph.2018.07.023.
22) Tsoar H. 2005. Sand dunes mobility and stability in relation to climate. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 357(1), 50-56. doi: https://doi.org/ 10.1016/j.physa.2005.05.067.
24) Zhang C, Li Q, Zhou N, Zhang J, Kang L, Shen Y, Jia W. 2016. Field observations of wind profiles and sand fluxes above the windward slope of a sand dune before and after the establishment of semi-buried straw checkerboard barriers. Aeolian research, 20, 59-70. doi: https://doi.org/ 10.1016/j.aeolia.2015.11.003.
25) Zhao Y, Gao X. 2021. Morphodynamics of shadow dunes. Earth-Science Reviews, 222, 103840. doi: https://doi.org/ 10.1016/j.earscirev.2021.103840.
26) Zheng Z, Du S, Taubenböck H, Zhang X. 2022. Remote sensing techniques in the investigation of aeolian sand dunes: A review of recent advances. Remote Sensing of Environment, 271, 112913. doi: https://doi.org/ 10.1016/j.rse.2022.112913.
Quantitative estimation of sand dunes using UAV imaging in Sistan sub-arid region
Abstract: Sistan plain, with its arid climate, high evapotranspiration, low rainfall and 120-day winds, has provided the necessary ground for erosion and wind sediments. Due to the index of sand dunes in the region, the need to quantify the hills to obtain the 3-d volume and area that is the basis for project planning and sediment control management is one of the objectives of this study. After identification and imaging by UAV, a digital elevation model with a resolution of 4 cm and an ortophotomosaic image with a resolution of 1 cm were prepared in order to extract quantitative information about the dunes. With the help of ortophotomosaic image and digital elevation model, the range of hills was determined and volumes and three-dimensional area were obtained. In order to study more the components of the dune (windward and wind shelter) in the mutual study of digital elevation model with slope percentage, roughness percentage and slope aspect showed that between windward and wind shelter the highest average sediment is in the slope of 70-100%.The highest average sediment in windward is in 0-20% roughness and the highest in wind shelter is in 70-100% roughness.In the study of slope, aspect it was found that the highest average sediment is on the windward in the northeast and in the wind shelter in the east direction.
Keywords: Sand dune, UAV, quantification, Sistan plain
برآورد کمی تپههای ماسهای با استفاده از تصویربرداری با پهپاد در منطقه فراخشک سیستان
زمینه و هدف: دشت سیستان با داشتن اقلیم فراخشک تبخیر و تعرق بالا بارندگی کم و وزش بادهای 120 روزه زمینه لازم جهت فرسایش و رسوبات بادی را فراهم کرده است با توجه به شاخص بودن تپههای ماسهای در منطقه ضرورت کمی سازی تپهها جهت به دست آوردن حجم و مساحت سهبعدی که بستر ساز برنامهریزی پروژه‌ای و مدیریت کنترل رسوبات است از اهداف این پژوهش است. پس از شناسایی و تصویربرداری با پهپاد منطقه مطالعاتی مدل ارتفاعی رقومی با وضوح 4 سانتیمتر و تصویر آرتوفتوموزاییک با وضوح 1 سانتیمتر به منظور استخراج اطلاعات کمی تپهها تهیه گردید با کمک تصویر آرتوفتوموزاییک و مدل ارتفاعی رقومی محدوده تپهها مشخص و حجمها و مساحت سهبعدی به دست آمد جهت بررسی بیشتر اجزای تپه (بادخیز و بادپناه) در بررسی متقابل مدل ارتفاعی رقومی با درصد شیب، درصد زبری و جهت شیب نشان داد که در بادخیز و بادپناه بیشترین میانگین رسوب در شیب 70-100 درصد وجود دارد بیشترین میانگین رسوب در بادخیز در زبری 0-20 درصد و بیشترین در بادپناه در زبری 70-100 درصد وجود دارد در بررسی جهت شیب مشخص شد که بیشترین میانگین رسوب در بادخیز در جهت شمالشرقی و در بادپناه در جهت شرقی است.
