طبقه‌بندی خودکار لندفرم‌ها (ACL) با دو مدل ویژگی‌های زمین (TA) و شاخص موقعیت توپوگرافی (TPI) در دامنه‌های شمال شرقی ارتفاعات کرکس‌کوه نطنز و کاشان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری ژئومورفولوژی، دانشگاه حکیم سبزواری.

2 استاد ژئومورفولوژی، دانشگاه حکیم سبزواری.

3 استادیار ژئومورفولوژی، دانشگاه حکیم سبزواری.

4 دکتری ژئومورفولوژی، دانشگاه حکیم سبزواری.

10.22034/gmpj.2023.380996.1410

چکیده

شناسایی و نقشه‌برداری لندفرم‌ها در مطالعات ژئومورفیک امکان شناخت عمیق‌تر از محیط طبیعی، مطالعات پایدار، ارزیابی، پیش‌بینی و برنامه‌ریزی را در سطح یک چشم‌انداز فراهم می‌کند. با توجه به مزایای روش‌های شناسایی خودکار عوارض نسبت به متدهای سنتی، هدف تحقیق حاضر طبقه‌بندی اتوماتیک لندفرم‌های دامنه‌های شمال شرقی ارتفاعات کرکس‌کوه نطنز و کاشان با مساحتی به گستردگی 4739 کیلومترمربع می‌باشد. در این راستا، از دو مدل ویژگی‌های زمین (TA) و شاخص موقعیت توپوگرافی (TPI) که هر دو مبتنی بر مدل رقومی ارتفاعی (DEM) هستند، بهره گرفته شد. در مدل TA که از ارتفاع، شیب، انحنا و شدت برجستگی به عنوان ورودی استفاده می‌شود، لندفرم‌ها به پنج کلاس قله، شانه دامنه، پشت دامنه، پای دامنه و پنجه دامنه طبقه‌بندی شدند و در مدل TPI به شش کلاس ستیغ، شیب‌های بالایی، شیب‌های میانی، شیب‌های مسطح، شیب‌های پایینی و دره‌ها دسته‌بندی شدند. نتایج حاصل از طبقه‌بندی مورفولوژیکی منطقه مطالعاتی با متد ویژگی‌های زمین نشان می‌دهد که فرم پادگانه‌های بالایی یا شانه دامنه با مساحت ۱۸۱۰ کیلومترمربع که حدود ۳۸ درصد مساحت منطقه را در برمی‌گیرد، فرم غالب چشم‌انداز محدوده مطالعاتی می‌باشد. طبقه‌بندی لندفرم‌ها با شاخص موقعیت توپوگرافی (TPI) نیز نشان می‌دهد که لندفرم دره با مساحت ۱۸۷۲ کیلومترمربع معادل حدود ۴۰ درصد مساحت منطقه مورد مطالعه، به‌عنوان لندفرم غالب محسوب می‌شود. استفاده از چهار ورودی در مدل ویژگی‌های زمین و امکان طبقه‌بندی گسترده‌تر در شاخص موقعیت توپوگرافی از جمله مزایایی این مدل‌ها هستند. از نتایج حاصل از طبقه‌بندی لندفرم‌ها در این دو مدل می‌توان برای مطالعات بعدی به‌خصوص در زمینه ژئومورفولوژی خاک استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Automatic Classification of Landforms (ACL) with two models of Terrain Attributes (TA) and Topographic Position Index (TPA) in the Northeast Slopes of Natanz and Kashan Karkas Heights

نویسندگان [English]

  • Ali Shekari Badi 1
  • Abolqasem Amirahmadi 2
  • Leila Goli Mokhtari 3
  • javad jamalabadi 4
1 Hakim Sabzevari University
2 Hakim Sabzevari University
3 hakim sabzevari university
4 Hakim Sabzevari University
چکیده [English]

Automatic Classification of Landforms (ACL) with two models of Terrain Attributes (TA) and Topographic Position Index (TPA) in the Northeast Slopes of Natanz and Kashan Karkas Heights



Introduction

Geomorphology studies the forms and processes of earth's surface reliefs and their changes over time. Obtaining information about landforms and mapping of them re considered not only as a basis for different types of geomorphological research, but also for landscape evaluation, suitability studies, erosion studies, hazard prediction and various fields of landscape and regional planning or land system inventories is essential. recognition and extracting of landforms using traditional methods is time-consuming, costly, and affected by opaque and often unrepeatable decisions of the interpreter. Consequently, to accurately describe the topographical structure, new spatial analysis procedures and models need to be developed. Accessibility of digital elevation models, software development and increasing computational power of computers provide geomorphologists with tools and opportunities which may revolutionize their discipline. Nowadays, the automatic recognition of landforms is regarded as one of the most important procedures to classify landforms and deepen the understanding on the morphology of the earth. The main purpose of the study is Automatic Classification of Landforms and separation of the landscape of the Northeast Slopes of Natanz and Kashan Karkas Heights into landform classes using two methods of classification of Terrain Attributes (TA) and Topographic Position Index (TPA).



