تخمین سطح برف با استفاده از روش های مبتنی بر محاسبات نرم و هم افزایی شاخص های برف

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه شهید چمران اهواز، دانشکده علوم زمین، گروه سنجش از دور و GIS

2 گروه سنجش از دور و GIS، دانشکده علوم زمین، دانشگاه شهید چمران اهواز؛ اهواز؛ ایران

10.22034/gp.2026.71937.3527

چکیده

هدف: با توجه به عدم قطعیت سطح بالای پوشش برف (SCA) در مناطق کوهستانی با توپوگرافی پیچیده، این پژوهش با هدف بهبود تفکیک برف از سایر سطوح از ترکیب شاخص‌های ساخت و الگوریتم‌های بهینه‌سازی فراابتکاری انجام شد.

روش پژوهش: در این مطالعه از تصاویر ماهواره‌های Landsat8 مربوط به استان‌های البرز و چهارمحال و بختیاری در ماه‌های ژانویه و مارس استفاده شد. شاخص‌های اجزای شامل NDSI، NDSII-1، S3، SWI و مؤلفه دوم تحلیل‌های اصلی ( (PCAM2) استخراج شد. سپس به منظور مدلسازی پدیده برف به‌عنوان یک پدیده‌سازی پیوسته، سیستم استنتاج فازی-عصبی تطبیقی (ANFIS) و نسخه‌های بهینه‌سازی شده آن با استفاده از الگوریتم‌های فراابتکاری شامل الگوریتم‌های الگوریتم ژنتیک ,(GA) تکامل تفاضلی ,(DE) بهینه‌سازی ازدحام ذرات ,(PSO)کلونی مورچه‌ها (ACO)، و بهینه‌سازی نهنگ (WOA)به ئکار گرفته شد. عملکرد مدل‌ها در مراحل آموزش و آزمون با استفاده از شاخص‌های آماری RMSE و MSE انجام شد.

نتایج: نتایج نشان داد عملکرد الگوریتم‌ها وابسته به شرایط مکانی و زمانی منطقه مورد مطالعه است. در حوضه کارون شمالی، الگوریتم PSO در تاریخ 20/11/2022کمترین مقدار RMSE (0.077) را در داده‌های آزمون ثبت کرد و در تاریخ 20/03/2023 نیز همراه با ANFIS کمترین میزان خطا را نشان داد. در مقابل، الگوری WOA در هر دو منطقه بیشترین میزان خطا و ناپایداری را داشت. در حوضه تهران–کرج، مدل ANFIS در هر دو تاریخ مورد بررسی دقیق‌ترین و پایدارترین عملکرد را ارائه داد.

نتیجه‌گیری: نتایج این پژوهش نشان داد که ترکیب هم‌افزای شاخص‌های طیفی پوشش برف با مدل‌های هوش محاسباتی و الگوریتم‌های بهینه‌سازی فراابتکاری، می‌تواند عدم‌قطعیت برآورد پوشش برف در مناطق کوهستانی را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهد. در میان مدل‌های بررسی‌شده، الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات (PSO) و مدل ANFIS عملکرد دقیق‌تر و پایدارتری در پایش پوشش برف حوضه‌های کوهستانی نشان دادند و به‌عنوان گزینه‌های کارآمدتر پیشنهاد می‌شوند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Innovative Snow Cover Estimation: Harnessing Soft Computing Methods and Synergistic Snow Cover Indices

نویسندگان [English]

  • Sedigheh Emami 1
  • Mostafa Kabolizadeh 2
  • Kazem Rangzan 1
  • Sajad Zareie 1
1 Ph. D. Student of RS and GIS, Faculty of Earth Sciences, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran
2 RS and GIS Department, Earth Sciences Faculty, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran.
چکیده [English]

Objective: Considering the high uncertainty of Snow Cover Area (SCA) in mountainous regions with complex topography, this study aimed to improve snow discrimination from other land surfaces through the combination of spectral indices and metaheuristic optimization algorithms.

Methods: Landsat 8 satellite images from Alborz and Chaharmahal and Bakhtiari provinces, acquired in January and March, were used. Spectral indices, including NDSI, NDSII-1, S3, SWI, and the second principal component (PCAM2), were extracted. To model snow as a continuous phenomenon, an Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS) and its optimized versions using metaheuristic algorithms, including Genetic Algorithm (GA), Particle Swarm Optimization (PSO), Whale Optimization Algorithm (WOA), Differential Evolution (DE), and Ant Colony Optimization (ACOR), were employed. Model performance in training and testing phases was evaluated using RMSE and MSE.

Results: The results indicated that algorithm performance depends on the spatial and temporal conditions of the study area. In the Karun North watershed, PSO achieved the lowest RMSE (0.077) on 2022/11/20, and together with ANFIS, it showed the minimum error on 2023/03/20. In contrast, WOA exhibited the highest error and instability in both regions. In the Tehran–Karaj watershed, ANFIS consistently provided the most accurate and stable performance. Overall, ANFIS-based models and metaheuristic algorithms, particularly PSO, demonstrated higher capability in discriminating snow from other land surfaces, while WOA performed relatively poorly.

Conclusions: The study demonstrates that combining multiple spectral indices with metaheuristic-optimized computational intelligence models can significantly reduce uncertainty in snow cover estimation in mountainous regions. Among the evaluated models, PSO and ANFIS are recommended as the most efficient options for snow cover monitoring in mountainous watersheds.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Snow Cover
  • ANFIS
  • PSO
  • Metaheuristic Optimization
  • Mountainous Watershed