1. مقدمه

این تحقیق یک معیار کمی جدید را برای توصیف تغییرات ساحلی معرفی می کند: مرکز جرم سیستم. برگرفته از مکانیک کلاسیک نیوتنی، مرکز جرم، همانطور که در ژئومورفولوژی ساحلی و به طور کلی برای سیستم‌های ژئومورفولوژیکی اعمال می‌شود، یک حجم محدود، توده رسوب/سنگ یکپارچه یا تثبیت نشده را در یک نقطه واحد در فضای سه‌بعدی، نقشه‌برداری می‌کند. جرم. با یک سری زمانی از داده ها، این مرکز جرم را می توان محاسبه و از طریق فضا ردیابی کرد تا حسابداری برای چگونگی تکامل (حرکت) یک ویژگی یا سیستم به طور کلی با زمان ارائه شود.

بسیاری از تحقیقات قبلی مرتبط با تغییرات ساحلی بر خط ساحلی اقیانوس و تغییرات در موقعیت خط ساحلی تکیه کرده اند ([ 1-9 ] ) . رایج ترین داده مورد استفاده برای نشان دادن این خط ساحلی خط آب بالا (HWL) بوده است. HWL به عنوان موقعیت رابط زمین/آب در زمان آخرین جزر و مد قبل از بررسی تعریف می شود [ 10 ] و در ساحل با یک خط (خط مرطوب/خشک)، مشخص می شود که ماسه خیس با رنگ تیره تر را از آن متمایز می کند. منطقه جزر و مد و ماسه های خشک تر با رنگ روشن تر واقع در ساحل فوق جزر و مد [ 2 ، 4 ، 7 ]. HWL توسط برخی از محققان نشان داده شده است که یک نماینده قابل اعتماد و پایدار برای ارزیابی تغییرات خط ساحلی است [ 2 ,4 ]. با این حال، دیگران HWL را به عنوان معیاری متغیر و غیرقابل اعتماد برای ثبت روندهای بلندمدت می بینند [ 7 ، 10 ، 11 ]. شاید دسترسی نسبی HWL و سهولت اندازه‌گیری در میدان، و دید از عکس‌برداری هوایی، دلایل اصلی استفاده گسترده از آن باشد [ 2 ]. HWL توسط خط ساحلی با میانگین آب بالا (MHW) جایگزین شده است، با این حال، حجم وسیعی از داده های تاریخی مبتنی بر HWL از ادامه استفاده از دومی در مطالعات خط ساحلی پشتیبانی می کند [ 8 ].

مشخص نیست که آیا تغییرات در خط ساحلی اقیانوس به طور دقیق منعکس کننده تغییرات در کل مجموعه ساحلی، مانند یک جزیره مانع است یا خیر. براک و همکاران (2004) [ 12 ] دریافتند که تغییر در مورفولوژی در یک بخش 10 کیلومتری از جزیره Assateague در مریلند و ویرجینیا به خوبی با تغییر در خط ساحلی اقیانوس پیش‌بینی نشده بود، اگرچه آنها یافته‌های خود را در پرتو کوتاه مدت 10 ماهه ارزیابی کردند. بازه زمانی داده های مطالعه نویسندگان در ادامه پیشنهاد کردند که یک متریک جدید، خط تعادل حجم، معیاری که جزیره را از ساحل به دو بخش با حجم مساوی تقسیم می‌کند، می‌تواند به عنوان مکمل خط ساحلی اقیانوس برای پیش‌بینی بهتر تغییرات جزیره‌ای کل سد مورد استفاده قرار گیرد.

استفاده جدیدتر از ارتفاع‌سنجی سنسور فعال ( یعنی رادار و LiDAR)، همراه با سیستم‌های ماهواره‌ای ناوبری جهانی، و ابزارهای تحلیلی، مانند سیستم‌های اطلاعات جغرافیایی (GIS)، توسط جامعه تحقیقاتی علوم زمین این امکان را فراهم کرده است که رویکردهای مبتنی بر حجم را به عنوان مکملی برای پراکسی موقعیت خط ساحلی اقیانوس ترکیب کنید ([ 12-21 ] ) . پلتفرم‌های حسگر فعال هوابرد و ماهواره‌ای امکان پوشش مناطق وسیع (چند کیلومتر مربعی) از خط ساحلی را به سرعت و با هزینه نسبتاً کم در مقایسه با رویکرد زمینی فراهم می‌کنند. علاوه بر این، مدل‌های رقومی ارتفاع (DEMs) تولید شده از این سیستم‌ها (به ویژه LiDAR) می‌توانند موقعیت‌های خط ساحلی MHW دقیق را بدست آورند [ 22] و مدل‌های سطح توپوگرافی تولید می‌کنند، که وضوح آن محققان را قادر می‌سازد تا جزئیات را در مناطق بزرگ در مقیاس‌های زیر متر مشاهده کنند [ 21 ، 23 ].