Methodology

- Case Study

The Northeast Slopes of Natanz and Kashan Karkas Heights was selected as the case area in the current study. The geocoordinates of the area are between E 33° 25′ 51′′ to E 34° 11′ 16′′ and N 50° 54′ 19′′ to N 52° 9′ 49′′ based on the World Geodetic System 1984 (WGS84), with a total area of 4,739 km2.



- Landform classification process using Terrain Attributes

The purpose of many models for the recognition and classification of landforms is to determine the froms of the hillslope. Terrain attributes is also one of these models. Chabala et al. (2013) used this model for the first time to Landform classification for digital soil mapping in the Chongwe-Rufunsa area, Zambia. The selected attributes were elevation, slope, relief intensity, and curvature. Terrain attributes derived from a digital elevation model were overlaid using cell statistics to generate a landform map with five classes: (1) Hills (Summit), (2) Upper Terraces (Shoulder), (3) Plateau (Back Slope), (4) Foot Slope and (5) Lowlands (Toe Slope).



- Landform classification process using Topographic Position Index

TPI is only one of a vast array of morphometric properties based on neighboring areas that can be useful in topographic and DEM analysis. The classification using TPI is the difference between elevation value on pixel and the average elevation of the neighboring pixels. Positive values mean that the analyzed pixel has values greater than the surrounding values, while negative indicates that it is smaller. TPI values near zero are either flat areas (where the slope is near zero) or areas of constant slope (where the slope of the point is significantly greater than zero). Using topographic position index (TPI), a landform classification map of the study area was generated. The classification has six classes: (1) Valleys, (2) Lower Slopes, (3) Gentle Slopes, (4) Steep Slopes, (5) Upper Slopes and (6) Ridges.



Results and Discussion

- Landform Generation using Terrain Attributes

The landform map was generated by overlaying the reclassified grids representing relief intensity, curvature, elevation and slope. This was done using the cell statistics tool in ArcMap with the mean set as the overlay statistic. The results of the landform classification are shown The landform of the Upper Terraces (Shoulder) with an area of 1,810 km2., which covers about 38% of the studied area, is the dominant landform of the landscape of the study area.



- Landform Generation using Topographic Position Index

Land Facet Corridor Extension introduced for ArcMap software was used to classify landform elements with TPI model. The Valleys landform with an area of 1872 square kilometers, equivalent to about 40% of the study area, is considered as the dominant landform of the study area.



Conclusion

This research aims to Landform Classification and Mapping of the Northeast Slopes of Natanz and Kashan Karkas Heights Using Terrain Attributes (TA) and Topographic Position Index (TPI) which Both methods depend on digital elevation models (DEMs). Considering that the Terrain Attributes model uses the four parameters of Height above mean sea level, Topographic Slop, Curvature and Relief Intensity as input for processing and classifying landforms, it can potentially have higher accuracy than the TPI model that only uses DEM to identify features.



Keywords

landform recognition, Automatic Classification of Landform, Terrain Attributes Model, Topographic Position Index, Karkas Heights.

کلیدواژه‌ها [English]