مواد و روشها: تصاویر منطقه موردمطالعه با استفاده از پهپاد فانتوم 4 پرو در ارتفاع پرواز 60 متری در 31 شهریور 1398 برداشت شد این نوع پهپاد که کوچک و سبک است امکان تهیه تصاویر با کیفیت بالا را دارد و استفاده از این نوع پهپاد برای کارهای فتوگرامتری بسیار رایج است تعدادی نقاط کنترل زمینی نیز به‌منظور ژئورفرنس کردن با برداشت توسط سیستم مکانیاب ماهوارهای سه فرکانسه استفاده گردید تولید مدل با استفاده از نرم‌افزار (Agi soft metashap) صورت گرفت و مدل ارتفاعی دیجیتال 4 سانتیمتری و آرتوفتوموزاییک 1 سانتیمتری تهیه شد با استفاده از نرم‌افزار (Arc Map) محدوده تپهها و قسمت های تپه هاتفکیک گردید پس از مشخص شدن محدوده تپهها حجم و مساحت سه بعدی حساب گردید برای به دست آوردن وزن تپهها بعد از بدست آمدن وزن مخصوص ظاهری خاک به مقدار 63/1 در حجم تپهها ضرب میشود پس از جداسازی قسمتهای بادخیز و بادپناه در 5 تپه قسمتهای جدا شده بادخیز و بادپناه در دو گروه مجزا با نقشههای درصد شیب، درصد زبری و جهت شیب که طبقهبندی شده بودند سنجیده شدند تا اثر متقابل آنها بر مقدار رسوب مشخص گردد.
بحث و نتیجهگیری :در این پژوهش اندازهگیری کمی تپههای ماسهای در منطقه موردمطالعه سیستان در واحد تپه و اجزای آن بادخیز و بادپناه صورت گرفت مدل ارتفاعی رقومی 4 سانتیمتری با وضوح بالا به ما امکان احتساب حجم و مساحت سهبعدی، ارتفاع رسوب، درصد زبری، درصد شیب، و جهت شیب را داد.نتایج ما در این پژوهش 4 بخش داشت.
در بخش اندازهگیری کمی تپهها تاکنون در پژوهشهایی که توسط محققین (4) با تصاویر ماهوارهای بر روی مساحت تپههای ماسهای انجام‌گرفته است درواقع سطح تپههای ماسهای در ابعاد وسیع مطالعه گردیده است نتایج در مطالعه (21) نشان داد که امکان تفکیک مکانی در محدوده تپه و اجزای آن با تصاویر ماهوارهای وجود ندارد ولی در این مطالعه با استفاده از پهپاد اندازهگیری کمی تپهها انجام شد و با توجه به اینکه تپههای ماسهای با داشتن شکل هندسی و ابعاد مختلف امکان اندازهگیری دقیق آنها توسط ابزارهای متداول که تاکنون استفاده‌شده است وجود ندارد و اندازه سطح مقطع سهبعدی تپهها با داشتن ابعاد انحنا و زوایای مختلفی که دارند همواره از یک سطح صاف و هموار بیشتر است ولی با استفاده از پهپاد میتوان این ابعاد را به‌خوبی مشخص و حجمها و مساحتهای سهبعدی را به دست آوریم؛ و دانستن این مهم در برنامهریزی پروژههای منابع طبیعی بسیار مهم است با توجه به هزینه بالای تهیه و اجرا و پاشش مالچهای تثبیت‌کننده خاک که بر اساس مساحت احتساب میگردد با تعیین درست سطح میتوان برنامهریزی مناسب جهت پاشش به‌اندازه مالچها نمود همچنین دانستن حجمهای سهبعدی تپهها و وزن آنها در پروژههای آب‌وخاک کاربرد زیادی دارد و یکی از معضلات اصلی در پروژههای تسطیح اراضی احتساب دقیق حجم و وزن تپههای ماسهای هست که در این پژوهش وزن تپهها با استفاده از حجم سهبعدی و وزن مخصوص ظاهری به دست آمد.
