SUPERVISOR
مرتضی صادقی (استاد مشاور) رضا روستایی صدرآبادی (استاد مشاور) شمس اله ایوبی (استاد راهنما) محمدرضا مصدقی (استاد راهنما)
STUDENT
Shaghayegh Havaee
شقایق هوائی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Evaluation of factors affecting shear strength in the landscape using artificial neural networks
Soil erosion is among the most important environmental problems in the world resulted from unsustainable ecosystems. It could also accelerate degradation of the ecosystems. Therefore, it is firstly vital to determine soil erosion-critical locations for the erosion-ameliorating practices. Several soil erosion models have been developed to predict soil erosion, which need accurate inputs for good estimation of soil erosion. Soil surface shear strength is an important input parameter in the soil erosion models, but its direct measurement is difficult, time-consuming and costly in the watershed scale. This study was done to predict soil surface shear strength using artificial neural networks (A), multiple linear regression (MLR) and adaptive fuzzy system based on neural networks (ANFIS). It was also aimed to determine and rank the factors most effective on soil surface shear strength. A direct shear box was designed and constructed to measure in situ soil surface shear strength. The device can determine two soil shear strength parameters i.e. cohesion ( c ) and angel of internal friction ( ? ). The study area (3500 km 2 ) was located in Semirom region, Isfahan province. Soil surface shear strength was determined using the shear box at 100 locations under three land uses of grassland, irrigated farming and dryland farming. Soil samples were also collected from 0?5 cm layer of the same 100 locations. Particle size distribution, fine clay content, organic matter content (OM), carbonate content, bulk density and gravel content were determined on the collected soil samples. Normalized difference vegetation index (NDVI) was also calculated using satellite images. Multiple linear regression (MLR), artificial neural networks (A) and adaptive fuzzy system based on neural networks (ANFIS) were used to model/predict soil surface shear strength ( c and ? ) using two groups of inputs: 1) easily-available soil properties (pedotransfer functions, PTFs) and 2) easily-available soil properties and NDVI (soil spatial prediction functions, Fs). A strong negative correlation was found between soil c and ? in the studied area. Positive correlations were also obtained between c and total clay content (especially fine clay content) and between ? and sand or gravel contents. The results showed that NDVI is an important factor affecting soil shear strength parameters ( c and ? ). LSD mean comparisons were used to investigate the effect of land use on soil surface shear strength and showed that dryland farming with maximum mean of clay content, fine clay content and c , had also minimum mean of sand content, gravel content and ? . Also irrigated farming with maximum mean of sand content and minimum mean of clay content had minimum mean of c . However, grassland and irrigated farming did not have significant differences in terms of soil c and ? . Prediction models of shear strength derived in group 2 (Fs) were more accurate than those derived in group 1 (PTFs). In order to compare the modeling methods, efficacy indices were used for evaluation of the best result of each method. The results showed that ANN models were more feasible in predicting soil shear strength parameters than MLR and ANFIS models. The A, MLR and ANFIS accounted for 90, 43 and 37 percents of variations ( R 2 ) of c , respectively. Corresponding values for ? prediction were 92, 57 and 52 percents, respectively. Therefore, all three models were more successful in predicting frictional part than cohesive part of soil shear strength. Moreover, A were the best models for predicting/modeling soil surface shear strength in the region because they can extract patterns and detect nonlinear trends that are too complex. Results of sensitivity analysis for ANN models indicated that NDVI, bulk density and fine clay content are more effective parameters on c , However, land use, carbonate, sand and organic matter contents were less effective on this parameter. Only two predictors of OM/clay ratio and silt content had sensitivity coefficients of less than 1 and were ineffective in soil c in the studied region. Also it was found that sand content, bulk density and NDVI were more effective parameters and OM/clay ratio and organic matter content were less effective parameters on ? in the region.
