Ανάλυση Ταξινόμησης Καλύψεως Γης Και Αλλαγής Των Δίδυμων Πόλεων (Μινεσότα) Με Τηλεπισκόπηση Πολυφασματικών Εικόνων Landsat TΜ
Από RemoteSensing Wiki
Συγγραφείς
Fei Yuan 1, Kali E. Sawaya, Brian C. Loeffelholz, Marvin E. Bauer
Remote Sensing and Geospatial Analysis Laboratory, University of Minnesota
Πηγή
Land cover classification and change analysis of the Twin Cities (Minnesota) Metropolitan Area by multitemporal Landsat remote sensing
Εισαγωγή
Η αστική ανάπτυξη, ιδίως η εμπορική χρήση της γης σε αγροτικές περιοχές στην περιφέρεια μητροπολιτικών περιοχών, έχει θεωρηθεί από καιρό ένα σημάδι της περιφερειακής οικονομικής ζωτικότητας. Όμως, τα οφέλη του είναι όλο και περισσότερο ισορροπημένα έναντι των επιπτώσεων στα οικοσυστήματα, συμπεριλαμβανομένης της υποβάθμισης της ποιότητας του αέρα και του νερού και την απώλεια των γεωργικών εκτάσεων και των δασών, καθώς και κοινωνικοοικονομικές επιπτώσεις των οικονομικών ανισοτήτων αλλά και το κοινωνικό κατακερματισμό και το κόστος υποδομής.
Οι αλλαγές στις καλύψεις γης με τα χρόνια και οι επιπτώσεις τους απαιτούν προσεκτική εξέταση από τις τοπικές και περιφερειακές αρχές για τη χάραξη πολιτικής, προκειμένου να κάνουν συνειδητές αποφάσεις που εξισορροπούν αποτελεσματικά τις θετικές πτυχές της ανάπτυξης και τις αρνητικές επιπτώσεις της, προκειμένου να διατηρηθούν οι περιβαλλοντικοί πόροι και η αύξηση της κοινωνικοοικονομικής ευημερίας.
Σύγχρονες έρευνες έχουν δείξει ότι η δορυφορική τηλεπισκόπηση έχει τη δυνατότητα να παρέχει έγκυρες γεωχωρικές πληροφορίες που περιγράφουν τις αλλαγές στην κάλυψη και τη χρήση γης των μητροπολιτικών περιοχών. Αν και η χρήση γης μπορεί να παρακολουθείται και από τις παραδοσιακές απογραφές και έρευνες, η δορυφορική τηλεπισκόπηση παρέχει μεγαλύτερες ποσότητες πληροφοριών σχετικά με τη γεωγραφική κατανομή της χρήσης γης και τις αλλαγές, μαζί με τα πλεονεκτήματα του κόστους και της εξοικονόμησης χρόνου για τις μεγάλες περιφερειακές ζώνες. Η τηλεπισκόπηση προσφέρει ένα αποτελεσματικό μέσο για την απόκτηση πληροφοριών σχετικά με χρόνιες τάσεις και της χωρικής κατανομής των αστικών περιοχών που απαιτούνται για την κατανόηση, τη μοντελοποίηση και την προβολή της μεταβολής της γης.
Περιοχή Μελέτης - Μεθοδολογία
Η περιοχή μελέτης είναι οι μητροπολιτική περιοχή της Μινεσότα με συνολική έκταση περίπου 7700m2. Είναι μια περιοχή που υπόκειται σε 7 διαφορετικές πολιτείες Περιλαμβάνει διάφορες καλύψεις και χρήσεις γης όπως λίμνες, πόλεις, αστικές και γεωργικές χρήσεις, ποτάμια και άλλα.
Για την ταξινόμηση της περιοχής μελέτης επιλέχθηκαν 4 εικόνες του δορυφόρου Landsat διαφορετικών χρονολογιών για να μπορεί να γίνει ανάλυση της κατάστασης και των αλλαγών. Οι εικόνες αυτές αναλύθηκαν μέσω φωτοερμηνείας για να καθοριστούν οι χρήσεις γης ανάλογα με τις εποχές.