در بخش شیب و زبری تپهها محققین در بررسی تپههای ماسهای با استفاده از تونل باد دریافتند که با افزایش مقدار ماسه و شیب جریان باد در آن مناطق بیشتر میشود و همچنین مشخص شد که زبری در تپههای ماسهای باعث افزایش مقدار ماسه میگردد(6). در مطالعهای دیگر با افزایش سرعت باد سبب حمل‌ونقل و تجمع ماسه شد که با افزایش مقدار ارتفاع و شیب تپههای ماسهای همراه بود و همچنین با تجمع ماسه زبری در تپههای ماسهای بیشتر شد(24) در این مطالعه نتیجه افزایش ماسه با افزایش شیب، با نتایج محققین دیگر مطابقت دارد و مشخص شد که با افزایش شیب بین 70-100 درصد در قسمت بادخیز و بادپناه تپههای ماسهای ارتفاع رسوب نیز زیاد شده است.اما با توجه به اینکه تپههای ماسهای در مقیاس کوچک‌تر و در واحد بادخیز و بادپناه در این مطالعه بررسی شدند نتایج زبری با نتایج سایر محققین در قسمت بادخیز متفاوت بود و در قسمت بادپناه مطابقت داشت درواقع در بادخیز با حرکت امواج ماسهای بر روی آن به سمت بالا از ناهمواری و زبری آنها کاسته میشود و بیشترین زبری در قسمت پایین دامنه بادخیز بود و کمترین زبری در قسمت بالای دامنه واقع میشود به همین علت بیشترین رسوب در بادخیز در زبری 0-20 درصد که در قسمت مرتفع بادخیز قرار میگیرد مشخص گردید. در قسمت بادپناه و با شروع ریزش امواج ماسهای در قسمت بالای آن زبری نیز زیاد میشود و به همین علت بیشترین زبری در قسمت بالای بادپناه بین 70-100 درصد قرار میگیرد و هر چه این ریزش به سمت پایین بادپناه ادامه پیدا میکند از مقدار زبری نیز کاسته میشود .
در بخش چهارم این مطالعه محققین در بررسی جهت شیب تپهها مشخص کردند که جهت شیب رو به شمال همواره دمای پایینتر و رطوبت بیشتری دارد و جهت شیب رو به جنوب به علت دمای بیشتر و رطوبت کمتر فرسایشپذیرتر است و حرکت ماسه در آنها بیشتر اتفاق میافتاد.(5) در مطالعهای دیگر بر روی اثر جهت شیب بر روی تثبیت تپهها نشان دادند که در اثر حذف پوشش گیاهی در جهت شیب تپهها در جهت شمالی و در جهت جنوبی تفاوت وجود دارد در جهت شمالی به دلیل رطوبت بیشتر امکان احیا وجود دارد ولی در جهت جنوبی به دلیل خشکی بیشتر امکان احیا بسیار کمی وجود دارد و به همین دلیل در این جهت فرسایش بیشتر میشود(19). در این مطالعه با توجه به اقلیم منطقه و در نظر گرفتن جهت باد غالب که از شمالغرب به جنوب شرق است مشخص گردید که همواره در جهت شمال در تپهها به علت دمای کمتر و رطوبت بیشتر دارای فرسایش کمتری نیست و نتایج محققین با نتیجه این تحقیق همخوانی ندارد ازآنجاکه جهت وزش باد غالب از شمال غرب به جنوب شرق است، در بادخیز تپهها در قسمت شمالی شروع دامنه است و در قسمت جنوبی بیشترین مقدار تجمع رسوبات را دارند و کمترین مقدار رسوب در شمال و شمال شرق و بیشترین مقدار رسوبات در جنوب و جنوب غرب بادخیز است بیشترین مساحت بادخیز نیز در جهت شمالشرقی در بادخیز است در قسمت بادپناه نیز اثر وزش باد شمالغربی سبب شده است که تجمع رسوبات در شرق بادپناه زیاد شود و بیشترین مساحت بادپناه نیز در جهت جنوبی و در قسمت میانی بادپناه که سطح وسیعتری را دارد شامل میشود.
