Ανάλυση χρονοσειρών της επιφάνειας του αδιαπέρατου στρώματος που προκαλείται λόγω της αστικοποίησης
Από RemoteSensing Wiki
Αντικείμενο Εφαρμογής: Ανάλυση χρονοσειρών της επιφάνειας του αδιαπέρατου στρώματος που προκαλείται λόγω της αστικοποίησης στη λεκάνη απορροής της λίμνης Dianchi την περίοδο 1988-2017
Πρωτότυπος Τίτλος: 'A time-series analysis of urbanization-induced impervious surface area extent in the Dianchi Lake watershed from 1988–2017'
Συγγραφείς: Kun Yang(1),(2), Meie Pan(1),(2),(3), Yi Luo(1),(2),(3), Kexin Chen(1), Yisong Zhao(3) and Xiaolu Zhou(4)
(1) School of Information Science and Technology, Yunnan Normal University, Yunnan, Kunming, China (2) GIS Technology Research Center of Resource and Environment in Western China, Ministry of Education, Yunnan Normal University, Yunnan, Kunming, China (3) School of Tourism and Geographical Science, Yunnan Normal University, Yunnan, Kunming, China (4) Department of Geology and Geography, Georgia Southern University, Statesboro, GA, USA
Πηγή: International Journal of Remote Sensing, Volume 40, 2019 - Issue 2 (1)
Λέξεις Κλειδιά: Αστικοποίηση, Λεκάνη απορροής, Τηλεπισκόπηση, Ανάλυση χρονοσειρών, Λίμνη Dianchi
Περίληψη: Η κινεζική αστικοποίηση έχει τραβήξει ευρέως την προσοχή από τις αρχές του 21ου αιώνα. Η κατανόηση της αστικής επέκτασης σε μια λεκάνη απορροής, συμπεριλαμβανομένων πόλεων διαφορετικών μεγεθών, είναι σημαντική για τη βελτίωση της τρέχουσας γνώσης μας σχετικά με την αστική έκταση και τον αντίκτυπό της στον υδρολογικό κύκλο, τη διαχείριση των υδάτων, τα ισοζύγια επιφανειακής ενέργειας και τη βιοποικιλότητα. Η αδιαπέρατη επιφάνεια (Impervious Surface Area - ISA) μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως συνθετικός ποσοτικός δείκτης για να αντικατοπτρίσει την ένταση της μετατροπής των φυσικών οικοσυστημάτων σε αστικά οικοσυστήματα. Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τα πρότυπα και τα χαρακτηριστικά του ISA, τα οποία απαιτούν μακροπρόθεσμα δεδομένα επιφανειακής διαπερατότητας σε υψηλή χωρική και χρονική ανάλυση. Οι προηγούμενες μέθοδοι εκτίμησης ISA επικεντρώνονταν κυρίως στις φασματικές διαφορές μεταξύ του ISA και άλλων καλύψεων γης και οι περισσότερες μελέτες τείνουν να χρησιμοποιούν μία ή μερικές εικόνες χωρίς να λαμβάνουν πλήρως υπόψη τη μακροχρόνια σειρά του χρονικού πεδίου των ανακλαστικών δεδομένων σε εικόνες τηλεπισκόπησης. Αυτό, ανέδειξε την λεκάνη απορροής της λίμνης Dianchi ως περιοχή μελέτης περίπτωσης για να δείξει τα χαρακτηριστικά αλλαγής του ISA στο πλαίσιο των φυσικών και πολιτιστικών συνθηκών. Πρώτον, λήφθηκαν περισσότερες από διακόσιες εικόνες Landsat (από το 1988 έως το 2017) μέσω της διαδικτυακής πύλης United States Geological Survey (USGS). Δεύτερον, ο βελτιωμένος δείκτης συσσώρευσης κανονικοποιημένης διαφοράς (INDBI) και ο αλγόριθμος γραμμικής φασματικής ανάλυσης μείγματος (LSMA) συνδυάστηκαν για να εφαρμόσουν τη μέθοδο σε μια σειρά χαρτών ISA της λεκάνης απορροής της λίμνης Dianchi σε ετήσια ανάλυση. Τρίτον, τα χαρακτηριστικά έκτασης ISA της λεκάνης απορροής της λίμνης Dianchi αναλύθηκαν από πτυχές τάσης και μοτίβων. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η προτεινόμενη μέθοδος ήταν εξαιρετικά αξιόπιστη για τον εντοπισμό και το χαρακτηρισμό της αλλαγής, με εξαγόμενη ακρίβεια ISA 92,51%, με βάση ένα δείγμα ανεξάρτητων σημείων επικύρωσης. Η λεκάνη απορροής της λίμνης Dianchi έχει αρχίσει να υιοθετεί στρατηγικές αστικοποίησης, όπως τις «Rashly Advancing» και «Great Leap Forward».
