Spatiotemporal modeling of CO pollutant in city of Isfahan using MODIS imagery and ANFIS and RF algorithms

Abstract

سابقه و هدف: امروزه صنعتی شدن و توسعه شهرنشینی باعث آلودگی هوا در اکثر کلان‌شهرهای جهان شده است و سالانه میلیون­ ها نفر به ­علت آلودگی هوا جان خود را از دست می­ دهند. ﺑﺎ ﺗﻮﺟﻪ ﺑﻪ ﻣﺤﺪود ﺑﻮدن ﺷﺒﻜﻪ اﻳﺴﺘﮕﺎه‌ﻫﺎى ﭘﺎﻳﺶ آﻻﻳﻨﺪه‌ﻫﺎى ﻫﻮا و ﻏﻴﺮ اﻗﺘﺼﺎدى ﺑﻮدن اﻓﺰاﻳﺶ ﺗﻌﺪاد این اﻳﺴــﺘﮕﺎه‌ﻫا در سطح شهرها، دﺳﺖ‌ﻳﺎﺑﻰ ﺑﻪ ﭘﻮﺷــﺶ ﻣﻜﺎﻧﻰ و زﻣﺎﻧﻰ ﻣﻨﺎﺳــﺐ برای ﻧﺸﺎن دادن ﺗﻐﻴﻴﺮات ﻏﻠﻈﺖ ذرات آلاینده هوا ﺑﺴﻴﺎر دﺷﻮار اﺳﺖ. بر این اساس پژوهش حاضر با هدف تهیه نقشه ­های دو سالانه (سال‌های 1397 و 1398 هجری شمسی) آلودگی هوای شهری در سطح شهر اصفهان بر اساس آلاینده CO و با استفاده از داده ­های زمینی و تصاویر ماهواره ­ای سنجنده MODIS انجام شد.مواد و روش­ ها: برای این مطالعه از دو الگوریتم ANFIS و RF استفاده شد. برای اجرای الگوریتم ANFIS، ابتدا داده­ های ایستگاه ­های زمینی پایش آلودگی هوا جمع ­آوری شد و بر اساس آن و با توجه به داده­ های عمق نوری هواویز حاصل از تصاویر سنجنده MODIS نسبت به استخراج قوانین نخستین فازی اقدام شد و در نهایت با ادغام قوانین فازی و الگوریتم شبکه عصبی مصنوعی، الگوریتم ANFIS برای مدل ­سازی پراکنش آلودگی هوا در سطح شهر اصفهان اجرا شد. در اجرای الگوریتم RF نیز از داده­ های ایستگاه ­های زمینی و داده ­های عمق نوری هواویز سنجنده MODIS استفاده شد. دو پارامتر مهم در اجرای الگوریتم RF تعداد درختان جنگل و تعداد متغیرهای موجود در هر گره است که برای بهینه ­سازی آن­ها از روش اعتبارسنجی متقابل 10 قسمتی استفاده شد.نتایج و بحث: نتایج مدل ­سازی آلاینده CO نشان داد الگوریتم RF نتایج بهتری را نسبت به الگوریتم ANFIS ارائه داده است، به ­طوری­ که مقدار خطای RMSE الگوریتم RF، 724/0 و مقدار خطای RMSE الگوریتم ANFIS، 809/0 پی پی ام است، همچنین مقدار خطای MAE الگوریتم RF، 636/0 و مقدار خطای MAE الگوریتم ANFIS، 792/0 پی پی ام است. بنابراین می ­توان گفت الگوریتم RF از کارایی و دقت بیشتری در مدل ­سازی آلاینده CO برخوردار است. نتایج پراکنش مکانی آلاینده CO با استفاده از الگوریتم ANFIS نشان داد میزان این آلاینده در سطح شهر اصفهان به­ صورت محلی تغییر می ­کند، به ­طوری­ که مناطق مرکزی و شمالی شهر اصفهان دارای بیشترین آلایندگی و مناطق شرقی و غربی اصفهان دارای کمترین آلایندگی هستند. بررسی مقادیر عددی به­ دست آمده از الگوریتم ANFIS نیز نشان داد کمترین میزان آلایندگی CO در سطح شهر اصفهان برابر با 43/1 پی پی ام و بیشترین مقدار آن برابر با 13/2 پی پی ام است. نتایج به ­دست آمده از الگوریتم RF نشان داد با حرکت از جنوب ­شرقی به سمت شمال ­غربی شهر اصفهان بر میزان آلاینده CO افزوده شده و مناطق شمال­ غربی شهر اصفهان از بیش­ترین آلایندگی CO برخوردار هستند، بررسی مقادیر عددی به­ دست ­آمده از میزان آلایندگی CO بر اساس الگوریتم RF نشان داد کمترین میزان آلاینده CO برابر با 57/0 پی پی ام و بیشترین مقدار آن برابر با 27/2 پی پی ام است.نتیجه ­گیری: در انتها می ­توان نتیجه گرفت الگوریتم ­های ANFIS و RF با داشتن ویژگی­ هایی همچون امکان مدل­ سازی غیر خطی، توانایی کاهش اثرات منفی داده­ های پرت و حساسیت کمتر به مساله کمینه محلی، روش­ هایی مناسب و دقیق در مدل­ سازی مسائل محیطی هستند. شایان ذکر است که بخش گسترده‌ای از خطای مشاهده شده در نتایج روش­ های ANFIS و RF، مرتبط با ویژگی­ های ذاتی تصاویر سنجنده مودیس (همچون پوشش ابر و مختلط بودن بیش از حد پیکسل­ ها با توجه به ابعاد یک کیلومتری آنها) و نقطه ­ای بودن اندازه گیری­ های ایستگاه ­های زمینی و همچنین امکان خطا در داده ­های ثبت شده در ایستگاه ­های زمینی است.