  • landform recognition
  • Automatic Classification of Landform
  • Terrain Attributes Model
  • Topographic Position Index
  • Karkas Heights
احمدآبادی، ع.، هاشمی، م.، ۱۳۹۸. طبقه‌بندی انواع دشت‌سر مبتنی بر رویکرد ژئومورفومتری در منطقه اشکذر یزد، کاوش‌های جغرافیایی مناطق بیابانی، دوره ۷، شماره ۲، صص ۱۹۲-۱۷۳.
بهرامی، ح.، نوحه‌گر، ا.، محمودی، و.، ۱۳۹۲. طبقه‌بندی خودکار لندفرم‌های حوضه آبخیز با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی (مطالعه موردی: حوضه آبخیز بروجن در استان چهارمحال و بختیاری)، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی، دوره ۲، شماره ۳، صص ۳۰-۱۷.
بهشتی جاوید، ا.، اسفندیاری ، ف.، روستائی، ش.، ۱۳۹۷. استخراج و شناسایی لندفرم های یخچالی با استفاده از روش شی‌گرا (مطالعه موردی سیرک های یخچالی سبلان)، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی، دوره ۶، شماره ۴ (شماره پیاپی ۲۴)، صص ۱۰۲-۸۸.
حجتی، م.، مکرم.، م.، ۱۳۹۵. استفاده از مدل زیر‌پیکسل جاذبه (attraction) به‌منظور طبقه‌بندی لندفرم‌ها، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی، دوره ۴، شماره ۴، صص ۵۵-۴۰.
حسین‌زاده، س.، نداف سنگانی، م.، ۱۳۹۴. ارزیابی دقت مدل‌های رقومی ارتفاع (DEMs) حاصل از نقشه‌های توپوگرافی و مقایسه تطبیقی آن با DEMهای ماهواره‌ای (مطالعه موردی: DEMهای توپوگرافی و ASTER منطقه آبغه در خراسان رضوی)، پژوهش‌های جغرافیای طبیعی (پژوهش‌های جغرافیایی)، دوره ۴۵، شماره ۱ (شماره پیاپی ۸۳)، صص ۸۶-۷۱.
حمزه، س.، امیری، ا.، ۱۳۹۹. پهنه‌بندی خطر رانش زمین با استفاده از روش‌های همپوشانی وزنی و تحلیل شبکه-مطالعه موردی: منطقه نصرآباد استان گلستان، نشریه علمی-پژوهشی اطلاعات جغرافیایی (سپهر)، دوره 2۹، شماره ۱۱۴، صص ۱۳۲-۱۱۷.
رحمتی‌نیا، و.، فیضی زاده، ب.، ۱۴۰۱. شناسایی نیمه‌خودکار لندفرم‌ها با استفاده از پردازش شیءگرا، مدل رقومی ارتفاع و تصاویر ماهواره‌ای مطالعه موردی: حوضه آبریز رودخانه دز واقع در دامنه‌های غربی و جنوب‌غربی زاگرس، هیدروژئومورفولوژی، شماره ۳۰، سال نهم، صص ۱۳۳-۱۰۵.
رعیتی شوازی، م.، کرم، ا.، غفاریان مالمیری، ح.، سپهر، ع.، ۱۳۹۶. مقایسه کارایی برخی الگوریتم‌های طبقه‌بندی در مطالعه تغییرات لندفرم‌های بیابانی دشت یزد-اردکان، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی، دوره ۶، شماره ۱، صص ۷۳-۵۷.
شایان، س.، احمدآبادی، ع.، یمانی، م.، فرج‌زاده، م.، کبیر، ا.، ۱۳۹۱. ارزیابی کارایی شاخص‌های ژئومورفومتریک به روش وود در طبقه‌بندی لندفرم‌های مناطق خشک (مطالعه موردی: منطقه مرنجاب)، برنامه‌ریزی و آمایش فضا (مدرس علوم انسانی)، دوره ۱۶، شماره ۱ (شماره پیاپی ۷۳)، صص ۱۲۰-۱۰۵.
شایان، س.، زارع، غ.، امیری، ش.، ۱۳۹۰. نقشه‌های ژئومورفولوژی، تاریخچه، ضرورت و کاربرد، نشریه علمی-پژوهشی اطلاعات جغرافیایی (سپهر)، دوره 20، شماره 79، صص ۴۵-۳۷.
شایان، س.، فرج‌زاده، م.، احمدآبادی، ع.، ۱۳۹۱. طبقه‌بندی نظارت شده لندفرم‌های ژئومورفولوژیکی مناطق خشک با استفاده از پارامترهای ژئومورفومتریک (نمونه موردی: منطقه مرنجاب)، نشریه سنجش از دور و GIS ایران، سال چهارم، شماره دوم، صص ۲۸-۱۹.
شهماری اردجانی، ر.، ۱۳۹۴. جایگاه نقشه ژئومورفولوژی در توسعه فیزیکی سکونتگاه های شهرستان آستارا، فصلنامه مطالعات برنامه‌ریزی سکونتگاه‌های انسانی، دوره 10، شماره 30 (شماره پیاپی 30)، صص ۹۸-۸۵.
عادلی، ز.، قهرودی تالی، م.، صدوق، ح.، ۱۴۰۰. کاربرد روش ژئومورفون‌ها در شناسایی عناصر اشکال زمین (مطالعه موردی حوضه حبله رود)، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی، دوره ۱۰، شماره ۲، صص ۱۱۹-۱۰۶.
محمدزاده، ک.، حسینی، س.، صمدی، م.، لعلی نیت، ا.، رحیمی م.، ۱۴۰۰. شناسایی نیمه‌خودکار لندفرم‌ها با استفاده از پردازش فازی شیءگرای تصاویر ماهواره‌ای - مطالعه موردی: شهرستان ماکو، 1. نشریه علمی-پژوهشی اطلاعات جغرافیایی (سپهر)، دوره ۳۰، شماره ۱۱۸، صص ۹۱-۷۷.