Αναπτύχθηκαν τα δεδομένα αναφοράς για καθένα από τα τέσσερα χρόνια και στη συνέχεια χωρίστηκαν για την αξιολόγηση της ακρίβειας της ταξινόμησης. Λόγω του αναδρομικού χαρακτήρα της μελέτης, ήταν απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί μια ποικιλία μεθόδων για την ανάπτυξη των δεδομένων αναφοράς. Έτσι χρησιμοποιήθηκαν αεροφωτογραφίας μεγάλης κλίμακας αλλά χρησιμοποιήθηκαν και δεδομένα παλαιότερων μελετών.
Η ταξινόμηση της περιοχής βασίστηκε στην κάλυψη γης και χρήσεις γης για την ερμηνεία των δορυφορικών εικόνων. Χρησιμοποιήθηκε μια υβριδική επιβλεπόμενη – μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση όπου οι θεματικές κατηγορίες χωρίστηκαν σε υποκατηγορίες για την εκπαίδευση του συστήματος με ταξινόμηση με τη μέθοδο μεγίστης πιθανοφάνειας. Ελέγχθηκαν τα ιστογράμματα της κάθε τάξης και οι πολύ μικρές τάξεις που δεν ήταν επαρκών διαχωρισμένες μεταξύ τους αφαιρέθηκαν από το σύστημα.
Εφαρμόστηκε και μετά – επεξεργασία της ταξινόμησης για την αποφυγή σφαλμάτων που οφείλονται σε ομοιότητες των φασματικών υπογραφών των τάξεων. Για το λόγο αυτό εφαρμόστηκαν μάσκες σε κάποιες κατηγορίες έτσι ώστε να υπάρχει σαφής διαχωρισμός αυτών αλλά και πολλές κατηγορίες ορίστηκαν χειροκίνητα χρησιμοποιώντας τις αεροφωτογραφίες.
Για την αξιολόγηση της ακρίβειας των αποτελεσμάτων επιλέχθηκαν δείγματα από την εικόνα και δημιουργήθηκαν πίνακες σφαλμάτων ταξινόμησης. Οι πίνακες αυτοί συγκρίνουν τη σχέση μεταξύ γνωστών επίγειων δεδομένων αναφοράς (αληθινών δεδομένων) και των αντίστοιχων αποτελεσμάτων μίας αυτόματης διαδικασίας ταξινόμησης, κατηγορία προς κατηγορία. Επίσης για καλύτερη αξιολόγηση τα αποτελέσματα της ταξινόμησης από τις εικόνες Landsat συγκρίθηκαν και με τα αντίστοιχα αποτελέσματα της Υπηρεσίας Φυσικών Πόρων και Αποθεμάτων όπου για να συγκριθούν τα αποτελέσματα έπρεπε να ομαδοποιηθούν κάποιες κατηγορίες έτσι ώστε να υπάρχει ταύτιση των δύο.
Μετά τη διαδικασία της ταξινόμησης χρησιμοποιήθηκε ένας αλγόριθμος για τον εντοπισμό των αλλαγών μεταξύ των διαφορετικών χρονολογιών εικόνων Landsat. Η προσέγγιση μετά την ταξινόμηση παρέχει από-έως πληροφορίες για τις αλλαγές και το είδος των μετασχηματισμών του τοπίου που έχουν συμβεί και μπορούν εύκολα να υπολογιστούν και να χαρτογραφηθούν.
Η ανίχνευση αλλαγής παρουσιάζει μοναδικά προβλήματα για την αξιολόγηση της ακρίβειας, δεδομένου ότι είναι δύσκολο να εντοπιστούν περιοχές που θα αλλάξουν στο μέλλον, πριν από την αλλαγή. Η ανάλυση της αλλαγής είναι ότι δημιουργούνται σφάλματα τόσο στη θέση όσο και στα χαρακτηριστικά λόγω των πολλαπλών χρονολογιών. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα όταν είναι περισσότερες από δύο ημερομηνίες που χρησιμοποιούνται στην ανάλυση. Η απλούστερη μέθοδος αξιολόγησης της ακρίβειας των χαρτών αλλαγής είναι να πολλαπλασιάζονται οι επιμέρους ακρίβειες του χάρτη ταξινόμησης για την εκτίμηση της αναμενόμενης ακρίβειας του χάρτη αλλαγής.
Αποτελέσματα
Οι τελικές ακρίβειες που επιτεύχθηκαν ήταν 95.5%, 94.6%, 92.6% και 93.2%. Σε σύγκριση με προκαταρτικές μελέτες η ακρίβεια αυξήθηκε κατά 6% με τη χρήση της επιβλεπόμενης ταξινόμησης και η μετά - επεξεργασία των αποτελεσμάτων αύξησε την ακρίβεια κατά ακόμη 4-5%.