در این مقاله، ما از این فن‌آوری‌های جدید و مشتقات DEM با وضوح بالا برای معرفی مرکز جرم (CM) به‌عنوان مکملی برای اقدامات ارزیابی سنتی ساحلی، مانند موقعیت خط ساحلی اقیانوس و معیارهای حجم، استفاده می‌کنیم. در انجام این کار، اهداف ما دو دسته است. ابتدا، ما CM را به عنوان بسط مفهوم مشابه از مکانیک نیوتنی ابتدایی به ژئومورفولوژی توصیف می کنیم، و همچنین GIS را به عنوان یک محیط توانا و مناسب برای تولید، ردیابی و تجسم این مرکز جرم نشان می دهیم. دوم، ما مفهوم CM را در یک محیط GIS در تلاش برای اثبات این مفهوم، با استفاده از CM برای اندازه‌گیری و ردیابی حرکت کل در دو جزیره مانع متضاد، یکی در حالت تقریبا طبیعی و دیگری که دستخوش تغییرات انسانی شده است، اعمال خواهیم کرد. ، در یک بازه زمانی کوتاه

2. منطقه مطالعه

برای تحقق هدف دوم این تحقیق و برای نشان دادن قابلیت مفهوم تجزیه و تحلیل مرکز انبوه، دو سایت مطالعه جزیره مانع کوچک در امتداد کرانه های بیرونی کارولینای شمالی انتخاب شدند. بانک‌های بیرونی ( شکل 1 را ببینید ) زنجیره‌ای از تف‌های متجاوز و ویژگی‌های جزیره مانع هستند که تقریباً 250 کیلومتر از مرز ویرجینیا-کارولینای شمالی در جنوب تا Shackleford Banks [ 24 ] را شامل می‌شود.

اولین سایت جزیره ای انتخاب شده (به شکل های 1 و 2 مراجعه کنید ) یک بخش دو کیلومتری است که در انتهای جنوبی کرانه های بیرونی در کرانه های مرکزی قرار دارد. Core Banks 72 کیلومتر بین Cape Lookout و Ocracoke Inlet امتداد دارد. به دلیل عدم وجود مورفولوژی تحت تأثیر انسان برای این تحقیق انتخاب شد. جزیره حائل توسعه نیافته است، بدون جاده‌های آسفالت‌شده، تغییرات انسانی در مقیاس بزرگ و بدون سکونت دائمی انسان. Core Banks به عنوان یک سیستم جزیره مانع طبیعی در نظر گرفته می شود [ 25 ].

دومین سایت انتخاب شده یک بخش چهار کیلومتری است که در امتداد جزیره هاتراس در ساحل ملی کیپ هاتراس واقع شده است ( شکل های 1 و 2 را ببینید ). برخلاف همتای خود در Core Banks، این سایت، مانند بیشتر جزیره هاتراس، از نظر توپوگرافی با نصب یک سری تپه های شنی پیوسته، موازی ساحلی، رو به اقیانوس تغییر یافته است [ 26 ]. این تپه‌ها، ابتدا در دهه 1930 قرار گرفتند و در دهه 1950 اصلاح شدند [ 26 ]، نحوه واکنش جزیره به رویدادهای طوفان انرژی بالا را تغییر دادند، به طوری که جزیره هاتراس دیگر مانند قبل از قرار دادن تپه‌ها به این نیروها واکنش نشان نمی‌دهد. در این تحقیق، جزیره هاتراس نشان دهنده محیط تغییر یافته توسط انسان خواهد بود.

3. روش ها

پنج مجموعه داده (LiDAR) از مرکز خدمات ساحلی NOAA بارگیری شد، هر کدام برای سایت‌های مطالعاتی Core Banks و جزیره Hatteras در امتداد کرانه‌های بیرونی کارولینای شمالی. مجموعه‌ای برای مکان بانک مرکزی شامل داده‌های سال‌های 1997، 2001 و 2005 است. برای جزیره هاتراس، LiDAR در سال‌های 1996، 2001 و 2009 به دست آمد.

دو مجموعه داده LiDAR اضافی نیز برای هر دو سایت مطالعه به دست آمد. اولین مورد پس از سقوط طوفان آیرین در آگوست 2011 به دست آمد. آیرین در 27 اوت 2011 از ساحل کارولینای شمالی در نزدیکی کیپ واک اوت عبور کرد. پرواز پس از ایرن در 28 و 29 اوت انجام شد. دومین ماموریت پس از طوفان از سال 2012 در ارتباط با طوفان سندی، که در اواخر اکتبر 2012 بر بانک های بیرونی تأثیر گذاشت، نیز شامل شد. هر دو مجموعه پس از طوفان در اینجا گنجانده شده‌اند تا بینش‌های محدودی درباره نحوه واکنش سیستم‌های جزیره به یک رویداد طوفانی با انرژی بالا و همچنین برای آزمایش پاسخ متریک مرکز جرم جزیره به چنین رویدادهایی ارائه دهند.

هر مجموعه داده LiDAR با استفاده از GIS منبع باز GRASS (منابع جغرافیایی و سیستم پشتیبانی تجزیه و تحلیل) در یک مدل ارتفاعی دیجیتال (DEM) درون یابی شد. اسپلاین منظم GRASS با درون یابی کششی با وضوح سلولی 1 متر استفاده شد.