مختاری، م.، نجفی، ا.، ۱۳۹۴. مقایسه روش‌های طبقه‌بندی ماشین بردار پشتیبان و شبکه عصبی مصنوعی در استخراج کاربری‌های اراضی از تصاویر ماهواره‌ای لندست TM، مجله علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، علوم آب و خاک، سال ۱۹، شماره ۷۲، صص ۴۴-۳۵.
مکرم، م.، نگهبان، س.، 1393. طبقه بندی لندفرم ها با استفاده از شاخص موقعیت توپوگرافی (TPI) (مطالعه موردی: منطقه جنوبی شهرستان داراب)، فصلنامه علمی -پژوهشی اطلاعات جغرافیایی (سپهر)، 23 (92 )، صص 65-57.
ملکی، ا.، مارابی، ه.، رحیمی، ح.، ۱۳۹۵. ارزیابی شاخص موقعیت توپوگرافی (TPI) در زون سنندج-سیرجان و زاگرس شکسته، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی، دوره ۵، شماره ۱، صص ۱۴۱-۱۲۹.
نگهبان، س.، مکرم، م.، ۱۳۹۴. طبقه‌بندی لندفرم‌ها بر اساس شاخص موقعیت توپوگرافی (TPI) و ارتباط آن با ویژگی‌های زمین‌شناسی در حوضه آبخیز حکان (شهرستان جهرم)،. مجله پژوهش‌های فرسایش محیطی دانشگاه هرمزگان، سال ۵، شماره ۱، صص ۸۹-۷۵.
Bishop, M. P., Shroder Jr, J. F., & Colby, J. D. (2003). Remote sensing and geomorphometry for studying relief production in high mountains. Geomorphology, 55(1-4), 345-361.
Cerdà, A. (1998). The influence of geomorphological position and vegetation cover on the erosional and hydrological processes on a Mediterranean hillslope. Hydrological Processes, 12(4), 661-671.
Chen, C., Zou, X., Singh, A. K., Zhu, X., Zhang, W., Yang, B., ... & Liu, W. (2021). Effects of hillslope position on soil water infiltration and preferential flow in tropical forest in southwest China. Journal of Environmental Management, 299, 113672.
Chen, H. E., Chiu, Y. Y., Tsai, T. L., & Yang, J. C. (2020). Effect of rainfall, runoff and infiltration processes on the stability of footslopes. Water, 12(5), 1229.
De Reu, J., Bourgeois, J., Bats, M., Zwertvaegher, A., Gelorini, V., De Smedt, P., ... & Crombé, P. (2013). Application of the topographic position index to heterogeneous landscapes. Geomorphology, 186, 39-49.
Dobos, Endre, Jöel Daroussin, and Luca Montanarella. An SRTM-based procedure to delineate SOTER Terrain Units on 1: 1 and 1: 5 million scales. European Communities, 2005.
Drăguţ, L., & Blaschke, T. (2006). Automated classification of landform elements using object-based image analysis. Geomorphology, 81(3-4), 330-344.
Du, L., You, X., Li, K., Meng, L., Cheng, G., Xiong, L., & Wang, G. (2019). Multi-modal deep learning for landform recognition. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 158, 63-75.
Gioia, D., Danese, M., Corrado, G., Di Leo, P., Minervino Amodio, A., & Schiattarella, M. (2021). Assessing the prediction accuracy of geomorphon-based automated landform classification: An example from the ionian coastal belt of southern Italy. ISPRS International Journal of Geo-Information, 10(11), 725.
Goudie, A. (Ed.). (2004). Encyclopedia of geomorphology (Vol. 2). Psychology Press.
Huang, P. M., Li, Y., & Sumner, M. E. (Eds.). (2011). Handbook of soil sciences: properties and processes, Section 29: Geomorphology of Soil Landscapes, CRC Press.
Huggett, R., & Shuttleworth, E. (2022). Fundamentals of geomorphology. Taylor & Francis.
Jenness, J., Brost, B., & Beier, P. (2013). Land facet corridor designer. USDA forest service rocky mountain research station.
Lin, S., Chen, N., & He, Z. (2021). Automatic Landform Recognition from the Perspective of Watershed Spatial Structure Based on Digital Elevation Models. Remote Sensing, 13(19), 3926.
