Εκτίμηση του κλάσματος της αστικής βλάστησης σε 25 πόλεις του Παν-Ειρηνικού χρησιμοποιώντας δεδομένα χρονοσειρών Landsat

Από RemoteSensing Wiki

Αντικείμενο Εφαρμογής: Τηλεπισκόπηση και Βλάστηση

Πρωτότυπος Τίτλος: « Estimating urban vegetation fraction across 25 cities in pan-Pacific using Landsat time series data »

Συγγραφείς: Yuhao Lu, Nicholas C. Coops, Txomin Hermosilla

Δημοσιεύθηκε: ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, Volume 126, April 2017, Pages 11-23

Πηγή: [13]

Λέξεις Κλειδιά: χρονική σειρά, φασματική αναμόχλευση, αστική βλάστηση, Landsat.

Περίληψη

Η αστική βλάστηση μπορεί να συνεισφέρει σημαντικά στην ελαχιστοποίηση των επιπτώσεων στο περιβάλλον που πηγάζουν από την έντονη αστικοποίηση και ειδικά στις περιοχές του Παν-Ειρηνικού, η οποία παρουσιάζει έντονους ρυθμούς αστικοποίησης. Στη συγκεκριμένη μελέτη, μελετάται η ύπαρξη αστικής βλάστησης 25 πόλεων σε 12 χώρες του Παν-Ειρηνικού σε ετήσια βάση για την περίοδο 1984-2012, μέσω της τηλεπισκόπησης. Από την αξιολόγηση που έγινε υπολογίσθηκαν δεδομένα, όπως η απώλεια βλάστηση σε αστικές περιοχές διαχρονικά, τα οποία είναι εξαιρετικά χρήσιμα στους σχεδιαστές του χώρου.

Εισαγωγή

Σημαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις, όπως για παράδειγμα η αστική θερμική νησίδα (UHI, Oke, 1982), η απώλεια οικοτόπων (McKinney, 2006) και η έλλειψη νερού (Gober, Tan, 2012, Kummu κ.ά., 2010), πηγάζουν από την αστικοποίηση. Η αστική βλάστηση αποτελεί μέσο ελαχιστοποίησης αυτών των επιπτώσεων και ωφελεί παράλληλα στον έλεγχο του κλίματος και συνεπώς της κοινωνικής ευημερίας. Βέβαια, στις αναπτυσσόμενες περιοχές η οικονομική ανάπτυξη αποτελεί προτεραιότητα έναντι της διατήρησης της αστικής βλάστησης ενώ υπάρχει, επίσης, οικολογική ανισότητα καθώς η προσβασιμότητα όλων των κατοίκων σε αστικό πράσινο δεν είναι ίδια. Η εξέλιξη της τηλεπισκόπησης και των τεχνικών συνθέσεων έχουν συνεισφέρει στην χαρτογράφηση τέτοιου είδους φαινομένων. Ειδικότερα, τα διαφορετικά μεγέθη των εικόνων Landsat και οι ποικίλες τεχνικές επιτρέπουν την λεπτομερειακή ανάλυση των επιφανειακών υλικών.

Κάθε αστικό περιβάλλον παρουσιάζει ιδιομορφίες ωστόσο υπάρχουν κοινές ιδιότητες που επιτρέπουν την δημιουργία μοντέλων. Παρελθοντικές μελέτες εστιάζουν στην ανάμειξη μεμονωμένων εικόνων και όχι τόσο με πολυδιάστατα δεδομένα χρονοσειράς. Γύρω από αυτή την ιδέα κινείται η μελέτη αυτή, η οποία επιχειρεί να παράγει σύνθετες εικόνες, να προσδιορίσει το βαθμό βλάστησης και να προβάλλει χωροχρονικές συσχετίσεις της πορείας της αστικής βλάστησης στις περιοχές μελέτης.

Υλικά και μέθοδοι

Για την επίτευξη των σκοπών της έρευνας χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat από το 1984 έως το 2012 για όλες τις περιοχές προκειμένου να δημιουργηθούν σύνθετες εικόνες. Επίσης, η αστική βλάστηση υπολογίστηκε μέσα από την εφαρμογή της φασματικής ανάμειξης (εικ.2), ενώ οι χρονικές τάσεις μέσω του εκτιμητή Theil-Sen (Theil, 1950, Sen, 1968). Τα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν ήταν τα IDL 8.3, ENVI 5.2 και ArcMap 10.2.2 και R 3.1.1.

Η έρευνα επικεντρώνεται σε 25 αστικές περιοχές του Παν-Ειρηνικού προκειμένου να καλυφθούν συγκεκριμένα πληθυσμιακά, περιβαλλοντικά και οικονομικά κριτήρια (πίν.1, εικ.1), δηλαδή περιοχές που δεν είναι ιδιαίτερα οικονομικά ανεπτυγμένες με ποικιλία τοπίων και η οριοθέτηση των περιοχών μελέτης έγινε με ομόκεντρους κύκλους ακτίνας 60χλμ.