Όπως φαίνεται από τις ταξινομήσεις από το 1986 έως το 2002 η αστική περιοχή αυξήθηκε κατά 9.1% ενώ οι αγροτικές εκτάσεις μειώθηκαν κατά 7.1% και οι δασικές κατά 1.1%. Έτσι δημιουργήθηκαν διάφοροι πίνακες οι οποίοι απεικόνιζαν τις μεταβολές στις θεματικές κατηγορίες στις διάφορες χρονολογίες καθώς και τα ποσοστά αύξησης και μείωσης των κατηγοριών αυτών.
Εξετάστηκε επίσης η σχέση μεταξύ αύξησης του πληθυσμού και της ανάπτυξης στην αστική περιοχή, όπως καθορίζεται από τις αλλαγές που προέρχονται από τις εικόνες του Landsat. Η ανάπτυξη προτύπων της μητροπολιτικής περιοχής αντανακλούν την κατανομή του πληθυσμού και νοικοκυριών λόγω της αυξημένης αστικής χρήσης γης η οποία αναλαμβάνει το ήμισυ των εκτάσεων. Η μέση ετήσια αύξηση της αστικής περιοχής που καθορίζεται από τον Landsat ανίχνευση των αλλαγών ήταν 1,9%, 1986 - 1991, 2,7% από 1991 - 1998, 1,6% από το 1998 έως το 2002, και 2,4% για το σύνολο της περίοδου, 1986 έως 2002. Αυτό συγκρίνεται με ένα ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης πληθυσμού της τάξης του 1,5%, 1986 - 2002.
Μετά την αρχική ταξινόμηση περισσότερες πληροφορίες μπορούν να αναπτυχθούν. Για παράδειγμα, από τις ταξινομήσεις μπορούν να εξαχθούν μετρητικές πληροφορίες για τη διερεύνηση αλλαγών στην ποικιλία και στην αποσπασματικότητα του ανάγλυφου. Επίσης μπορεί να γίνει χαρτογράφηση της αδιαπέραστης επιφάνειας, ένας εναλλακτικός τρόπος παρακολούθησης της αστικής ανάπτυξης, με χρήση αστικών μασκών που παράγονται από το χάρτη καλύψεων γης. Επιπλέον, οι ταξινομήσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εισροές σε ένα περιβαλλοντικό σχέδιο ανάλυσης των επιπτώσεων από την Υπηρεσία Προστασίας Περιβάλλοντος και για μοντέλο μετασχηματισμού σε προβολές για τις μελλοντικές αλλαγές στις χρήσεις γης.
Συμπεράσματα
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι Landsat ταξινομήσεις μπορούν να χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ακριβείς χάρτες αλλαγή του τοπίου και στατιστικές. Γενικά τα θέματα που εξετάσθηκαν στις Δίδυμες πόλεις της Μητροπολιτικής Περιοχής ήταν: (1) ταξινόμηση της έκτασης της μητροπολιτικής περιοχή που έχει μετατραπεί από γεωργικές, δασικές εκτάσεις και υγροτόπους σε αστική χρήση κατά τη διάρκεια τριών περιόδων 1986 – 2002, (2) σύγκριση των αποτελεσμάτων των συστημάτων ανίχνευσης Landsat και στατιστικών στοιχείων με τις εκτιμήσεις που προέρχονται από άλλα δεδομένα, (3) ποσοτική αξιολόγηση της ακρίβειας των χαρτών εντοπισμού μεταβολών και (4) ανάλυση των μεγάλων αστικών πρότυπων της αλλαγής χρήσης γης σε σχέση με την αύξηση του πληθυσμού. Τα στατιστικά στοιχεία ποσοτικοποιούν το μέγεθος της αλλαγής, και μπορούν εύκολα να εξαχθούν από τις ταξινομήσεις. Τα αποτελέσματα της ποσοτικοποίησης της αλλαγής στην κάλυψη γης στην μητροπολιτική περιοχή καταδεικνύουν τις δυνατότητες των πολυφασματικών δεδομένων Landsat να παρέχουν μια σωστή και οικονομική χαρτογράφηση και ανάλυση των αλλαγών στην κάλυψη γης με την πάροδο του χρόνου που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εισροές στη διαχείριση της γης και αποφάσεις πολιτικής.
