پژوهشهای ژئومورفولوژی کمّی

پژوهشهای ژئومورفولوژی کمّی

آشکارسازی لندفرم‌های ژئومورفولوژی با استفاده از شاخص TPI و الگوریتم های MLMSR، CMLSR و SPSR (مطالعه موردی: دامنه جنوبی توده کوهستان سهند)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه جغرافیا طبیعی، دانشکده علوم اجتماعی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
10.22034/gmpj.2025.499686.1542
چکیده
لندفرم‌ها بیانگر فرآیندهای تأثیرگذار بر عوارض سطح زمین درگذشته و حال هستند و اطلاعات مهمی در مورد ویژگی‌ها و پتانسیل‌های زمین فراهم می‌کنند پژوهش حاضر با هدف استخراج و تحلیل لندفرم‌های ژئومورفولوژیکی دامنه جنوبی توده کوهستان سهند، از شاخص موقعیت توپوگرافی (TPI) و سه الگوریتم پیشرفته MLMSR، CMLSR و SPSR بهره گرفته است. منطقه مورد مطالعه شامل حوضه‌های قلعه چای، صوفی چای، مردق چای، لیلان چای و بخشی از قرنقو است که به جز حوضه قرنقو بقیه حوضه‌ها از زیرحوضه‌های دریاچه ارومیه محسوب می‌شوند. در این مطالعه، مدل رقومی ارتفاع (DEM) با قدرت تفکیک ۳۰ متر برای تحلیل ویژگی‌های توپوگرافی منطقه به‌کار گرفته شد و بر این اساس، ۱۰ نوع لندفرم شناسایی گردید. نتایج نشان داد که توزیع لندفرم‌ها در منطقه متأثر از عوامل زمین‌شناسی، فرسایشی و تکتونیکی است. در مناطق کوهستانی، دره‌های باریک و زهکش‌های مرتفع گستردگی بیشتری دارند، درحالی‌که در مناطق هموارتر، دشت‌ها و تپه‌ها غالب هستند. مقایسه روش‌های مورد استفاده نشان داد که الگوریتم MLMSR در تشخیص اشکال پیچیده مانند دامنه‌های شیب‌دار و آبراهه‌ها کارایی بهتری دارد، درحالی‌که CMLSR در شناسایی نواحی مرتفع، قله‌ها و خط‌الرأس‌ها دقت بالاتری نشان داد. همچنین، SPSR در تفکیک مناطق مرتفع و دشت‌ها عملکرد مناسبی داشته، اما در شناسایی جزئیات شیب‌ها ضعیف‌تر از سایر الگوریتم‌ها بوده است. به‌طور کلی، این مطالعه نشان داد که ترکیب شاخص TPI با الگوریتم‌های MLMSR، CMLSR و SPSR می‌تواند رویکردی کارآمد برای استخراج و تحلیل لندفرم‌ها ارائه دهد و از این داده‌ها می‌توان برای مدیریت منابع طبیعی، برنامه‌ریزی منطقه‌ای، ژئوتوریسم و کاهش مخاطرات طبیعی استفاده کرد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Detection of Geomorphological Landforms Using the TPI Index and MLMSR, CMLSR, and SPSR Algorithms (Case Study: Southern Slopes of the Sahand Mountain Range

نویسندگان English

Mousa Abedini
Aboozar Sadeghi
Aghil Madadi
professor in Geomorphology Department of physical geography. University of Mohaghegh Ardabili
چکیده English

