Η αστική ανάπτυξη των πόλεων Washington, D.C.–Baltimore, MD για την χρονική περίοδο 1984 έως 2010
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος Τίτλος: « Urban growth of the Washington, D.C.–Baltimore, MD metropolitan region from 1984 to 2010 by annual, Landsat-based estimates of impervious cover »
Συγγραφείς: By Ahmed Joseph O. Sexton, Xiao-Peng Song, Chengquan Huang, Saurabh Channan, Matthew E. Baker and John R. Townshend
posted on 27 October, 2011 in Articles, Remote Sensing of Environment 129 (2013) 42–53,
Πηγή: Elsevier
« Η αστική ανάπτυξη των πόλεων Washington, D.C.–Baltimore, MD για την χρονική περίοδο 1984 έως 2010»
Τα αστικά κέντρα και τα προάστια είναι οι ταχύτερες αναπτυσσόμενες χρήσης Γης. Οι αστικές αδιαπέραστες επιφάνειες επηρεάζουν τα υδρολογικά και ενεργειακά ισοζύγια, καθώς και τη βιολογική σύνθεση και τη λειτουργία των οικοσυστημάτων. Αν και έχουν πραχτεί δεδομένα για την αστική ανάπτυξη σε πολλαπλές χρονικές περιόδους με μεγάλα χρονικά διαστήματα παραμένει να υπάρχει η ανάγκη για παρατήρηση μέσα στις δεκαετίες με υψηλή συχνότητα. Στην μελέτη αυτή έχει αναπτυχτεί μια εμπειρική μέθοδος για την ετήσια καταγραφή της αδιαπέραστης επιφανειακής κάλυψης από αρχεία Landsat, σε μεγάλης κλίμακας πεδία και εφαρμοστικε στις μεγαλουπόλεις Washington, DC-Βαλτιμόρη, MD από το 1984 έως το 2010.
Εφαρμόστηκε ένα ενιαίο μοντέλο παλινδρόμησης στην πρόοδο του χρόνου, η μέθοδος είναι πολυετής χωρικά εκπαιδευόμενη και βασίζεται σε δείγματα υψηλής ανάλυσης αδιαπέραστης γης σε σύνθετα εικόνας Landsat. Σε αυτές τις εικόνες πρόβλεψης γίνεται ομαλοποίηση και διαχωρισμός μεταξύ αδιαπέραστων επιφανειών από τις αγροτικές εκτάσεις με έντονη υγρασία, από την ηλιακή αντανάκλαση και από των ατμοσφαιρικό θόρυβο. Εκτός από το έτος 2009, λόγω έλλειψης διαθέσιμων στοιχείων που προκύπτει από την συνεχή κάλυψη χιονιού, τα αποτελέσματα είναι για ένα σύνολο δεδομένων χρονική ανάλυσης από 1984 – 2010 για την αδιαφανή αστική γη με ανάλυση στα 30μετρα. Μέσος όρος σφάλματος κάλυψης ήταν περίπου ± 6%, με τις ακραίες τιμές να οφείλονται λόγω σκιές από μεγάλα κτίρια για τις εικόνες στη περίοδο του χειμώνα. Η αδιαπέραστη αστική επιφάνεια αυξήθηκε 881 έως 1176 ± 11 τετραγωνικά χιλιόμετρα για το διάστημα 27 ετών με μέσο ετήσιο ρυθμό περίπου 11 ± 2 τετραγωνικά χιλιόμετρα / Έτος. Τα πρότυπα είναι εμφανώς ορατά και συμπεριλαμβάνουν εσωτερική τροποποίηση (πύκνωση) και εξωτερική επέκταση καθώς και κατακερματισμό, απομόνωση των φυσικών περιοχών.