Αντικείμενο μελέτης: Η αστικοποίηση είναι η πιο σημαντική διαδικασία των ανθρώπινων δραστηριοτήτων από τον εικοστό αιώνα. Μια τέτοια διαδικασία έρχεται με μια συνεχή επέκταση της αδιαπέρατης επιφάνειας, η οποία είναι το κυρίαρχο τοπίο στις πόλεις. Πάνω από το μισό του πληθυσμού της Γης (54,00%) ζει σε αστικές περιοχές και το ποσοστό αυτό αναμένεται να αυξηθεί σε 66,00% έως το 2050. Η αδιαπέρατη επιφάνεια αποτελείται κυρίως από αστικούς δρόμους, χώρους στάθμευσης, πλατείες πόλεων, στέγες κτιρίων και άλλες υποδομές. Η παρουσία αδιαπέρατης επιφάνειας, ως ανθρωπογενές αντικείμενο, εμποδίζει τη διείσδυση επιφανειακών υδάτων στο έδαφος και συνεπώς διακόπτει την αλληλεπίδραση μεταξύ της αστικής επιφάνειας και των υπόγειων υδρολογικών συστημάτων. Ταυτόχρονα, μια αδιαπέρατη επιφάνεια είναι ένας από τους κύριους παράγοντες που οδηγεί στην επιδείνωση της ποιότητας του νερού. Ωστόσο, η αντίφαση μεταξύ της ζήτησης για ένα πράσινο και υγιές οικολογικό περιβάλλον και την επιδείνωση του αστικού οικολογικού περιβάλλοντος γίνεται όλο και πιο έντονη. Προηγούμενη έρευνα έχει επισημάνει ότι όταν η έκταση του ISA είναι μικρότερη από 10,00%, η επίδραση της αδιαπέρατης επιφάνειας στο υδάτινο περιβάλλον είναι ελάχιστη, όταν το ISA αυξάνεται σε εύρος μεταξύ 10,00% και 25,00%, η επίδραση στο υδάτινο περιβάλλον είναι σημαντική, και όταν το ISA είναι μεγαλύτερο από 25,00%, η υποβάθμιση του υδάτινου περιβάλλοντος γίνεται μη αναστρέψιμη. Ως εκ τούτου, είναι επιτακτική ανάγκη να διερευνηθεί ο ρυθμός και η κλίμακα της αστικοποίησης ως τρόπος παρακολούθησης της περιβαλλοντικής βιωσιμότητας. Συγκεκριμένα, η διερεύνηση της διαδικασίας χωροχρονικής αλλαγής αδιαπέρατων επιφανειών είναι απαραίτητη προκειμένου να μοντελοποιηθεί η τάση της επέκτασης. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να παρασχεθεί υποστήριξη αποφάσεων για τον πολεοδομικό σχεδιασμό και την ανάπτυξη της πόλης, καθώς και μια θεωρητική βάση για την προστασία του περιβάλλοντος και τη διακυβέρνηση. Σε αυτήν τη μελέτη, συνδυάζεται η γραμμική φασματική ανάλυση μείγματος (LSMA) και ο βελτιωμένος δείκτης συσσώρευσης κανονικοποιημένης διαφοράς (INDBI) για να εξαγάγουμε την ιστορική αδιαπέρατη επιφάνεια και να αναλύσουμε τα μοτίβα αλλαγών με την πάροδο του χρόνου στην λεκάνη απορροής της λίμνης Dianchi. Το INDBI μπορεί να αποτρέψει τη βλάστηση και τη γυμνή γη να επηρεάσει αρνητικά την ακρίβεια εξαγωγής ISA. Εν τω μεταξύ, προβλήματα όπως σύνθετα φασματικά χαρακτηριστικά και μικτά εικονοστοιχεία που οδηγούν σε ανώμαλο φάσμα μπορούν να επιλυθούν αποτελεσματικά χρησιμοποιώντας LSMA. Επιπλέον, αναλύεται το χωρικό και χρονικό σχέδιο των χαρακτηριστικών αστικής επέκτασης στο πλαίσιο των φυσικών και ανθρώπινων περιβαλλοντικών συνθηκών.