Introduction

Geomorphology, as a fundamental branch of earth sciences, examines surface changes and investigates geomorphological processes. Landforms, as the diverse shapes of the Earth's surface, result from these processes and provide crucial information about geological history, erosion, and environmental changes. The study area in this research is the basins of the southern slope of the Sahand mountain range. The Qaleh-e-Chay basin, which originates from Sahand and ultimately enters the Lake Urmia basin. The Sufi-e-Chay basin, on which the Alavian Dam was also built, passes through the cities of Maragheh and Bonab and finally enters the Lake Urmia basin.The southern slopes of the Sahand Mountain Massif in northwestern Iran represent a region rich in geomorphic diversity due to their unique geographical location and exposure to tectonic, geological, and climatic factors. This area includes the Qaleh Chay, Soufi Chay, Mardagh Chay, and Lilan Chay basins, as well as parts of the Qarangho basin, all of which are sub-basins of Lake Urmia. Precise identification and analysis of these landforms can play a critical role in sustainable natural resource management, regional planning, and mitigating natural hazards such as floods. With advancements in remote sensing technologies and digital elevation models (DEMs), more accurate and rapid analyses of these landforms have become feasible. This study aims to identify, classify, and analyze the landforms of the southern Sahand slopes using the Topographic Position Index (TPI) and three advanced algorithms: MLMSR, CMLSR, and SPSR.

Methodology

The study utilized DEM data with a spatial resolution of 30 meters and the TPI to analyze and classify landforms. The TPI, an effective index in geomorphological studies, evaluates the topographic position of each pixel relative to its neighboring pixels. Positive TPI values indicate elevated areas (e.g., peaks and ridges), while negative values denote lower areas (e.g., valleys). Three algorithms—MLMSR (Multi-Layered Morphological Spatial Representation), CMLSR (Complex Multi-Level Summit Recognition), and SPSR (Single Point Summit Recognition)—were employed to process DEM data and extract landforms. Each algorithm applies different methods for analyzing elevation data to identify and classify landforms. The research process involved acquiring DEM data, calculating the TPI, applying algorithms, generating landform maps, and analyzing the results. The algorithms were evaluated for their performance in areas with varying characteristics, such as mountainous and flat regions.

Results and Discussion

The analysis revealed that the southern Sahand slopes encompass ten primary landform types, each with distinct characteristics. Narrow valleys and channels were predominantly observed in steep, mountainous areas in the northern and eastern parts of the region, while plains and flatlands were concentrated in the southern and lower sections. Ridges and elevated plateaus were prominent in higher altitudes, reflecting the influence of tectonic and erosional processes on landform development. A comparison of algorithms showed that MLMSR excelled in identifying peaks and ridges in mountainous areas. SPSR was more effective for precise classification of flat and plain areas, while CMLSR demonstrated satisfactory performance in recognizing complex landforms and conducting multi-scale analyses. The generated maps provided comprehensive information on the distribution and diversity of landforms, serving as a foundation for further studies.

Conclusion

The results showed that the study area consists of various landforms such as narrow valleys, flat plains, hills, ridges and high plateaus due to diverse topographic and geological conditions. Each of these landforms has unique characteristics and their distribution in the region is influenced by factors such as slope, slope direction, altitude, lithology type and tectonic activities. In mountainous and steep areas, narrow valleys and high drainages are most concentrated and these areas indicate intense erosional activities. In contrast, plains and flat areas in the downstream and marginal parts have been formed due to extensive sedimentation processes. Also, hills and high plateaus are seen at medium and high altitudes, indicating the effect of wind and water erosion on the formation of these landforms. The algorithms used in this study each provided different capabilities in identifying and analyzing landforms. The MLMSR algorithm performed better due to its high ability to identify complex shapes such as peaks and ridges. In contrast, the SPSR algorithm was more suitable for flat areas and plains due to its high accuracy in processing pixels. The CMLSR algorithm also provided the ability to analyze landforms at different scales and allowed for the extraction of more details from land structures. In this study, digital elevation model (DEM) data with an accuracy of 30 meters was used to analyze topographic locations. Due to its high accuracy and detail, these data enabled rapid and automatic analysis of landforms and can be used in other similar areas. The analyses performed showed that the TPI index, as an effective tool in distinguishing and classifying landforms, has high capabilities in geomorphological studies.