Εισαγωγη
Η αστική περιοχή αποτελεί το 0,5% της συνολικής ηπειρωτικής επιφάνειας της γης, οι πόλης εκπροσωπούν ένα είδος χρήσης γης με το μεγαλύτερο ρυθμό αύξησης, και πάνω από το μισό παγκόσμιο πληθυσμό (7 δις) της γης κρατικοί σε πόλης. Ένα χαρακτηριστικό της αστικής κάλυψης γης είναι ο δείκτης της αδιαπέραστης αστικής επιφάνειας όπου σε αυτόν γίνεται ομαδοποίηση όλων των υλικών και επιφανειών τα οποία δεν επιτρέπουν την υδατική διείσδυση, σε αυτά συμπεριλαμβάνονται πλακόστρωτοι δρόμοι, πεζοδρόμια, χώρους στάθμευσης, κτίρια, και άλλα οικοδομήματα. Οι αστικές αδιαπέραστες επιφάνειες προκαλούν το “urban stream syndrome” το οποίο προκαλεί μεταβολές στην Υδρολογική περιοδικότητα, την θερμοκρασία του νερού, και έχει επιδράσεις στα επίπεδα συγκέντρωσης βαρέων μετάλλων, αζώτου, φωσφόρου και κολοβακτηριδίων. Επιπλέων οι αστικές περιοχές αναπτύσσουν το φαινόμενου θερμικής νησίδας με αύξηση της θερμοκρασίας και επίδραση στο τοπικό περιβάλλον. Ακόμα η αστικοποίηση έχει συσχετιστεί με την μεταβολή της πληθυσμιακής αύξησης καθώς μειώνει τον αριθμό γεννήσεων και θανάτων με τελική επίδραση την μείωση του ρυθμού αύξησης του πληθυσμού. Η μελέτη της αστικοποίησης στο χώρο και στο χρόνο είναι πολύπλοκη διαδικασία με πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις του κοινωνικοοικονομικού και οικολογικό περιβάλλοντος. Η αστικοποίηση είναι ένα ανατροφοδοτούμενο σύστημα βάση οικονομικών κριτηρίων αξίας γης , φορολόγησης και περιορίζεται από νόμους για τη διατήρηση των φυσικών πόρων και ακάλυπτης επιφάνειας. Προκειμένου να παρακολουθηθεί η εξέλιξη και να κατανοηθούν τα αίτια και οι συνέπειες της αστικοποίησης, τα δεδομένα κάλυψης γης πρέπει να έχουν χρονική ανάλυση 1 έως 5 χρόνια, παρόμοια με την προτεινόμενη χρονική ανάλυση των 3 χρόνων που εφαρμόζεται για την μελέτη της δασικής ανάπτυξης.
Οι αδιαπέραστες επιφάνειες μπορούν τηλεπισκοπικά να αναγνωριστόυν με ένα πλήθος μεθόδων. Με χρήση τριπλών εποχιακών πολυφασματικων εικόνων Landsat μπορεί να εξαχθεί η παρουσία των αδιαπέραστων επιφανειών. Επιπλέων αξιοποιώντας τα ξεχωριστά γεωμετρικά μοτίβα των ανθρωπογενών δομών, σε υψηλής ανάλυσης (5 m) δεδομένα με χειροκίνητη και αυτόματη ψηφιοποίηση μπορεί να ανιχνευτεί η αδιαπέραστη επιφάνια. Με συνδυασμό μεθόδων Light Detection And Ranging (LiDAR) και Synthetic Aperture Radar (SAR) μπορεί να μετρηθούν οι κάθετες δομές και να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση των αστικών και αδιαπέραστων επιφανειών. Η μελέτη της χρονικής επέκτασης των αδιαπέραστων επιφανειών είναι αρκετά δύσκολο και για το λόγω αυτό στην μεγαλύτερη πλειονότητα καταγραφών γίνεται ανάλυση σε μια χρονική στιγμή. Μια προσέγγιση έγινε το 2000 για την παρακολούθηση της αστικοποίησης γύρω από την Washington, DC για διαστήματα μεταξύ 1973 και 1996, με χρήση NDVI εικόνων που καταγράφονται από Landsat Multi-Spectral Scanner (MSS) και Thematic Mapper (TM) αισθητήρες. Ποιο πρόσφατα το 2011 σε μια χρονική σειρά εικόνων μεταξύ 1979 και 2009 από Landsat για την μελέτη στην ανάπτυξη της περιοχή της Σαγκάης. Το 2012 έγινε μελέτη με συνδυασμό εικόνων Landsat από το 1975, 1990, 2000, και 2010 και InSAR από το 2010 για την παρακολούθηση της ανάπτυξης από 27 μεγαλουπόλεων σε διάστημα περίπου δεκαετιών.