حجم و مرکز جرم: مراکز جرم و حجم کل در مرحله بعدی برای هر سایت جزیره 2 کیلومتری محاسبه شد. حجم ها ( معادله (1) ) در GRASS GIS با ضرب z _ij محاسبه شد ، در اینجا ارتفاع سطح جزیره بالاتر از میانگین آب زیاد (MHW)، که به هر سلول شبکه در DEM محفظه با ناحیه سلول شبکه اختصاص داده شده است، a .

واحدهای حجم بر حسب متر مکعب می باشد.

مرکز جرم تعریف شده: مرکز جرم در فضای سه بعدی ( شکل 3 ) را می توان به صورت زیر بیان کرد:

جایی که r _i بردار موقعیت ذره جرمی است، m _i جرم ذره و M جرم کل سیستم است. 

جرم ذرات را می توان به عنوان حاصل ضرب چگالی ذرات و حجم آن نشان داد. بنابراین، یک شکل معادل:

که ρ چگالی ذرات، v حجم ذرات و V حجم کل محفظه است. بنابراین بردارهای مؤلفه آن عبارتند از:

با استفاده از این معادلات در یک محیط GIS، می‌توانیم مرکز جرم را از یک جزیره مانع یا حجم ساحل، یا هر جرم غیر صفر دیگری در یک قاب زمین مرجع محاسبه کنیم. برای انجام این کار، حالت گسسته معادلات پیوسته (5) و ( 6a – 6c ) را در نظر می گیریم:

با بردارهای مؤلفه:

این امکان ادغام یا جمع توده‌های گسسته را در یک سطح شطرنجی با استفاده از GIS فراهم می‌کند، جایی که آن جرم‌ها به عنوان حاصلضرب حجم سلول و چگالی مرتبط با آن ( ρ * V) نشان داده می‌شوند.

زیرنویس، ⊞، نشان می دهد که فاکتور یک سطح شطرنجی است.

سطح چگالی ( ρ⊞ ₎ به طور ایده آل منعکس کننده تغییرات در سطح واقعی و تراکم زیرسطحی برای منطقه مورد مطالعه است. با این حال، در اینجا، میدان ساده و همگن 2650 کیلوگرم بر متر مکعب (جزیره ای ساخته شده از ماسه کوارتز خالص) را فرض می ^کنیم . ما بردارهای موقعیت (r) را به عنوان سطوح شطرنجی نشان می‌دهیم که در آن سلول‌های شطرنجی هر کدام به ترتیب دارای موقعیت‌های x و y برای مرکز هندسی سلول هستند. محاسبات برای اجزای CMs ( CM _x ، CM _y ، و CM _z ) سپس به صورت زیر ادامه می‌یابد:

CM _x ، CM _y و CM _z اسکالرهای مؤلفه ای هستند که موقعیت CM را در فضای سه بعدی نشان می دهند. فضای مختصات بر اساس جهت گیری سیستم مختصات برای سطوح موقعیت، r _x و r _y است.

محاسبات مرکز جرم بر اساس رابطه (2) است و برای تجزیه و تحلیل در GRASS با استفاده از معادلات (8) – (10) محاسبه می شود. استخراج اجزای مرکز جرم ( CM x، CMy و CM _z ) نیز _در GRASS _با درمان هر عامل در فرمول مرکز جرم به عنوان یک سطح شطرنجی پیوسته انجام شد. اطلاعات بیشتر در مورد پیاده سازی از نویسندگان در دسترس است.

موقعیت مرکز جرم برای فضای سه بعدی محاسبه شده و با استفاده از نمودارهای جابجایی به صورت گرافیکی در سه بعدی نمایش داده می شود. نمودارهای جابجایی معرفی شده در بخش نتایج این مقاله مسیر CM را در طول زمان در محفظه منطقه مورد مطالعه نشان می دهد. مراکز جرم در نمودارها با حروف دایره ای شکل نشان داده می شوند که اندازه (قطر) آنها متناسب با حجم کل محفظه محاسبه شده است. تناسب به گونه ای مقیاس بندی می شود که تفاوت های کوچک در حجم را می توان به صورت بصری مشخص کرد. موقعیت علامت نشان دهنده موقعیت مرکز جرم است. سطح طرح ریزی پایه برای نمودار جابجایی، نمایانگر تپه سایه برای محفظه است.

جابجایی در نمودارها با استفاده از بردارهایی نشان داده می شود که بزرگی و جهت تغییر در (xy) موقعیت مرکز جرم را در طول زمان نشان می دهد. بزرگی بردار (فاصله جابجایی کل بین مراکز جرم) نیز به صورت عددی در نمودار مجاور رد بردار نمایش داده می شود. در نهایت، تغییرات در موقعیت عمودی (ارتفاع) مرکز جرم به صورت عددی روی نمودارها نشان داده شده است.

پیشنهاد شده است که مرکز جرم همانطور که در بالا توضیح داده شد می تواند برای تعیین تغییرات جرم رسوب (تغییر حجمی) در طول زمان استفاده شود. از این، می‌توان اثرات خالص کوتاه‌مدت و طولانی‌مدت مرتبط با توزیع مجدد رسوب، و انتقال رسوب فله، در سراسر و در طول یک جزیره را استنباط کرد. علاوه بر این، پیشنهاد شده است که تغییر در موقعیت مرکز جرم نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد، به ویژه در هماهنگی با سایر شواهد، برای استنباط تغییرات در موقعیت برای کل جزیره. این است که به صورت کمی، فاصله مهاجرت جزیره، و مسیر، در طول زمان در پاسخ به دوره‌های افزایش فعالیت طوفان، و همچنین در برابر افزایش سطح محلی و استاتیکی سطح دریا اندازه‌گیری می‌شود.

