Η χρήση πολύ-εποχικών εικόνων Landsat για την γρήγορη αναγνώριση εγκαταλειμμένης γεωργικής γης σε περιοχές επηρεαζόμενες ...

Από RemoteSensing Wiki

Η χρήση πολύ-εποχικών εικόνων Landsat για την γρήγορη αναγνώριση εγκαταλειμμένης γεωργικής γης σε περιοχές επηρεαζόμενες από την αστική εξάπλωση

Εικόνα 1 – Η περιοχή του Βουκουρεστίου που μελετήθηκε, Πηγή:http://dx.doi.org/10.1016/j.ecolind.2017.06.022

Εικόνα 2 – Οι χάρτες εγκαταλειμμένης αγροτικής γης εντός των διοικητικών ορίων του Βουκουρεστίου, Πηγή:http://dx.doi.org/10.1016/j.ecolind.2017.06.022

Πρωτότυπος Τίτλος: Using multi-seasonal Landsat imagery for rapid identification of abandoned land in areas affected by urban sprawl
Συγγραφείς: Simona R. Grădinaru, Felix Kienast, Achilleas Psomas
Πηγή: Ecological Indicators, Vol. 96 (2019), pp. 79–86
Διαθέσιμο στο: http://dx.doi.org/10.1016/j.ecolind.2017.06.022

Εισαγωγή
Η εγκατάλειψη της γης παρουσιάζεται σε περιοχές όπου οι δραστηριότητες καλλιέργειας δεν είναι πλέον επικερδείς ή βιώσιμες. Μελέτες έχουν αναδείξει ότι η απώλεια της βιωσιμότητας δεν σχετίζεται μόνο με γεωγραφικά κριτήρια αλλά και με κοινωνικά ιδιαίτερα σε περιοχές που παρουσιάζουν διαφορετική ανάπτυξη, συνδέονται με δίκτυα και συστήματα μεταφορών και παρουσιάζουν έντονη οικονομική δραστηριότητα. Ιδιαίτερα το τελευταίο χαρακτηριστικό απαντάται σε άλλοτε αγροτικές περιοχές που βιώνουν την αστικοποίηση λόγω της εξάπλωσης πόλεων με τις οποίες συνορεύουν . Αυτό ήταν και ο στόχος προς εξέταση από την παρούσα μελέτη: Η αναγνώριση αυτών των εγκαταλειμμένων καλλιεργούμενων γεωτεμαχίων με σύγχρονες μεθόδους. Η εγκατάλειψη της καλλιέργειας στις αστικές & περι-αστικές περιοχές είναι αποτέλεσμα πολλών παραγόντων σε διάφορες διαστάσεις και σε διάφορα επίπεδα (τοπικό, περιφερειακό, εθνικό).
Τέτοιοι είναι:

• Η κακή λειτουργία της αγοράς γης
• Η αδυναμία προσαρμογής του αστικού σχεδιασμού στις κοινωνικοοικονομικές αλλαγές
• Αλλαγές στις ζώνες δόμησης
• Κατακερματισμένα γήπεδα και ακατάλληλου σχήματος ιδίως σε περιοχές όπου οι μικροιδιοκτήτες πρέπει να ανταγωνιστούν μεγάλες επιχειρήσεις.

Στην Ευρώπη παράγοντες που συνηγορούν στην υπερ-τοπική και εθνική κλίμακας είναι :

• Μη αποδοτικές αγροτικές και εμπορικές πολιτικές μεταρρυθμίσεις
• Θεσμική και πολιτική αναταραχή λόγω πολιτικών αλλαγών (πρώην σοσιαλιστικές χώρες)
• Αλλαγή απασχόλησης των κατοίκων από τον πρωτογενή στον δευτερογενή και τον τριτογενή τομέα

Στις Μεσογειακές χώρες όπως η Ισπανία, η εγκατάλειψη εμφανίζεται εν αναμονή της μετατροπής μέσω του σχεδιασμού των καλλιεργούμενων εκτάσεων σε περιοχές που επιτρέπεται η δόμηση (πολεοδόμηση για την ακρίβεια) όπου πλέον δίνεται η μορφή αραιών οικισμών (Paül and Tonts, 2005).