MacMillan, R. A., & Shary, P. A. (2009). Landforms and landform elements in geomorphometry. Developments in soil science, 33, 227-254.
MacMillan, R. A., & Shary, P. A. (2009). Landforms and landform elements in geomorphometry. Developments in soil science, 33, 227-254.
Marques, K. P., Demattê, J. A., Miller, B. A., & Lepsch, I. F. (2018). Geomorphometric segmentation of complex slope elements for detailed digital soil mapping in southeast Brazil. Geoderma Regional, 14, e00175.
Martins, F. M., Fernandez, H. M., Isidoro, J. M., Jordán, A., & Zavala, L. (2016). Classification of landforms in Southern Portugal (Ria Formosa Basin). Journal of Maps, 12(3), 422-430.
Miller, B. A., & Schaetzl, R. J. (2015). Digital classification of hillslope position. Soil Science Society of America Journal, 79(1), 132-145.
Mohamed, S. Z., Bahnassy, M., Gaber, H., & Darwish, K. M. (2018). Comparative Study of Landform Mapping Using Terrain Attributes and Topographic Position Index (TPI): a Case Study in Al-Alamien–Ras El-Hekma Region, Egypt. Alexandria science exchange journal, 39(OCTOBER-DECEMBER), 596-605.
Mokarram, M., & Hojati, M. (2016). Comparison of landform classifications of elevation, slope, relief and curvature with topographic position index in the South of Bojnoord. Ecopersia, 4(2), 1343-1357.
Mokarram, M., & Sathyamoorthy, D. (2018). A review of landform classification methods. Spatial Information Research, 26(6), 647-660.
Napieralski, J., & Nalepa, N. (2010). The application of control charts to determine the effect of grid cell size on landform morphometry. Computers & geosciences, 36(2), 222-230.
Schillaci, C., Braun, A. and Kropá?ek, J. (2015) Terrain Analysis and Landform Recognition. In: Geomorphological Techniques, British Society for Geomorphology, London, Chap. 2, Sec. 4. 2.
Schneider, M., & Klein, R. (2009). Semi-automatic digital landform mapping. In Landform-Structure, Evolution, Process Control (pp. 37-51). Springer, Berlin, Heidelberg.
Tağıl, Ş., & Jenness, J. (2008). GIS-based automated landform classification and topographic, landcover and geologic attributes of landforms around the Yazoren Polje, Turkey, Journal Of Applied Sciences,
Trentin, R., & de Souza Robaina, L. E. (2018). Study of the landforms of the ibicuí river basin with use of topographic position index. Revista Brasileira de Geomorfologia, 19(2).
Volume 8, Issue 6, pp 910-921.
Wehrhan, M., & Sommer, M. (2021). A Parsimonious Approach to Estimate Soil Organic Carbon Applying Unmanned Aerial System (UAS) Multispectral Imagery and the Topographic Position Index in a Heterogeneous Soil Landscape. Remote Sensing, 13(18), 3557.
Weiss, A. (2001, July). Topographic position and landforms analysis. In Poster presentation, ESRI user conference, San Diego, CA (Vol. 200).
Wieczorek, M., & Migoń, P. (2014). Automatic relief classification versus expert and field based landform classification for the medium-altitude mountain range, the Sudetes, SW Poland. Geomorphology, 206, 133-146.
Wilson, J. P., & Gallant, J. C. (Eds.). (2000). Terrain analysis: principles and applications. John Wiley & Sons.
Zhao, W. F., Xiong, L. Y., Ding, H., & Tang, G. A. (2017). Automatic recognition of loess landforms using Random Forest method. Journal of Mountain Science, 14(5), 885-897.