خطای داده: بررسی وضوح عمودی در DEM های مشتق شده از LiDAR یک تغییر سیستماتیک تقریبی را در داده های جزیره هاتراس برای هر دو سال 2001 و 2011 نشان داد. برای هر دو Core Banks و Hatteras Island و 0.441 متر بیش از حد برآورد در سال 2011 در جزیره Hatteras. در نتیجه، 0.2 متر به هر دو DEM 2001 اضافه شد و 0.441 متر از DEM سال 2011 برای هاتراس کم شد تا مدل های نهایی تولید شود. مدل‌های سال‌های 1996، 2009 و 2012 در جزیره هاتراس و سال‌های 1997، 2005 و 2012 برای بانک‌های مرکزی بدون تعدیل در تحلیل مورد استفاده قرار گرفتند. هیچ تحلیل خطای اضافی روی DEM های حاصل انجام نشد.

داده های LiDAR مورد استفاده برای تولید DEM ها در این تحقیق حاوی خطاهای اضافی است که به دلیل موقعیت یابی هواپیما، اثرات جوی، عدم دقت ابزار سنسور و سایر منابع مرتبط با پردازش ضبط و پس از ضبط انباشته می شوند. خطای افقی برای بازده LiDAR مورد استفاده در این مطالعه تقریباً یک تا 2 متر است. خطای عمودی تقریباً 15 سانتی متر است [ 23 ].

Change Surfaces: یک سطح تغییر در GRASS GIS با استفاده از دستور r.series با گزینه slope ایجاد می شود. سری r. با شیب از مقادیر سلولی متناظر در هر سطح شطرنجی ورودی گنجانده شده استفاده می کند و یک مدل خطی (خط رگرسیون) را با مقادیر مطابقت می دهد. سپس شیب خط به دست آمده به سلول مربوطه شطرنج خروجی اختصاص داده می شود. این برای تمام سلول های موجود در رسترهای ورودی تکرار می شود.

تفسیر این شیب در این مطالعه میزان تغییر در ارتفاع سطح سلول در طول زمان است. اگر شیب مثبت باشد، ارتفاع در حال افزایش است که نشان دهنده برافزایش است. اگر شیب منفی باشد، ارتفاع سطح سلول در حال کاهش است و بنابراین، فرسایش خالص رخ می دهد. در امتداد Core Banks، DEM های ورودی سری r شامل سال های 1997، 2001 و 2005 است. برای جزیره هاتراس، DEM ها سال های 1996، 1999، 2001، 2008 و 2009 را نشان می دهند.

سطوح تفاوت: سطح تفاوت با کم کردن یک لایه شطرنجی از لایه دیگر ایجاد می شود. این سطوح برای ارزیابی برخی اثرات احتمالی مرتبط با طوفان ایرنه ایجاد شده اند. با این حال، فاصله زمانی نسبتاً طولانی بین سطح قبل (برای Core Banks، 2005؛ برای Hatteras Island، 2009) و بررسی پس از طوفان در سال 2011، ارزیابی کمی از تغییرات مشاهده شده ناشی از طوفان در مقابل تغییرات مرتبط با طوفان را دشوار می کند. تکامل دوره طولانی تری که داده های ورودی را در بر می گیرد. با این حال، می توان برخی اطلاعات کیفی مفید را به دست آورد که ممکن است تغییرات مرتبط با طوفان را روشن کند.

4. نتایج

در امتداد موقعیت های مرکز انبوه سایت بانک مرکزی (CMs) که از سال 1997 تا 2012 نقشه برداری شده است، همانطور که در شکل 4 مشاهده می شود.، یک رانش کلی در امتداد ساحل به سمت جنوب و غرب را نشان می دهد. بین سال‌های 1997 و 2001، CM 97 متر به سمت جنوب غربی حرکت کرد. در فاصله زمانی بعدی بین سال‌های 2001 و 2005، 38 متر اضافی به سمت جنوب غربی جابه‌جا شد. یک وقفه در روند جنوب غربی بین سال‌های 2005 و 2011 (پس از ایرن)، زمانی که CM تقریباً 50 متر (48.3 متر) به شمال شرق جابه‌جا شد، رخ داد. در سال بعد، 2012، روند اولیه جنوب غربی از سر گرفته شد و تمام جابجایی 48 متری رتروگراد ثبت شده برای دوره قبل را بازیابی کرد. با این حال، موقعیت بین ساحلی برای سال 2012 نسبت به موقعیت 2011 کمی بیشتر به سمت غرب تغییر کرده است. تغییرات عمودی در CM تنوع بسیار کمتری نسبت به اجزای افقی نشان می دهد. درونی در شکل 4تغییرات CMz را در طول دوره مطالعاتی 1997 تا 2012 برای بانک های مرکزی نشان می دهد. رانش عمودی برای دوره 15 ساله کمتر از 25 سانتی متر است. این محدوده را با توجه به عدم قطعیت عمودی ± 15 سانتی متری مرتبط با داده های منبع LiDAR در نظر بگیرید، که محدوده آن توسط نوار خاکستری در سراسر نمودار پراکندگی شکل 4 نشان داده شده است.