Περιοχή μελέτης: Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στο νοτιοδυτικό τμήμα της πρωτεύουσας της επαρχίας Yunnan, το Kunming. Υπάρχουν άφθονοι πόροι στη λεκάνη απορροής της λίμνης Dianchi, με μέγεθος λεκάνης περίπου 2.843,16 km2, το οποίο οδήγησε στην ίδρυση της πόλης Kunming στο οροπέδιο Yunnan-Guizhou. Η λίμνη Dianchi είναι η μεγαλύτερη λίμνη στη νοτιοδυτική Κίνα και η έκτη μεγαλύτερη λίμνη γλυκού νερού στην Κίνα. Η λίμνη καλύπτει έκταση 330 km2 και έχει μέσο βάθος 5 m.
Μεθοδολογία:
- Πηγή δεδομένων εικόνων τηλεπισκόπησης - Πάνω από 200 εικόνες Landsat Thematic Mapper (TM) / Landsat Operational Land Imager (OLI) από το 1988 έως το 2017 και τα δεδομένα του Global Digital Elevation Model (GDEM) λήφθηκαν από την επίσημη ιστοσελίδα «United States Geological Survey» (USGS). Αναφορικά με την ποιότητα των εικόνων, χρειάστηκε να φιλτραριστούν ορισμένες εικόνες με έντονη κάλυψη από σύννεφα ή άλλο θόρυβο. Στη συνέχεια, λαμβάνοντας υπόψη τη διαφορά φάσματος μεταξύ αντικειμένων και βλάστησης, επιλέχθηκαν όσο το δυνατόν περισσότερες καλοκαιρινές εικόνες για να διαμορφώσουν το τελικό μωσαϊκό.
- Βελτιωμένος δείκτης συσσώρευσης κανονικοποιημένης διαφοράς (INDBI) - Προηγούμενη μελέτη προτείνει τον συνδυασμό NDBI και NDVI για την εξαγωγή αστικών οικοδομικών εκτάσεων, τα οποία μπορούν να αφαιρέσουν περιοχές που καλύπτονται από πράσινη βλάστηση και να βελτιώσουν την ακρίβεια της εξαγωγής της αδιαπέρατης επιφανείας. Ωστόσο, επειδή η γυμνή γη και η αστική γη έχουν παρόμοιες τιμές ανακλαστικότητας στο βραχυκυματικό υπέρυθρο και στο εγγύς υπερύθρο κανάλι, η παρουσία γυμνού εδάφους μπορεί να μειώσει την ακρίβεια ταξινόμησης κατά την εξαγωγή αδιαπέραστης επιφάνειας. Σε αυτήν τη μελέτη, η μέθοδος NDBI-NDVI βελτιώνεται για την αποτελεσματική εξάλειψη του αντίκτυπου της γυμνής γης. Ο τύπος του αλγορίθμου INDBI είναι ο εξής:
όπου ρ είναι η κανονικοποιημένη τιμή για τη διάκριση γυμνού εδάφους.
- Γραμμικό φασματικό μεικτό μοντέλο - Η γραμμική φασματική ανάλυση είναι μια κοινώς χρησιμοποιούμενη μέθοδος σε μεικτό φασματικό διαχωρισμό. Σχεδόν όλα τα εικονοστοιχεία μπορούν να αποτελούνται από καθαρούς γραμμικούς συνδυασμούς εικονοστοιχείων στις περισσότερες υπερ-φασματικές εικόνες τηλεπισκόπησης. Η φασματική ενέργεια μέσα στα μεικτά εικονοστοιχεία δεν επηρεάζεται από αυτή των άλλων. Γίνεται η υπόθεση ότι η ανακλαστικότητα ενός εικονοστοιχείου σε κάθε φασματική ζώνη είναι ένας γραμμικός συνδυασμός της χαρακτηριστικής ανακλαστικότητας κάθε στοιχείου τελικού μέλους και των αντίστοιχων αναλογιών τους. Το μαθηματικό μοντέλο εκφράζεται ως εξής:
- Το χαρακτηριστικό της τάσης της μεθόδου ανάλυσης ISA - Η αδιαπέραστη επιφανειακή κάλυψη (ISC) και ο μέσος ετήσιος ρυθμός ανάπτυξης αδιαπέρατης επιφάνειας (GR) χρησιμοποιούνται για να αποκαλύψουν την τάση που χαρακτηρίζει το ISA στην λεκάνη απορροής της λίμνης Dianchi. Το ISC αναφέρεται στην αναλογία της αδιαπέραστης επιφάνειας προς τη συνολική περιοχή ενδιαφέροντος. Κάθε τμήμα της λεκάνης απορροής μπορεί να υπολογιστεί ως εξής:
