پایش تغییرات و نقشه‌برداری جنگل‌های مانگروی ماهشهر با تلفیق سنجش‌ازدور و یادگیری ماشین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه فناوری‌های محیط‌زیست، پژوهشکده علوم محیطی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 گروه اگرواکولوژی، پژوهشکده علوم محیطی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

سابقه و هدف: جنگل ­های مانگرو یکی از غنی ­ترین اکوسیستم ­های ساحلی در مناطق گرمسیری و نیمه گرمسیری هستند که از ارزش اکولوژیکی و اقتصادی بالایی برخوردارند. علی­ رغم اهمیت فراوان مانگروها، این جنگل­ ها در سراسر جهان با نرخ هشداردهنده‌ای در حال تخریب و نابودی هستند. این روند، نیاز مبرم به نظارت دقیق بر وسعت، توزیع و تغییرات این اکوسیستم ­های حیاتی برای مدیریت و حفاظت مؤثر آن­ ها را دوچندان کرده است. در دهه­ های اخیر، پروژه ­های احیای گسترده ­ای، از جمله کاشت نهال ­­های حرا توسط صنایع منطقه ویژه اقتصادی بندر ماهشهر برای توسعه این پهنه ­های سبز آغاز شده است. بااین‌حال، مطالعات جامع و به ­روز در مورد پویایی تغییرات این اکوسیستم ­ها در خوریات ماهشهر محدود است. مطالعه حاضر با هدف بررسی تغییرات جنگل ­های مانگرو در منطقه ویژه اقتصادی بندر ماهشهر طی سال­های 2003 تا 2023 و تهیه نقشه طبقه­ بندی دقیق از این جنگل ­ها برای سال 2023 انجام شده است. نتایج این مطالعه می­ تواند مبنایی برای برنامه­ ریزی ­های حفاظتی آتی و ارزیابی اثربخشی پروژه­ های احیا در منطقه فراهم آورد.
مواد و روش ­ها: برای پایش تغییرات زمانی- مکانی جنگل‌های حرا در دوره ۲۰۲۳-۲۰۰۳، از تصاویر ماهواره‌ای لندست (سری ۷ و ۸) در شرایط جزر و با حداقل پوشش ابر استفاده شد. چهار شاخص طیفی NDVI، NDWI2، MVI و CMRI برای سه مقطع زمانی (2003، 2013 و 2023) محاسبه و با کالیبره‌سازی آستانه‌های تشخیص بر مبنای نقشه پایه سال ۲۰۲۳، نقشه‌های پراکنش برای هرسال تولید گردید. نقشه نهایی تغییرات از تلفیق این چهار شاخص و با اعمال قاعده اکثریت استخراج شد. برای تهیه نقشه طبقه‌بندی دقیق سال ۲۰۲۳، از تصاویر سنتینل-۲ و مجموعه‌ای متشکل از باندهای طیفی و شاخص‌های محاسبه‌شده استفاده گردید. نمونه‌های آموزشی کلاس مانگرو از نقشه پایه شرکت پتروشیمی و نمونه‌های سایر کلاس‌ها از طریق تفسیر بصری تصاویر با وضوح‌بالا جمع‌آوری شدند. مدل طبقه‌بندی جنگل تصادفی آموزش داده شده و بهینه‌سازی گردید. دقت نقشه نهایی با استفاده از ماتریس خطا ارزیابی و مساحت هر کلاس محاسبه شد. تمامی مراحل پردازش تصاویر، استخراج شاخص‌ها، تحلیل‌های آماری، طبقه‌بندی و ارزیابی دقت در محیط نرم‌افزار R انجام پذیرفت.
نتایج و بحث: پایش بلندمدت تغییرات با استفاده از داده‌های لندست نشان داد که جنگل‌های مانگروی دست‌کاشت منطقه از حدود ۲ هکتار در سال ۲۰۰۳ به 5/109 هکتار در سال ۲۰۱۳ و سپس به 6/221 هکتار در سال ۲۰۲۳ توسعه یافته‌ است. این رشد خالص 6/219 هکتاری طی دو دهه، موفقیت کلی پروژه‌های احیا را تأیید می‌کند. نقشه نهایی تولیدشده با داده‌های سنتینل‌-۲ و الگوریتم جنگل تصادفی، با دقت کلی 78/94%، مساحت دقیق‌تری معادل 8/630 را برای جنگل‌های مانگروی مستقر در سال ۲۰۲۳ نشان داد. یک یافته روش‌شناختی کلیدی، اختلاف فاحش حدود 55% بین برآورد لندست (۲۸۵ هکتار) و برآورد سنتینل-۲ برای سال مساحت جنگل­ های مانگرو در ۲۰۲۳ بود. این شکاف به‌وضوح محدودیت بنیادی داده‌های با وضوح متوسط (۳۰ متر) را در شناسایی عرصه‌های کوچک، پراکنده و خطی و خطای کم‌شماری سیستماتیک ناشی از آن را آشکار می‌سازد. مقایسه با مطالعات پیشین که از روش‌های ساده‌تر یا داده‌های با وضوح پایین‌تر استفاده کرده‌اند، نشان می‌دهد که رویکرد تلفیقی چندشاخصه و چندکلاسه این پژوهش، با افزایش قدرت تفکیک طیفی، دقت شناسایی را به‌طور قابل‌توجهی بهبود بخشیده و امکان تفکیک بهتر مانگرو از پهنه‌های گلی و پوشش‌های گیاهی مشابه ساحلی را فراهم کرده است.
نتیجه‌گیری: این مطالعه با به‌کارگیری یک چارچوب تلفیقی نوین، برآورد دقیق و قابل اتکایی از وسعت جنگل‌های مانگروی دست‌کاشت در منطقه ویژه اقتصادی ماهشهر ارائه داد و نشان داد که تکیه بر داده‌های با وضوح متوسط می‌تواند منجر به کم‌برآوردی شدید شود. نقشه تولیدشده با دقت بالا، علاوه بر مستندسازی موفقیت کمی پروژه‌های احیا، به عنوان یک خط‌پایه معتبر برای پایش آتی سلامت، ارزیابی خدمات اکوسیستمی و مدیریت پایدار این ذخیره‌گاه‌های باارزش در محیط‌های صنعتی-ساحلی عمل خواهد کرد. برای تکمیل این چارچوب، پایش پیوسته با سری‌های زمانی و تلفیق داده‌های کمکی مانند لیدار برای تحلیل ساختار جنگل، به عنوان مسیر پژوهشی آتی پیشنهاد می‌شود.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Mangrove Forest Change Monitoring and Mapping in Mahshahr Using Integrated Remote Sensing and Machine Learning