کلیدواژه‌ها English

Landform
Sahand
Geomorphology
Topographic Position Index (TPI)
رعیتی شوازی، م.، کرم، ا.، غفاریان مالمیری، ح ر و سپهر، ع.، 1395. مقایسه کارایی برخی الگوریتم‌های طبقه‌بندی در مطالعه تغییرات لندفرم‌های بیابانی دشت یزد اردکان، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی، 6 (1): 73-57.
شکار بادی، ع.، امیر احمدی، ا.، مختاری، ل گ و جمال آبادی، ج.، 1402. طبقه‌بندی خودکار لندفرم‌ها (ACL) با دو مدل ویژگی‌های زمین (TA) و شاخص موقعیت توپوگرافی (TPI) در دامنه‌های شمال شرقی ارتفاعات کرکس کوه نطنز و کاشان، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی، 12(2): 165-148.
عابدینی، م.، 1395. ژئومورفولوژی تکتونیکی (جلد اول)، چاپ اول، نشر دانشگاه محقق اردبیلی، صص 292.
عابدینی، م.، مظفری، ح و فعال‌نذیری، م.، 1402. طبقه‌بتدی و آشکارسازی تغییرات لندفرم‌های ژئومورفولوژی و شبیه سازی تغییرات با سلو‌ل‌های خودکار مارکوف(مطالعه موردی: حوضه آبریز سجارود)، ژئومورفولوژی کمی، 11(4): 130-109.
گنجعلی، ج.، حلبیان، ا ح.، کرم، ا و حجه فروش‌نیا، ش.، 1401. بررسی تغییرات شوری خاک در ارتباط با لندفرمهای نواحی بیابانی شمال استان اصفهان، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی، 113): 253-220.
مکرم، م.، درویشی بلورانی، ع و نگهبان، س.، 1394. ارتباط ویژگیهای مورفومتری حوضههای آبخیز و فرسایش‌پذیری در سطوح مختلف ارتفاعی با استفاده از شاخص موقعیت توپوگرافی (TPI) مطالعه موردی: حوضه آبخیز نازلوچای، فصلنامه علمی پژوهشی اطلاعات جغرافیایی، 26(101): 142-131.
ملکی، امجد.، مارابی، ه و رحیمی.، ح.، 1395. ارزیابی شاخص موقعیت توپوگرافی (TPI) در زون سنندج - سیرجان و زاگرس شکسته، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی، 5(1): 141-129.
نگهبان، س و مکرم، م.، 1403. ارتباط طبقه‌بندی شکل زمین، کاربری اراضی و مناطق دارای پتانسیل سیل خیزی در استان بوشهر، پژوهش‌های ژئومورفولوژی کمی، 13(1): 79-64.
Anders, N. S., Seijmonsbergen, A. C., & Bouten, W. (2013). Geomorphological change detection using Object-Based feature extraction from Multi-Temporal LiDAR data. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 10(6), 1587–1591. https://doi.org/10.1109/lgrs.2013.2262317
Baatz, M. (2000). Multiresolution Segmentation-an optimization approach for high quality multi-scale image segmentation. N Angewandte Geographische Informationsverarbeitung. https://ci.nii.ac.jp/naid/10019600673
Benz, U. C., Hofmann, P., Willhauck, G., Lingenfelder, I., & Heynen, M. (2003). Multi-resolution, object-oriented fuzzy analysis of remote sensing data for GIS-ready information. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 58(3–4), 239–258. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2003.10.002
Blaschke, T., & Strobl, J. (2001). What’s wrong with pixels? Some recent developments interfacing remote sensing and GIS. GIS – Zeitschrift Für Geoinformations Systeme, 6, 12–17. https://ci.nii.ac.jp/naid/10027626746/
Camargo, F., Almeida, C., Florenzano, T., Heipke, C., Feitosa, R., & Costa, G. (2011). ASTER/TERRA Imagery and a multilevel semantic network for semi-automated classification of landforms in a subtropical area. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 77(6), 619–629. https://doi.org/10.14358/pers.77.6.619
Drăguţ, L., & Eisank, C. (2011). Object representations at multiple scales from digital elevation models. Geomorphology, 129(3–4), 183–189. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2011.03.003
Dutta, S., Mahato, F & Gupta, F. (2024). Topographical Position Index Based Terrain Classification and Its Impact on Land Use and Land Cover on Ajodhya Hills Region, (Chotanagpur Plateau) India. Colombo Geographer, Volume 2, Issue I.1-16.
Etzelmüller, B., Ødegård, R. S., Berthling, I., & Sollid, J. L. (2001). Terrain parameters and remote sensing data in the analysis of permafrost distribution and periglacial processes: principles and examples from southern Norway. Permafrost and Periglacial Processes, 12(1), 79–92. https://doi.org/10.1002/ppp.384