- Η μέση ετήσια αδιαπέρατη επιφάνεια GR μπορεί να αποδώσει την ανάπτυξη της έντασης αστικοποίησης σε χωρο-χρονική κλίμακα. Σε αυτή την έρευνα χρησιμοποίηθηκε μια προσέγγιση σύγκρισης με βάση την ταξινόμηση για να εξεταστεί η επέκταση ISA με βάση τα εξαγόμενα δεδομένα αδιαπέρατης επιφάνειας από το 1988 έως το 2017. Ο μέσος ετήσιος ρυθμός αύξησης της αδιαπέρατης επιφάνειας (km2 ανά έτος ) λήφθηκε ως εξής:
- Το μοτίβο της μεθόδου ανάλυσης αστικοποίησης - Το επίπεδο αδιαπέρατης επιφάνειας (ISCL) κατατάχθηκε σε τέσσερις κατηγορίες ανάλογα με τα χαρακτηριστικά κατανομής του ISC στην λεκάνη απορροής της λίμνης Dianchi. Για την άμεση απεικόνιση της διαδικασίας αλλαγής της αδιαπέρατης επιφάνειας στην λεκάνη απορροής της λίμνης Dianchi, χωρίστηκε η μετατροπή της αδιαπέρατης επιφάνειας σε επτά κύριες κατηγορίες. Για άμεση απεικόνιση του μέσου ετήσιου ρυθμού αύξησης της αδιαπέρατης επιφάνειας στην λεκάνη απορροής της λίμνης Dianchi, ο ρυθμός αύξησης της αδιαπέρατης επιφάνειας χωρίστηκε σε τέσσερις κύριες κατηγορίες.
Αποτελέσματα:
- Τα αποτελέσματα της έρευνας δείχνουν ότι το ποσοστό ISA της λεκάνης απορροής της λίμνης Dianchi αυξήθηκε ραγδαία από 1,84% το 1988 σε 34,32% το 2017. Η χωρική κατανομή ISA στη λεκάνη απορροής της λίμνης Dianchi το 2017 δείχνει ότι μια υψηλή πυκνότητα του ISA περικλείει τη λίμνη Dianchi από τρεις πλευρές (βόρεια, ανατολικά και νότια). Αυτοί οι τύποι ανάπτυξης ταχείας ταχύτητας και ευρείας διανομής θα έχουν μεγάλο αντίκτυπο στο περιβάλλον της λίμνης Dianchi.
- Τα αποτελέσματα της ανάλυσης έδειξαν ότι πριν από το 1999, βόρεια του Dianchi, η πυκνότητα της αστικής περιοχής ήταν χαμηλή, από το 1999 έως το 2017, η πυκνότητα και η ποσότητα των κατασκευασμένων στοιχείων αυξήθηκαν δραματικά. Υπήρχε μόνο ένας αστικός πυρήνας πριν από το 2001 (η κύρια αστική περιοχή Kunming), αλλά 16 χρόνια αργότερα, είχαν αναπτυχθεί τρεις αστικοί πυρήνες (οι κύριες αστικές περιοχές Haikou, Chenggong και Jinning).
- Μέσα σε 30 χρόνια, το 18,19% της φυσικής περιοχής διαμορφώθηκε σε αστικές περιοχές χαμηλής πυκνότητας. Το μοντέλο ανάπτυξης κάλυψε ολόκληρη την λεκάνη απορροής της λίμνης Dianchi. Περίπου 10,88% της φυσικής περιοχής διαμορφώθηκε σε αστικές περιοχές υψηλής πυκνότητας. Το μοντέλο ανάπτυξης κάλυψε την περιοχή γύρω από τη λίμνη Dianchi. Περίπου 6,93% της φυσικής περιοχής διαμορφώθηκε σε αστικές περιοχές μεσαίας πυκνότητας. Το μοντέλο ανάπτυξης κάλυψε κυρίως περιοχές βορειοανατολικά και νοτιοανατολικά της λίμνης Dianchi.
- Κατά το 1988, η πυκνότητα των κατασκευών στην λεκάνη απορροής της λίμνης Dianchi ήταν πολύ χαμηλή. Υπήρχε μια μικρή ποσότητα κατασκευών χαμηλής πυκνότητας και μέσης πυκνότητας, και σχεδόν καθόλου κατασκευές υψηλής πυκνότητας. Το ISA στη λεκάνη απορροής της λίμνης Dianchi αυξήθηκε ραγδαία από 47,45 km2 το 1988 σε 649,86 km2 το 2017. Ο ετήσιος συνολικός ρυθμός ανάπτυξης του ISA ήταν πάνω από 21,31 km2 ανά έτος, και ειδικά, ο ετήσιος ρυθμός ανάπτυξης ISA από το 2004 έως το 2017 ήταν υψηλότερος από 38,00 km2 ανά έτος.