Μεθοδολογία
Σε αυτή την εργασία, με βάση μιας εμπειρικής μεθόδου για την ανάκτηση της αδιαπέραστης επιφανειακής κάλυψης από εικόνες Landsat, στις ταχεία αναπτυσσόμενες πόλεις Washington DC, Βαλτιμόρη MD. Γίνεται εκτίμηση της αβεβαιότητας των αποτελεσμάτων με την επικύρωση από ανεξάρτητη μέθοδο σε δείγματα των υπό εξέταση περιοχών. Τέλος επισημαίνονται τα χαρακτηριστικά πρότυπα και δυναμικές της αστικοποίησης για τις περιοχές και συγκρίνονται με τις μελέτες παρελθόντος. Μοντελοποιήθηκε η αδιαπέραστη επιφάνεια για κάθε pixel ως γραμμική συνάρτηση από ένα σύνολο προβλέψεων υπολογιζόμενων από τις πολυφασματικες μετρήσεις. ISC i,t = F (X i,t) Όπου ο δείκτης i συμβολίζει τη θέση του pixel στο χώρο και t η θέση στο χρόνο. Το κάθε pixel αντιπροσωπεύει 900 τετραγωνικά μέτρα όπου εσωτερικά του μπορεί να περιέχει αδιαπέραστη επιφάνεια. Τα πολύγονα της εικόνας 1 περιλαμβάνουν τις αστικές περιοχές που μελετήθηκαν και περιλαμβάνουν δρόμους, χώρους στάθμευσης, κτίρια, δρόμους, πεζοδρόμια. Το 85% χρησιμοποιήθηκε ως δεδομένα εκπαίδευσης ενώ το 15% με τυχαίο τρόπο χρησιμοποιήθηκε για την πιστοποίηση.
Οι εικόνες απαριθμήθηκαν βάση της χρονικής τους σειράς σε συνδυασμό με την εποχή. Με αυτοματοποιημένη διαδικασία αξιολογούνται οι εικόνες με περισσότερο από 10% με νεφοκαλυψη. Στις εναπομένουσες εικόνες με χρήση μεθόδου διόρθωσης ατμοσφαιρικής διόρθωσης (LEDAPS) ελαχιστοποιείται η επίδραση τους στις ανακαλούμενες επιφάνειες. Ανάλογα με την ημερομηνία απόκτησης, οι εικόνες ομαδοποιηθήκαν με την εποχή σε καλοκαίρι ή χειμώνα με σκοπό την ελαχιστοποίηση ψευδών ατμοσφαιρικών ή φαινομενικών μεταβολών. Για την χειμερινή περίοδο υπολογίζονται τα pixel νέφωσης και νεφο σκίασης και ρυθμίζονται βάση προηγούμενου ή επόμενου έτους. Οι τιμές της ανακλαστικότητα για τις επιφάνειες κανονικοποιουνται βάση τις μεγίστης τιμής που παρουσιάζουν σε κάθε κανάλι προκειμένου να ρυθμιστεί η εποχή επίδραση. Ο δείκτης βλάστησης NDVI της καλοκαιρινής περιόδου ήταν ο σημαντικότερος παράγοντας διαχωρισμού περιοχών. Το κανάλι μπλε για το χειμώνα , και το κόκκινο χρησιμοποιήθηκα κατά το ήμισυ των περιπτώσεων για τον διαχωρισμό των δένδρων. Το πράσινο κανάλι ήταν εντελώς ασήμαντο στο καθορισμό ορίων για τις περιοχές δένδρων.
Συμπεράσματα
Στην εργασία αυτή αναπτύχτηκε μια μέθοδος για την ανάκτηση της χρονικής εξέλιξης της αδιαπέραστη εδαφικής κάλυψης με εικόνες διακριτικής ικανότητα 30m και ετήσια διάστημα από τον Landsat-5, από το 1984 έως το 2010. Τα αποτελέσματά μας απεικονίζουν την ετερογενή και μη γραμμική ανάπτυξη υδατοστεγών επιφανειών των δήμων της Ουάσιγκτον, Βαλτιμόρης, επιβεβαιώνοντας τη χωρική και χρονική αστική ανάπτυξη. Τεχνικά, τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι είναι δυνατή η εκτίμηση και η καταμέτρηση της αδιαπέραστης εδαφικής κάλυψης από αστική δράση με τη χρήση πολλαπλών χρονικών, πολυφασματικών εικόνων. Κρίσιμης σημασίας είναι η διατήρηση της αντιπροσωπευτικότητας του δείγματος εκπαίδευσης στο χώρο και στο χρόνο, η οποία απαιτεί γνώση της εποχικότητας της βλάστησης. Πρακτικώς, τα δεδομένα που ανακτώνται με την μέθοδο αυτή καθιστούν δυνατή την ανίχνευση των αλλαγών σε αυθαίρετα χρονικά διαστήματα, καθώς επίσης και τη παρατήρηση των μακροχρόνιου ρυθμού της αλλαγής χρήσης γης. Συνεπώς θα είναι πολύ χρήσιμο για οικολόγους, υδροβιολόγους και κοινωνιολόγους η μελέτη του ανθρώπινου περιβάλλοντος και οι αλληλεπιδράσεις με τα αστικοποιημένα οικοσυστήματα.