نتیجهگیری: زمینه و هدف: تپههای ماسهای از مهم‌ترین رخسارههای فرسایش بادی محسوب میشوند درک ما از فعل‌وانفعالات پیچیده تپههای ماسهای اغلب به دلیل فقدان دادههای مورفولوژیکی دقیق محدود میشود فرآیند فرسایش و رسوب بسیار اهمیت دارد و در حال حاضر کمبود دادههای میدانی برای انجام پروژههای اجرایی، طرحهای مطالعاتی و اعتبار سنجی مدلهای فرسایش و رسوب وجود دارد. به‌تازگی پهپادهایی که از سالیان گذشته در کاربردهای نظامی و استراتژیک مورد استفاده قرار میگرفتند، امروزه در تحقیقات میدانی و علمی ابزاری جذاب شناخته میشوند و به‌عنوان یک نتیجه از پیشرفتهای تکنولوژی سریع و کم‌هزینه از وسایل نقلیه بدون سرنشین است؛ که سطح بالایی از انعطافپذیری عملیاتی را دارا هستند و قادر به استفاده در عرصههای کشاورزی و منابع طبیعی هستند.
کلمات کلیدی: تپه ماسهای، پهپاد، کمیسازی، دشت سیستان
Quantitative estimation of sand dunes using UAV imaging in Sistan sub-arid region
Background and Objective: Sistan plain, with its arid climate, high evapotranspiration, low rainfall and 120-day winds, has provided the necessary ground for erosion and wind sediments. Due to the index of sand dunes in the region, the need to quantify the hills to obtain the 3-d volume and area that is the basis for project planning and sediment control management is one of the objectives of this study. After identification and imaging by UAV, a digital elevation model with a resolution of 4 cm and an ortophotomosaic image with a resolution of 1 cm were prepared in order to extract quantitative information about the dunes. With the help of ortophotomosaic image and digital elevation model, the range of hills was determined and volumes and three-dimensional area were obtained. In order to study more the components of the dune (windward and wind shelter) in the mutual study of digital elevation model with slope percentage, roughness percentage and slope aspect showed that between windward and wind shelter the highest average sediment is in the slope of 70-100%.The highest average sediment in windward is in 0-20% roughness and the highest in wind shelter is in 70-100% roughness.In the study of slope, aspect it was found that the highest average sediment is on the windward in the northeast and in the wind shelter in the east direction.
Materials and Methods: Images of the study area were taken using a Phantom 4 Pro UAV at an altitude of 60 meters on September 22, 2019. This type of UAV, which is small and light, with its 20-megapixel camera and GPS, can provide high quality images. And the use of this type of UAV for photogrammetric work is very common. A number of GCP wase also used for georeferencing by harvesting by the 3-frequency GPS. The model was produced using software (Agi soft metashap) and a 4 cm digital height model and a 1 cm orthophoto mosaic model were prepared. Using (Arc Map) software, the region of the dunes and the components of the dunes were separated. After determining the region of the dunes, the volume and area were calculated in 3-d. In order to obtain the weight of the dunes, after obtaining the bulk density of the soil in the amount of 1.63 of its, multiply by the volume of the dunes. After separating the components of the 5 dunes, the separating parts were measured in two separate groups with maps of slope percentage, roughness percentage and slope direction that were classified to determine their interaction on the amount of sediment
Results and Discussion: In this study, quantitative measurement of sand dunes in the study area of Sistan in the hill unit and its components was wind ward and wind sheltered. 4 cm digital elevation model with high resolution allows us to calculate 3-d volume and area, sediment height, roughness percentage, Gave the percentage of slope, and the direction of slope. Our results in this study had 4 sections.