- Από την ανάλυση των επιπτώσεων της ανύψωσης και της κλίσης στην κατανομή ISA και τη δυναμική αλλαγή στην λεκάνη απορροής της λίμνης Dianchi προέκυψαν τα εύρη ανύψωσης, τα οποία ομαδοποιήθηκαν σε πέντε κατηγορίες: 1.652m – 1.898m, 1.898m – 2.084m, 2.084m – 2.219m, 2.219m – 2.416m, και > 2.416 m. Οι περιοχές κλίσης ομαδοποιήθηκαν επίσης σε πέντε κατηγορίες: <5 °, 5 – 11 °, 11 – 17 °, 17 – 23 ° και > 23 °. Το ποσό ISA για κάθε υψόμετρο και κλίση υπολογίστηκε με βάση τα δεδομένα ISA και την ομαδοποιημένη ανύψωση και κλίση.
Συμπεράσματα: Προηγούμενες μελέτες δεν έχουν αναλύσει τις τάσεις και τα μοτίβα επέκτασης ISA που προκαλούνται από αστικοποίηση σε μεγάλη χωρο-χρονική κλίμακα σε αυτήν την περιοχή. Ένας από τους κύριους λόγους είναι ότι η περιοχή της έρευνας είναι χαμηλού υψομέτρου και σε μια περιοχή οροπέδιου, και η διαθεσιμότητα επαρκών δεδομένων εικόνας υψηλής ανάλυσης είναι περιορισμένη λόγω της συνηθισμένης κάλυψης σύννεφων, η οποία συνήθως εμποδίζει την εξαγωγή του ISA. Το άλλο είναι ότι η περιοχή έρευνας βρίσκεται στα νοτιοδυτικά σύνορα της Κίνας, ο ρυθμός αστικοποίησης αυτής της περιοχής ήταν αργός πριν από το 2004 και ο ρυθμός αστικοποίησης στην επαρχία Yunnan είναι σημαντικά χαμηλότερος από άλλες περιοχές. Αυτή η έρευνα επιδίωξε να βελτιώσει την ακρίβεια και την αποτελεσματικότητα της εξαγωγής του ISA και να αναλύσει τα μεταβαλλόμενα χαρακτηριστικά του ISA στο πλαίσιο της αστικοποίησης της Κίνας. Τα αποτελέσματα της έρευνας δείχνουν ότι η προτεινόμενη μέθοδος για την εξαγωγή του ISA της λεκάνης απορροής της λίμνης Dianchi πέτυχε ακρίβεια 92,51%. Σε όλη την περιοχή της μελέτης, το συνολικό ISA κυμαινόταν από 47,45 km2 (1,67% αδιαπέρατη περιοχή το 1988) έως 649,86 km2 (22,87% αδιαπέρατη περιοχή το 2017). Η φυσική επιφάνεια της λεκάνης απορροής της λίμνης Dianchi μειώθηκε περίπου στα 1040,27 km2, με ρυθμό μετατροπής φυσικής επιφάνειας σε αδιαπέρατη επιφάνεια μέσης και υψηλής έντασης που αντιστοιχεί στο 65,01% και 7,54%, αντίστοιχα. Ο ετήσιος συνολικός ρυθμός ανάπτυξης ISA ήταν πάνω από 21,31 km2 το χρόνο. Ειδικά, ο ετήσιος ρυθμός αύξησης ISA από το 2004 έως το 2017 ήταν πάνω από 38,00 km2 το χρόνο. Οι κυβερνητικές πολιτικές αστικοποίησης μπορούν να αλλάξουν τις τάσεις στην αστική ανάπτυξη. Εν τω μεταξύ, τοπογραφικές συνθήκες όπως το υψόμετρο και η κλίση είναι σημαντικοί παράγοντες περιορισμού στην αστική επέκταση. Τα αποτελέσματα της έρευνας δείχνουν ότι η αστική ανάπτυξη στην λεκάνη απορροής της λίμνης Dianchi γνώρισε σημαντικές μεταβάσεις όσον αφορά την ένταση χρήσης γης τις τελευταίες τρεις δεκαετίες.