فرسایش خاک یکی از مهم ترین مشکلات محیط زیست جهانی محسوب می شود که محصول اکوسیستم ناپایدار بوده و خود نیز در تشدید ناپایداری اکوسیستم نقش بسیار مهمی دارد. در این راستا تشخیص نقاط بحرانی فرسایش خاک، اولین گام جهت مبارزه و کاهش فرسایش مخرب می باشد. مدل های متعددی به تخمین فرسایش خاک می پردازند که در صورت به کارگیری داده های ورودی دقیق تر، امکان پیش بینی بهتری از میزان فرسایش خاک را خواهند داشت. مقاومت برشی خاک سطحی یکی از مهم ترین پارامتر های ورودی مدل های فرسایش خاک است که اندازه گیری مستقیم آن در سطح حوضه آبخیز دشوار، هزینه بر و وقت گیر می باشد. این پژوهش با هدف پیش بینی مقاومت برشی سطحی خاک و تعیین و رتبه بندی مهم ترین فاکتور?های موثر بر مقاومت برشی خاک سطحی، با استفاده از مدل?سازی توسط روش های رگرسیون چندمتغیره خطی، شبکه عصبی مصنوعی و سیستم نرو فازی، انجام شد. برای اندازه گیری مقاومت برشی خاک سطحی در صحرا، دستگاه جعبه برش مستقیم طراحی و ساخته شد. این دستگاه قادر به تعیین هر دو پارامتر چسبندگی ( c ) و زاویه اصطکاک داخلی ( ? ) خاک می باشد. منطقه مورد مطالعه با مساحت 3500 کیلو متر مربع در اراضی شهرستان سمیرم، واقع در استان اصفهان با کاربری مرتع، کشت آبی و کشت دیم انتخاب و مقاومت برشی خاک سطحی توسط دستگاه جعبه برش مستقیم در 100 نقطه اندازه گیری شد. نمونه برداری خاک نیز در این 100 نقطه از لایه 5-0 سانتی متری خاک انجام گرفت. ویژگی های توزیع اندازه ذرات، درصد رس ریز، مقدار ماده آلی (OM)، درصد آهک، چگالی ظاهری و درصد سنگ ریزه خاک روی نمونه های برداشت شده اندازه گیری شدند. شاخص پوشش گیاهی (NDVI) نیز به کمک تصاویر ماهواره ای تعیین گردید. مدل های رگرسیون چندمتغیره خطی (MLR)، شبکه عصبی مصنوعی (A) و سیستم نرو فازی (ANFIS) برای پیش بینی و مدل سازی مقاومت برشی سطحی خاک، با استفاده از دو گروه داده ورودی شامل: 1) ویژگی های زودیافت خاک (توابع انتقالی خاک، PTFs) و 2) ویژگی های زودیافت خاک به همراه NDVI (توابع پیش بینی فضایی خاک، Fs)، انجام شد. هم بستگی قوی منفی بین دو پارامتر c و ? خاک در منطقه مورد بررسی وجود دارد. هم چنین هم بستگی زیادی بین c و مقدار رس (به ویژه رس ریز) و بین ? و میزان شن و سنگ ریزه دیده شد. نتایج نشان دادند که NDVI از جمله مهم ترین عوامل مؤثر بر هر دو پارامتر مقاومت برشی خاک می باشد. آزمون مقایسه میانگین LSD جهت بررسی تأثیر نوع کاربری اراضی بر مقاومت برشی سطحی خاک نشان داد که، کشت دیم با بیش ترین میانگین میزان رس، رس ریز و c ، دارای کم ترین میانگین شن، سنگ ریزه و ? می باشد. هم چنین نتایج نشان داد که کشت آبی با بیش ترین میانگین شن و کم ترین میانگین رس، دارای کم ترین میانگین c می باشد. کاربری مرتع و کشت آبی دارای اختلاف معنی داری از نظر c و ? خاک نبودند. مدل های پیش بینی کننده مقاومت برشی حاصل از گروه 2 (Fs)، مناسب تر از مدل های گروه 1 (PTFs) بودند. به منظور مقایسه روش های مدل سازی از شاخص های دقت مدل سازی برای بهترین نتیجه بدست آمده از هر یک از این روش ها، استفاده شد. نتایج نشان داد که مدل های A با دقتی بسیار بیش تر از روش های MLR و ANFIS به پیش بینی پارامتر های مقاومت برشی خاک پرداخته اند. در پیش بینی c خاک A 90 درصد، MLR 43 درصد و ANFIS 37 درصد از تغییر پذیری را توجیه نمودند. در مورد ? خاک نیز A 92 درصد، MLR 57 درصد و ANFIS52 درصد از تغییرات را توجیه نمودند. با توجه به نتایج به دست آمده می توان بیان داشت که A به دلیل توانایی زیاد در کشف و بررسی روابط پیچیده غیر خطی بین تخمین گر ها تکنیک مناسب تری جهت مدل سازی دقیق تر مقاومت برشی خاک سطحی می باشد. نتایج آنالیز حساسیت بر اساس مدل های شبکه عصبی توسعه یافته برای پارامتر c نشان داد که، NDVI، چگالی ظاهری و میزان رس ریز فاکتور هایی هستند که بیش ترین تأثیر را بر این پارامتر در منطقه مورد مطالعه دارند. تنها دو پارامتر نسبت OM/clay و میزان سیلت دارای حساسیت کم تر از 1 بوده، بنابراین در تغییر پذیری c خاک سطحی در منطقه مورد بررسی، نقش مؤثری ندارند. این نتایج در مورد پارامتر ? مشخص کرد که میزان شن، چگالی ظاهری و NDVI تأثیر گذار ترین عوامل بر آن می باشند. هم چنین نسبت OM/clay و میزان مواد آلی دارای کم ترین تأثیر بر ? خاک در این منطقه بوده اند. واژه های کلیدی: مقاومت برشی خاک سطحی، شبکه عصبی مصنوعی، سیستم نرو فازی، رگرسیون، توابع انتقالی خاک، توابع پیش بینی فضایی خاک، آنالیز حساسیت.