In the field of quantitative measurement of dunes, so far, in some studies (4) with satellite images on the area of sand dunes. In fact, the surface of sand dunes has been studied in large dimensions (21). The results in the study showed that it is not possible to separate the area of the dune and its components with satellite images, but in this study using a UAV Quantitative measurement of the dunes was done and considering that the sand dunes with geometric shape and different dimensions, it is not possible to accurately measure them with common tools that have been used so far and the size of the cross section is 3d the dunes, with their different dimensions of curvature and angles, are always more than a smooth surface, but with the use of UAVs can be well defined and 3-d volumes and areas can be obtained; And knowing this is very important in planning, natural resource projects. Due to the high cost of preparing, implementing and spraying soil-stabilizing mulch, which is calculated based on the area, proper planning can be done by determining the right level, knowing the 3-d volumes of dunes and their weight is also used in soil and water projects, and one of the main problems in land leveling projects is the accurate calculation of the volume and weight of sand dunes. In this study, the weight of the dunes was obtained using 3-d volume and bulk density.
In the slope and roughness of the dunes, the researchers in the study of sand dunes using wind tunnels found that by increasing the amount of sand and slope, the wind flow in these areas increases and it was also found that the roughness in the sand dunes Increases the amount of sand (6). In another study, with increasing wind speed, it caused sand transport and accumulation, which was associated with increasing the height and slope of sand dunes, and also increased with the accumulation of roughness sand in sand dunes (24). The study of the result of increasing sand with increasing slope is consistent with the results of other researchers and it was found that with increasing slope between 70-100% in the windward part and the wind shelter of sand dunes, the sediment height has also increased. Smaller-scale dunes in the windward and wind shelter units were investigated in this study. The roughness results were different from the results of other researchers in the windward part and corresponded to the wind shelter part. And the lowest roughness are located in the upper part of the windward. Therefore, the highest sediment in windward was determined in 0-20% roughness, which is located in the high part of windward. In the part of the wind shelter and with the beginning of the fall of sand waves in the upper part, the roughness also increases and for this reason, the maximum roughness are located in the upper part of the wind shelter between 70-100% and as this fall continues down the wind shelter Finds that the amount of roughness is also reduced.
In the 4 parts of this study, researchers in the aspect of the slope of the dunes found that the aspect of the slope to the north is always lower temperature and more humidity, and the aspect of the slope to the south is more erodible due to higher temperature and humidity and sand movement It was more common in them. (5) In another study on the effect of slope, aspect on the stabilization of dunes showed that due to the removal of vegetation in the aspect of the slope of the dunes in the north aspect and in the south aspect there is a difference There is a possibility of regeneration in the northern aspect due to more moisture, but in the southern aspect due to more drought, there is very little possibility of regeneration and therefore erosion increases in this aspect (19). In this study, considering the climate of the region and considering the direction of the prevailing wind, which is from northwest to southeast, it was found that always in the dunes due to lower temperature and higher humidity – cannot have less erosion. And the results of the researchers do not agree with the result of this study because the direction of the prevailing wind is from northwest to southeast, in the wind ward dunes in the northern part is the beginning of the slope and in the southern part have the highest accumulation of sediment and the lowest sediment in North and northeast and most of the sediments in the south and southwest are windward. The most windward area is in the northeast direction of the wind. The area of the wind shelter is also included in the southern direction and in the middle part of the shelter, which has a wider area.
Conclusion: Sand dunes are one of the most important facies of wind erosion. Our understanding of the complex interactions of sand dunes is often limited by the lack of accurate morphological data. The erosion and sedimentation process is very important and there is currently a lack of field data for executing projects, study plans and validation of erosion and sedimentation models. Recently, UAVes, which have been used in military and strategic applications for many years, are now recognized as an attractive tool in the field and scientific research as a result of rapid and low-cost technological advances in unmanned vehicles; They have a high level of operational flexibility and can be used in agriculture and natural resources.
Keywords: Sand dune, UAV, quantification, Sistan plain