Αρχικά έγινε αξιολόγηση των εικονοστοιχείων με συγκεκριμένα κριτήρια, κυρίως για την αποφυγή σύννεφων και ομίχλης, και τα βέλτιστα χρησιμοποιήθηκαν για τη σύνθεση των εικόνων. Έπειτα, χρησιμοποιήθηκαν φασματικές μη αναμειγνυόμενες προσεγγίσεις για να υπολογιστεί η ποσότητα βλάστησης και δημιουργήθηκε δείκτης για να υπολογιστούν οι τάσεις και κλάσματα βλάστησης. Επιπρόσθετα, τα κλάσματα επικυρώθηκαν μέσο εικόνων υψηλής χωρικής ανάλυσης ενώ εφαρμόστηκαν ποικίλες μέθοδοι αξιολόγησης των αποτελεσμάτων.

Εικόνα 1. Θέση των δειγματοληπτών αστικών περιβαλλόντων και του πρόσφατου πληθυσμού τους (Lu et al., 2016). Πηγή: [1]

Εικόνα 2. Διαδικασία ψηφιοποίησης και μετασχηματισμού εικόνας χρησιμοποιώντας (α) Πολυφασματικές εικόνες σύνθεσης με βάση το Pixel (PBC) (6 φασματικές ζώνες). (β) Μωσαϊκή εικόνα PBC (6 φασματικές ζώνες) και (γ) Μέγιστο PBC μεγεθών θορύβου μετασχηματισμένο (3 ζώνες συνιστωσών). Πηγή: [2]

Πίνακας 1: ΣΠίνακας 1. Περίληψη περιοχών μελέτης. Πηγή: [3]

Αποτελέσματα

Τα κυριότερα αποτελέσματα της έρευνας είναι ότι η βλάστηση ήταν μεγαλύτερη εκτός κέντρου πόλεων ενώ υπήρχαν κάποιοι μικροί οικισμοί στην ύπαιθρο και αστικοί διάδρομοι που τους συνδέουν με τα κέντρα (εικ. 3 α, β). Αντίθετα σε άλλες περιπτώσεις υπήρχαν αστικές περιοχές με περισσότερη βλάστηση από τις αγροτικές (εικ.3ε εικ.6). Περαιτέρω λεπτομέρειες εντοπίσθηκαν για τις πόλεις του Βανκούβερ, Λας Βέγκας (εικ. 5), Τόκυο και Σενζέν-Χονγκ Κονγκ (εικ. 4,7 και πίν.2). Γενικότερα, παρατηρήθηκε σημαντική απώλεια βλάστησης αλλά και τη μεταβολή των πόλεων σε αυτή την περίοδο.

Εικόνα 3. Εικόνα Landsat (αριστερά) και μη ταξινομημένων αποτελεσμάτων κλάσματος βλάστησης (δεξιά στήλη) κατά το έτος 2000 του (α) Τόκιο, (β) Σαγκάη, (γ) Μελβούρνη, (δ) Πόλη του Μεξικού (ε) Λας Βέγκας και (στ) Βανκούβερ (κλίμακα 1: 800.000). Πηγή: [4]

Πίνακας 2. Συσχετισμοί ερμηνευμένων έναντι εκτιμώμενων κλασμάτων βλάστησης με μεσαίες τιμές. Πηγή: [5]

Εικόνα 4. Σύγκριση μεταξύ εκτιμώμενου και ερμηνευμένου τμήματος βλάστησης του (α) Shenzhen Χονγκ Κονγκ, (β) Λας Βέγκας, (γ) Τόκιο, και (δ) Βανκούβερ. Γραμμές σφαλμάτων αντιπροσωπεύουν την τυπική απόκλιση όλων των σημείων δειγματοληψίας σε κάθε αύξηση 20%. Πηγή: [6]

Εικόνα 5. Ετήσιο ποσοστό βλάστησης (0-100%) του Λας Βέγκας. Πηγή: [7]

Εικόνα 6. Theil-Sen εκτιμώμενη κλίση τάσης βλάστησης (p <0,05) του (a) Calgary, (β) Dalian, (γ) Σιάτλ, (δ) Λας Βέγκας, (ε) Μανίλα, (στ) Σενζέν-Χονγκ Κονγκ, (ζ) Σεούλ και (η) Βανκούβερ (κλίμακα: 1: 700.000). Το νερό έχει χρώμα γκρι. Πηγή: [8]