مجموع حجم مواد زیر هوایی (شن و ماسه) ( شکل 4 ورودی) از حداکثر 1,272,562 متر مکعب در سال 2001 تا حداقل 776,658 متر مکعب در سال 2011 متغیر بود. حجم کل در سال 2011 حدود 61 درصد به زیر مقادیر حداکثر 2001 کاهش یافت.

شکل 5 (گرافیک جزیره پایین) توزیع و شدت تغییرات توپوگرافی (فرسایش/برافزایش) را نشان می‌دهد که در سراسر سایت Core Banks برای سال‌های 1997، 2001 و 2005 مشاهده می‌شود. فرسایش جزئی (به رنگ زرد) در بسیاری از ساحل اقیانوس دیده می‌شود. در نزدیکی ورودی درام جدید در جنوب شرقی و در امتداد خط ساحلی Core Banks (مرداب)، جزیره در همان دوره زمانی در حال افزایش بود. تپه های شنی به سمت خشکی ساحل، تجمع ملایمی (سایه های سبز روشن) را نشان می دهند. چندین فن overwash نیز به سمت یک سوم جنوب غربی جزیره مشاهده می شود.

سطح تفاوت دوم نیز در شکل 5 (گرافیک جزیره بالایی) گنجانده شده است. این سطح تغییرات توپوگرافی Core Banks را از سال 2005 تا 2011 نشان می دهد. در اینجا، تغییرات بسیار بیشتر آشکار است. ساحل و بخش‌هایی از میدان تپه‌های جلویی (قرمز تیره) رسوب قابل‌توجهی (ماسه) را از دست دادند، در حالی که بخش‌هایی از داخل و در امتداد خط ساحلی Core Sound فرسایش متوسط ​​را نشان می‌دهند. تعداد بیشتری از فن‌ها و تراس‌های واشر روی سطح قابل‌توجه است، بخش‌های داخلی و در برخی مکان‌ها، مناطق پشت جزیره با شن و ماسه پوشانده شده‌اند. مقداری تلفات قابل توجه میدان تپه به سمت انتهای شمال شرقی بخش دیده می شود.

در سایت جزیره هاتراس، مراکز توده ای به مدت 16 سال، از سال 1996 تا 2012، ردیابی شدند. موقعیت های مراکز جمعی در شکل 6 نشان داده شده است. همانطور که در شکل مشاهده می شود، تغییرات CM، مانند تغییرات در Core Banks، تا حد زیادی به حرکت در کنار ساحل محدود می شود. با این حال، برخلاف تغییراتی که در امتداد Core Banks مشاهده می شود، جایی که یک روند قابل توجه جنوب غربی در موقعیت CM وجود دارد، به نظر می رسد سایت Hatteras چنین سوگیری قابل تشخیصی را ارائه نمی دهد. تک نوع CM آن است که نشان دهنده داده های جمع آوری شده برای سال 2011 است.

بین سال‌های 2009 و 2011، CM حدود 50 متر (48.7 متر) به سمت غرب، در سراسر ساحل و تقریباً 73 متر در کنار ساحل تغییر مکان داد. جابجایی حاصل 54 متر به سمت جنوب غربی بود. در بازه زمانی بعدی از 2011 تا 2012، CM بخش زیادی از 50 متری تغییر ساحلی و غربی را بازیابی کرد، اما همچنین به سمت شمال، در کنار ساحل، به موقعیتی نزدیک به موقعیت ثبت شده در 11 سال قبل، در سال 2001، بازگشت.

تغییرات عمودی در مراکز جرم ( CM _z ) برای دوره 1996 تا 2012 در نمودار درونی شکل 6 نشان داده شده است. همانطور که با داده های Core Banks که قبلاً مورد بحث قرار گرفت، موقعیت های Hatteras CM _z در زمینه عدم قطعیت ارتفاع (خطای عمودی ± 15 سانتی متر) مرتبط با داده منبع LiDAR ترسیم می شود. _{مقادیر z} Hatteras CM هم از نظر قدر مطلق بزرگتر هستند (همه بیش از 2.9 متر بالاتر از MHW) و هم تغییرات عمودی بیشتری (تقریباً 50 سانتی متر) نسبت به همتایان Core Banks خود نشان می دهند. قبل از سال 2001، CM _z کمتر از 3 متر بود. در فاصله زمانی بین 2001 و 2009، CM _zبیش از 40 سانتی متر به حدود 3.4 متر بالاتر از MHW افزایش یافته است. برای سال 2011، CM _z به نزدیک به سطوح قبل از 2009 کاهش یافت، قبل از اینکه برای بررسی سال 2012 بهبود یابد، جایی که CM _z به اوج خود برای دوره مطالعه 16 ساله رسید.