نویسندگان [English]

  • Sima Farivar Ghaziani 1
  • Yousef Rashidi 1
  • Hossein Mahmoudi 2
1 Department of Environmental Technologies, Environmental Sciences Research Institute, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
2 Department of Agroecology, Environmental Sciences Research Institute, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Introduction: Mangrove forests are among the richest coastal ecosystems in tropical and subtropical regions, possessing high ecological and economic value. Despite their immense importance, these forests are being degraded and destroyed at an alarming rate worldwide. In recent decades, extensive restoration projects, including the planting of mangrove seedlings by industries in the Bandar Mahshahr Special Economic Zone, have been initiated to develop these green areas. However, comprehensive and up-to-date studies on the dynamics of these ecosystems in the Mahshahr tidal creeks (Khooriats) are limited. The present study was conducted with the aim of investigating changes in mangrove forests within the Bandar Mahshahr Special Economic Zone from 2003 to 2023 and producing an accurate classification map of these forests for the year 2023. The results of this study can provide a basis for future conservation planning and evaluating the effectiveness of restoration projects in the region.
Material and methods: To monitor the spatiotemporal changes of mangrove forests during the 2003–2023 period, Landsat (series 7 and 8) satellite images under low tide and minimal cloud cover conditions were used. Four spectral indices (NDVI, NDWI2, MVI, and CMRI) were calculated for three time points (2003, 2013, and 2023). By calibrating detection thresholds based on a baseline map for 2023, distribution maps for each year were generated. The final change map was extracted by integrating these four indices and applying a majority rule. For producing the precise classification map for 2023, Sentinel-2 images and a dataset comprising spectral bands and the calculated indices were utilized. Training samples for the mangrove class were collected from a baseline map provided by the petrochemical company, and samples for other classes were gathered through visual interpretation of high-resolution imagery. A Random Forest classification model was trained and optimized. The accuracy of the final map was evaluated using an error (confusion) matrix, and the area of each class was calculated. All stages of image processing, index extraction, classification, and accuracy assessment were performed in the R software environment.
Results and discussion: Long-term change monitoring using Landsat data showed that the planted mangrove forests in the area have developed from approximately 2 hectares in 2003 to 109.5 hectares in 2013 and further to 221.6 hectares in 2023. This net growth of 219.6 hectares over two decades confirms the success of the restoration projects. The final map produced using Sentinel-2 data and the Random Forest algorithm, with an overall accuracy of 94.78%, revealed a more precise area of 630.8 hectares for established mangrove forests in 2023. A key methodological finding was the discrepancy of approximately 55% between the Landsat-based estimate (285 hectares) and the Sentinel-2-based estimate for the mangrove forest area in 2023. This gap reveals the limitation of moderate-resolution data in identifying small, and scattered patches and the systematic underestimation error it causes. Comparison with previous studies that used simpler methods or lower-resolution data indicates that the multi-index, multi-class integrated approach of this research, by increasing spectral discrimination power, has significantly improved identification accuracy and enabled better separation of mangroves from mudflats and similar coastal vegetation.
Conclusion: By employing a novel integrated framework, this study provided an accurate and reliable estimate of the extent of planted mangrove forests in the Mahshahr Special Economic Zone and demonstrated that reliance on moderate-resolution data can lead to underestimation. The high-accuracy map produced will serve as a reliable baseline for future monitoring, assessment of ecosystem services, and sustainable management of these valuable reserves in industrial–coastal environments. To complete this framework, continuous monitoring using time series and integration of auxiliary data such as LiDAR for forest structure analysis is proposed as a future research path.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Mangrove forests
  • Bandar Mahshahr Special Economic Zone
  • Spectral indices
  • Random Forest model