Εικόνα 7. Η κλίση της τάσης βλάστησης είναι διάμεση ανά δακτύλιο (600 μ. ανά δακτύλιο). Το πράσινο αντιπροσωπεύει την μέση τιμή κλίσης. Το γκρι αντιπροσωπεύει το διάστημα εμπιστοσύνης της ομαλοποιημένης τιμής κλίσης (μαύρο). Τα αποτελέσματα για τα 25 αστικά περιβάλλοντα βρίσκονται στο Παράρτημα Α. Πηγή: [9]

Συζήτηση

Η εργασία αυτή προσπάθησε να προσθέσει δεδομένα σε στοιχεία προηγούμενων ερευνών χρησιμοποιώντας δεδομένα από τον Landsat και τις παγκόσμιες διοικητικές περιοχές που συχνά δεν είναι συμβατά μεταξύ τους (εικ. 8). Συνεπώς, έπρεπε να γίνουν ορισμένες ρυθμίσεις για να οριστεί η περιοχή μελέτης (εικ. Α1, Β1). Επιπρόσθετα, οι δείκτες που χρησιμοποιήθηκαν (μη αναμεμειγμένο φάσμα και Theil-Sen (TS)), διευκολύνει την σύγκριση της ύπαρξης βλάστησης και αστικού περιβάλλοντος παράλληλα. Ορισμένες παρατηρήσεις που γίνανε είναι ότι υπήρχαν παρόμοιες τιμές για διαφορετικά είδη βλάστησης, όπως δάση ή υγρότοποι, στις περιοχές μελέτης, ενώ εντοπίστηκε η ποσότητα της βλάστησης συνδυαστικά με την ποιότητα του (κλάσματα βλάστησης). Εν τέλει, για να αξιολογηθούν τα αποτελέσματα του κλάσματος βλάστησης χρησιμοποιήθηκε η βάση Google Earth η οποία επιτρέπει εύκολη και αξιόλογη επαλήθευση των αποτελεσμάτων, γιατί είναι ελεύθερη ως προς την πρόσβαση και καλύπτει ευρύ παρελθοντικό χρονικό φάσμα.

Από την επισκόπηση της βιβλιογραφίας εντοπίστηκαν επιπρόσθετοι παράγοντες επιρροής της διαμόρφωσης της αστικής βλάστησης. Αυτοί μπορεί να είναι είτε φυσικοί όπως το κλίμα και η τοπογραφία, καθώς οι ορεινές περιοχές έχουν περιορισμένη αστικοποίηση ή οι παράκτιες περιοχές υιοθετούν ένα μοντέλο γραμμικής ανάπτυξης, ή κοινωνικό-πολιτιστικοί όπως για παράδειγμα οι νέες τεχνολογίες μεταφορών που επιτρέπουν τη γρήγορη μετακίνηση και διευκολύνουν την εγκατάσταση των ανθρώπων μακριά από το κέντρο των πόλεων.

Εικόνα 8. Κυκλικό ιστόγραμμα τάσης βλάστησης με μέση τιμή κλίσης ανά κάδο (1 βαθμός ανά κάδο). Το μήκος της ράβδου έδειξε το ποσοστό των εικονοστοιχείων με μειούμενη τάση βλάστησης. Η μέση τιμή κλίσης χρωματίστηκε με ένα ερυθρό κίτρινο-πράσινο σχήμα με κόκκινο που αντιπροσωπεύει την πιο αρνητική κλίση, πράσινο που αντιπροσωπεύει την πιο θετική κλίση και κίτρινο αντιπροσωπεύει σταθερό κλάσμα βλάστησης. Το χρώμα του νερού είναι μαύρο. Πηγή: [10]

Παράρτημα Α1. Η κλίση της τάσης βλάστησης είναι διάμεση ανά δακτύλιο (600 μ. Ανά δακτύλιο). Πηγή: [11]

Παράρτημα Β1: Κυκλικό ιστόγραμμα τάσης βλάστησης με μέση τιμή κλίσης ανά κάδο (1 βαθμός ανά κάδο). Πηγή: [12]

Συμπέρασμα

Τα τελευταία τριάντα χρόνια η αστικοποίηση λόγω της αύξησης του πληθυσμού και της ανάγκης σε πόρους δημιούργησε σημαντικά περιβαλλοντικά προβλήματα, τα οποία μπορεί να ελαχιστοποιήσει η ανάπτυξη αστικής βλάστησης. Η συγκεκριμένη έρευνα εστίασε στην μελέτης της εξέλιξης της αστικής βλάστησης σε περιοχές του Παν-Ειρηνικού μέσω δορυφορικών εικόνων και έθεσε μια βάση για να υπάρξουν νέες μελέτες και ενδεικτικά προτείνονται μελέτες πάνω σε δείκτες απώλεια βλάστησης και τη δημιουργία μοντέλων για τις υπηρεσίες που προσφέρουν τα αστικά οικοσυστήματα.