مجموع حجم های زیر هوایی در سایت هاتراس از 1,710,368 متر مکعب در سال 2012 تا حداکثر 2,513,478 متر مکعب در سال 1996 متغیر است. این تفاوت حدود 803,110 متر مکعب یا 68 درصد است. از قضا، حداقل حجم با بالاترین (2011) موقعیت CM _z همزمان است، در حالی که حداکثر حجم در سال 1996 مشاهده می شود، زمانی که CM _z در حد نادر خود بود. فقط موقعیت‌های CM _z 2009 و 2012 خارج از آستانه عدم قطعیت عمودی 15 سانتی‌متری مرتبط با داده‌های منبع LiDAR قرار دارند.

سطح تغییر توپوگرافی برای جزیره هاتراس در شکل 7 (سطح پایین در شکل) دیده می شود. برخلاف Core Banks ( شکل 5 )، به نظر می رسد تقسیم بندی مشخصی از مناطق فرسایش و برافزایش در سراسر ساحل در سایت Hatteras وجود دارد. فرسایش (زرد و قرمز) بر بیشتر سطح ساحل غالب است، در حالی که سیستم تپه های شنی مجاور در غرب، به ویژه در سراسر مرکز جزیره، تجمع ملایمی (سبز و آبی) را تجربه کرد. در پشت تپه های شنی و بزرگراه NC 12، تنها مقدار بسیار کمی از فرسایش در امتداد خط ساحلی Pamlico Sound وجود داشته است. بخش اعظم فضای داخلی در طول این دوره تغییر کمی داشته است.

سطح تفاوت بین سال های 2009 و 2011 برای سایت جزیره هاتراس در مدل بالایی که در شکل 7 مشاهده می شود نشان داده شده است . بیشتر سواحل اقیانوس، و به ویژه در انتهای جنوبی سایت مورد مطالعه (قرمز تیره و بنفش)، فرسایش بالایی (بیش از 2.5 متر در برخی مکان‌ها) را در طول این بازه زمانی تجربه کردند، در حالی که بالای سیستم تپه‌ها افزایش‌هایی را ثبت کردند (نشان داده شده در آبی). در پشت تپه های شنی، فن های واشر و تراس ها در امتداد جزیره به چشم می خورند. رسوب اضافی نیز در سراسر بزرگراه NC 12 در سمت راست مشاهده شده است.

5. بحث

از شکل 4 ، مشخص است که تغییر مرکز انبوه در سایت Core Banks، در طول مدت این مطالعه، عمدتاً در کنار ساحل است. چنین رفتاری با حمل و نقل خالص رسوبات ساحلی جنوب غربی گزارش شده برای جزیره [ 27 ، 28 ] و بادهای رایج شمال شرقی پاییز و زمستان سازگار است.

بزرگی تغییرات متقابل ساحلی در CMهای Core Banks به نسبت بزرگی کمتر از تغییرات ساحلی است. این رفتار حتی با DEM های ثبت شده پس از طوفان ایرنه در سال 2011 و طوفان سندی در سال 2012 نیز حفظ شد. همانطور که با سطح تفاوت برای بانک های مرکزی که در شکل 5 مشاهده می شود ، مشهود است، عقب نشینی ساحل و شستشوی بیش از حد در امتداد جزیره مانع در پس از ایرن قابل توجه بود. داده ها. با این حال، این سطح تفاوت نشان‌دهنده تغییری بین سال‌های 2005 و 2011 است. فاصله شش ساله بین رکوردهای پیش و پس از طوفان، شناخت دقیق تأثیر طوفان ایرنه به تنهایی بر CM را غیرممکن می‌کند.

یک سال بعد، در سال 2012، بسیاری از حرکت رو به عقب 2005-2011 CM در امتداد ساحل بازیابی شد. حجم کل زیر هوایی نیز به سطوح نزدیک به اوج سال 2001 بازگردانده شد ( شکل 4 ). با این حال، تغییر ساحلی نفی نشد، اما در عوض، بیشتر به سمت غرب تغییر کرد.

در طول این مطالعه هشت ساله، بر اساس تغییرات در موقعیت CM، مولفه کراس ساحل 15.2 متر غرب اندازه گیری شد. این نرخ سالانه تقریباً 1.9 متر در سال را به دست می‌دهد، که در تقریب با یافته‌های Moslow and Heron (1979) [ 29 ] و McNinch and Wells (1999) [ 27 ] موافق است، که در آن نرخ مهاجرت بانک‌های مرکزی بین تخمین زده می‌شود. یک و 3 متر در سال. بنابراین، منطقی به نظر می رسد که این احتمال وجود داشته باشد که رفتار برون ساحلی CM در Core Banks منعکس کننده روند کلی و بلندمدت مهاجرت تکاملی جزیره در طول زمان باشد.

CM در سایت Cape Hatteras نیز عمدتاً حرکت در کنار ساحل را به نمایش می گذارد. با این حال، جهت آن رانش سازگار نیست ( شکل 6 ). حمل و نقل در ساحل در امتداد جزیره هاتراس در شمال کیپ پوینت در جنوب است. با این حال، تنها در طول دوره بین سال‌های 2001 و 2009، شاهد حرکت CM مطابق با این حمل‌ونقل طولانی هستیم. در حالی که CM در طول شش سال بین سال 2005 و طوفان آیرین در سال 2011 به سمت شمال در Core Banks حرکت کرد، در Hatteras به سمت جنوب غربی حرکت کرد. اگر الگویی در سایت Hatteras وجود داشته باشد، تشخیص آن بسیار دشوارتر از آن چیزی است که برای Core Banks مشاهده شده است.