Gupta, L., & Dixit, J. (2024). Investigating the spatial distribution of flood inundation and landforms using topographic position index (TPI) and geomorphon-based automated landform classification methods. Journal of Earth System Science, 133(3). https://doi.org/10.1007/s12040-024-02343-x
Jenness, J. (2006). Topographic Position Index (tpi jen.avx) extension for ArcView 3.x, v. 1.2. Jenness Enterprises. Available at: http://www.jennessent.com/arcview/tpi.htm.
Lang, S. (2008). Object-based image analysis for remote sensing applications: modeling reality – dealing with complexity. In Lecture notes in geoinformation and cartography (pp. 3–27). https://doi.org/10.1007/978-3-540-77058-9_1
Liu, N. X. (2008). Airborne LiDAR for DEM generation: some critical issues. Progress in Physical Geography Earth and Environment, 32(1), 31–49. https://doi.org/10.1177/0309133308089496
MacMillan, R., Jones, R., & McNabb, D. H. (2003). Defining a hierarchy of spatial entities for environmental analysis and modeling using digital elevation models (DEMs). Computers Environment and Urban Systems, 28(3), 175–200. https://doi.org/10.1016/s0198-9715(03)00019-x
Martínez-Graña, A., Boski, T., Goy, J., Zazo, C., & Dabrio, C. (2016). Coastal-flood risk management in central Algarve: Vulnerability and flood risk indices (South Portugal). Ecological Indicators, 71, 302–316. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2016.07.021
Minár, J., & Evans, I. S. (2007). Elementary forms for land surface segmentation: The theoretical basis of terrain analysis and geomorphological mapping. Geomorphology, 95(3–4), 236–259. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2007.06.003
Mitasova, H., Overton, M. F., Recalde, J. J., Bernstein, D. J., & Freeman, C. W. (2009). Raster-Based Analysis of Coastal Terrain Dynamics from Multitemporal Lidar Data. Journal of Coastal Research, 252, 507–514. https://doi.org/10.2112/07-0976.1
Romstad, B., & Etzelmüller, B. (2011). Mean-curvature watersheds: A simple method for segmentation of a digital elevation model into terrain units. Geomorphology, 139–140, 293–302. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2011.10.031
Sharma, M., Garg, R. D., Badenko, V., Fedotov, A., Min, L., & Yao, A. (2020). Potential of airborne LiDAR data for terrain parameters extraction. Quaternary International, 575–576, 317–327. https://doi.org/10.1016/j.quaint.2020.07.039
Smith, M. J., Chandler, J., & Rose, J. (2008). High spatial resolution data acquisition for the geosciences: kite aerial photography. Earth Surface Processes and Landforms, 34(1), 155–161. https://doi.org/10.1002/esp.1702
Štular, B., Lozić, E., & Eichert, S. (2021). Airborne LIDAR-Derived Digital Elevation Model for Archaeology. Remote Sensing, 13(9), 1855. https://doi.org/10.3390/rs13091855
Valkanou, K., Karymbalis, E., & Tsanakas, K. (2024). Identification of geomorphic and morphotectonic features using geographic information system techniques. In Elsevier eBooks  3–28. https://doi.org/10.1016/b978-0-443-13605-4.00009-6
Ventura, G., Vilardo, G., Terranova, C., & Sessa, E. B. (2011). Tracking and evolution of complex active landslides by multi-temporal airborne LiDAR data: The Montaguto landslide (Southern Italy). Remote Sensing of Environment, 115(12), 3237–3248. https://doi.org/10.1016/j.rse.2011.07.007
Weiss A. (2001). Topographic position and landforms analysis. ERSI User Conference, San Diego, USA.
Yan, W. Y., Shaker, A., & El-Ashmawy, N. (2014). Urban land cover classification using airborne LiDAR data: A review. Remote Sensing of Environment, 158, 295–310. https://doi.org/10.1016/j.rse.2014.11.001