به طور مشابه، مجدداً مانند Core Banks، رانش متقابل ساحلی در CM کوچک است، با یک استثنا: بین سال‌های 2009 و 2011 اندازه‌گیری شد. تقریباً نیمی از فاصله بین سیستم تپه‌ها و خط ساحلی Pamlico Sound ( شکل 6 ). این جابجایی، همراه با ساختارهای واشر دیده شده در سطح تفاوت (مدل بالایی) در شکل 7در حالی که فاصله دو ساله بین بررسی‌های پیش از طوفان (2009) و پس از (2011) ایجاد این تغییر صرفاً با طوفان دشوار است. بی دلیل نیست که شکست جزئی (نقض) سیستم تپه های محافظ، همراه با سیلاب گسترده سمت صوت، که در DEM 2011 مشاهده شد، به گذر طوفان گره بخورد.

تپه های شنی که در امتداد جزیره هاتراس قرار دارند و بیشتر سواحل ملی کیپ هاتراس، مانعی عمدتاً غیرقابل نفوذ بین ساحل اقیانوس و بقیه جزیره هستند. فقط در طول رویدادهای طوفان انرژی بالا، این ویژگی‌های گاهی اوقات 8 متر شکسته می‌شوند و ماسه‌های شسته‌شده به پشت جزیره منتقل می‌شوند [ 30 ]. علاوه بر این، هنگامی که شستشوی بیش از حد اتفاق می افتد، وزارت حمل و نقل کارولینای شمالی به سرعت بسیاری از این مواد را به سیستم تپه های شنی تازه بازسازی شده برمی گرداند. بنابراین، در بیشتر شرایط، انرژی موج، و مناطق فرسایش/برافزایش فعال همزمان، به ساحل و در امتداد دیواره تپه‌های جلویی رو به دریا محدود می‌شوند. فقدان رسوب گذاری متقابل باعث باریک شدن بیش از حد این بخش از جزیره هاتراس شده است [ 30 ]]).

تقسیم بندی کمتر در امتداد کرانه های هسته امکان توزیع مجدد رسوب در کل جزیره را فراهم می کند. این در سطح تغییر شکل 5 دیده می شود . بر اساس توزیع ساختارهای واشر، منطقه فعال در مناطق خاص در سراسر جزیره گسترش می یابد. Washover یک پدیده رایج در طول Core Banks است (ریگز و ایمز، 2006). در طول طوفان جینجر در سال 1971 [ 31 ] و همچنین برای طوفان بانی در سال 1998 [ 15 ] و بعدها، طوفان ایزابل در سال 2003، شست و شوی چشمگیر بین جزیره ای در امتداد Core Banks ثبت شد ( شکل 8 را ببینید ).

جالب توجه است که مولفه عمودی مراکز جرم در هر دو سایت مطالعه جابجایی خالص محدودی را نشان می‌دهد. در Core Banks، CM _z بین سال‌های 1997 و 2005 تنها 18 سانتی‌متر تغییر کرد ( شکل 4 ). CM _z از 1.47 متر بین سال‌های 2005 تا 2011 به 1.43 متر کاهش یافت که تنها 3 سانتی‌متر افت داشت . این جابجایی بسیار کمتر از بزرگی خطا ( ± 0.15 متر) مرتبط با مولفه عمودی داده منبع است. پاسخ مشابهی در سایت Hatteras دیده می شود ( شکل 6، اگرچه دامنه ها بزرگتر هستند (تقریباً 49 سانتی متر، در مجموع، بین سال های 1996 و 2012). نگهداری مداوم و بازسازی دوره‌ای سیستم تپه‌های محافظ در Hatteras می‌تواند برخی از رفتارهایی را که در اینجا مشاهده می‌شود توضیح دهد. با این حال، این مورد در مورد بانک های اصلی بدون تغییر نیست. بنابراین، ممکن است نتیجه بگیریم که CM _z به اندازه کافی حساس نیست تا اطلاعات معناداری در مورد تکامل جزیره ارائه دهد. برای تعیین حساسیت و اهمیت واقعی CM _z ، آزمایشات بیشتری لازم است .

6. نتیجه گیری

این مطالعه دو هدف داشت. اولین مورد، گسترش ایده ای از مکانیک نیوتنی کلاسیک، مرکز جرم (CM)، به قلمرو ژئومورفولوژی از طریق GIS به عنوان ابزاری جدید برای توصیف کمی تغییرات در مقیاس بزرگ در یک چشم انداز بود. دوم این بود که CM را در یک مطالعه اثبات ابتدایی مفهوم برای اطمینان از سودمندی بالقوه آن در اندازه‌گیری چنین تغییری به کار برد. دو سایت انتخاب شده برای مطالعه، Core Banks و Hatteras Island، که هر دو در امتداد کرانه‌های بیرونی کارولینای شمالی واقع شده‌اند، مکان‌های مهمی را برای اثبات این مفهوم ارائه می‌کنند، زیرا هم داده‌های موجود و هم تحقیقات پشتیبان زیادی وجود دارد که ما در اختیار داریم. در این کار ساخته شود. علاوه بر این، هر دو مکان از جزایر حائل تثبیت نشده، در امتداد سواحل اقیانوسی پر انرژی تشکیل شده‌اند.

در امتداد بانک مرکزی، جابجایی CM اساساً در امتداد ساحل بود، در راستای حمل و نقل غالب ساحلی جنوب غربی. یک جابجایی متقابل فرعی نیز شناسایی شد. به نظر می رسد که حرکات در امتداد هر دو محور کنار ساحل و فراساحل با برآوردهای تحقیقات قبلی [ 27 ، 29 ] و همانطور که توسط ریگز و ایمز (2006) [ 32 ] گزارش شده، مطابقت دارد. حدس زده می‌شود که مولفه متقاطع حرکت در امتداد کرانه‌ها نشان‌دهنده مهاجرت طولانی‌مدت جزیره در پاسخ به افزایش سطح آب محلی و استاتیکی است.

در کیپ هاتراس، جابجایی CM نامنظم بود، با روند کم یا بدون روند، همانطور که در امتداد Core Banks پیشنهاد شد. این امر تا حد زیادی به وجود تپه های شنی محافظ نسبت داده شد، که از شستشوی بیش از حد جزیره و مهاجرت بعدی جلوگیری می کند [ 30 ]. تنها در عواقب فوری طوفان آیرین، زمانی که سیستم تپه‌های شنی تا حدی در معرض خطر قرار گرفت و رسوبات سیل‌آلود پشت جزیره را فراگرفت، CM به طور قابل توجهی در سراسر ساحل حرکت کرد. این تغییر به سرعت پس از عبور طوفان آیرین توسط ایالت کارولینای شمالی برای بازسازی تپه های شنی شکسته به حالت قبل از طوفان اصلاح شد. چنین تلاش‌هایی برای بازیابی در بررسی‌های بعدی در سال 2012 و مکان‌یابی مجدد CM منعکس شده است.

تعدیل این یافته ها این واقعیت است که این مطالعه کمتر از دو دهه تغییر جزیره را به خود اختصاص داده است (15 سال در امتداد Core Banks، 16 سال برای سایت Cape Hatteras). اگرچه یک دهه تغییر ممکن است شواهدی را برای هر گونه روند در تغییر خط ساحلی نشان دهد [ 33 ]، مشخص نیست که آیا چنین بازه زمانی کوتاهی کافی است تا به ما اجازه دهد هر گونه نتیجه گیری قطعی در مورد حرکات هر سیستم جزیره یا CMs پیشنهادی بگیریم. توانایی تشخیص و اندازه گیری آن

علاوه بر این، در حالی که هر دو مکان انتخاب شده برای این تحقیق برای نشان دادن مفهوم CM همانطور که در اینجا ارائه شده است کافی در نظر گرفته می‌شوند، هر کدام از نظر جغرافیایی کوچک هستند و برای موقعیت‌های خود، احتمالاً نماینده خصوصیات ژئومورفیک کلی جزایر میزبان مربوطه خود نیستند. به عنوان مثال، سایت Core Banks در نزدیکی New Drum Inlet قرار دارد که احتمالاً تأثیر آن در نتایج ارائه شده در اینجا منعکس شده است. به طور مشابه، سایت جزیره هاتراس یک نقطه داغ فرسایشی است که رفتار آن لزوماً نشان دهنده جزیره هاتراس به عنوان یک کل نیست.

هشدار سومی که لازم به ذکر است این واقعیت است که محاسبات CM ارائه شده در اینجا، به دلیل فقدان داده های عمق سنجی، تنها به جزء زیر هوایی سیستم جزیره مانع می پردازد. با این حال، بخش قابل توجهی از این جزایر در زیر خط آب، هم در نزدیکی ساحل و هم در خور مجاور وجود دارد. فعل و انفعالات و مبادلات انبوهی که بین این استان‌های زیرآبی و زیرآبی رخ می‌دهد، قابل توجه، مداوم و در نتیجه برای درک و توضیح کامل تکامل جزیره، چه با استفاده از CM یا هر معیار دیگر، مهم هستند.

تحقیقات بیشتر، با استفاده از داده‌های جمع‌آوری‌شده در دوره‌های طولانی‌تر و گستره‌های جغرافیایی بیشتر، همراه با عمق‌سنجی در صورت امکان، فراتر از این اثبات مفهوم برای استخراج و تفسیر مسیرهای CM، و همچنین برای ارزیابی حساسیت و قابلیت اطمینان واقعی متریک به‌عنوان بازتاب‌کننده مورد نیاز است. تغییرات ژئومورفیک عمده فروشی با این حال، در حالی که هنوز کار بسیار بیشتری برای نشان دادن کارایی CM ها باید انجام شود، مدل توسعه یافته و نتایج به دست آمده تا کنون، پایه خوبی برای شروع مطالعه بیشتر به نظر می رسد.