Οι παραδοσιακές μέθοδοι για την εκτίμηση και την χαρτογράφηση των εγκαταλειμμένων περιοχών περιλαμβάνουν την άμεση παρατήρηση που μπορεί να είναι και κοστοβόρα αλλά και να απαιτεί ιδιαίτερη δουλειά πεδίου. Ειδικά για την μελέτη της εγκατάλειψης της γεωργικής γης τα τηλεπισκοπικά δεδομένα είναι ιδιαίτερα βολικά λόγω της χωρο-χρονικής δυναμικής των επιτελούμενων διεργασιών και της ικανότητας να διαχειριστούν σε διάφορες κλίμακες. Για παράδειγμα έχουν χρησιμοποιηθεί επιτυχώς δεδομένα μικρής χωρικής ανάλυσης 250 m & 1 km (MODIS) για την παρακολούθηση καλλιεργειών σε διηπειρωτική κλίμακα ή σε περιοχές όπου οι καλλιεργήσιμες εκτάσεις κυριαρχούν στο τοπίο.

Για την εκτίμηση των καλύψεων γης σε τοπική ή υπερ-τοπική κλίμακα χρειάζονται υψηλότερης χωρικής ανάλυσης εικόνες όπως του προγράμματος Landsat (30 m) που είναι μια αξιόπιστη πηγή δεδομένων καθώς επιτρέπει σε αρκετά καλή κλίμακα την χαρτογράφηση των εγκαταλειμμένων αγροτεμαχίων και επαγωγικά την παραγωγή ρυθμών εγκατάλειψης και την αναγνώριση των χωρικών αλλαγών. Μεγάλης σημασίας είναι η ύπαρξη δεδομένων διαφόρων εποχών για να επιτευχθεί η βέλτιστη ακρίβεια στην ταξινόμηση λόγω των αλλαγών στην βλάστηση. Η χαρτογράφηση εγκαταλειμμένης γης σε αστικό περιβάλλον μπορεί να αποδειχθεί πιο δύσκολη λόγω της διαφορετικής σύνθεσης της υπάρχουσας βλάστησης σε αντίθεση με τυπική γεωργική γη που παρουσιάζει πιο ομογενές φαινολογικό προφιλ. Η ετερογένεια αυτή μπορεί να κάνει την χαρτογράφηση και την παρακολούθηση των εγκαταλειμμένων περιοχών μια ιδιαίτερα επίπονη και κοστοβόρα διαδικασία στην συλλογή δεδομένων και την ανάλυση. Σκοπός της μελέτης ήταν η γρήγορη εκτίμηση με την χρήση χρονοσειράς πολύ-εποχικών δεδομένων Landsat. Οι στόχοι ήταν:

• α. να εκτιμηθεί η περίοδος της βλάστησης που είναι καταλληλότερη για την χαρτογράφηση της εγκαταλειμμένης γης
• β. να συγκεντρωθούν οι απαιτούμενες πληροφορίες για να ολοκληρωθεί η εκτίμηση.

Περιοχή μελέτης
Ως περιοχή μελέτης επιλέχθηκε το Βουκουρέστι, πρωτεύουσα της Ρουμανίας, που την τελευταία δεκαετία έχει επηρεαστεί ιδιαίτερα από τον κατακερματισμό του τοπίου και την εγκατάλειψη των γεωργικών εκτάσεων. Όχι μόνο εντός των διοικητικών ορίων της πόλης αλλά και στα προάστια αυτής η εγκατάλειψη έχει προέλθει από την προσδοκία επίτευξης μεγαλύτερων κερδών από την μετατροπή των γεωργικών περιοχών σε περιοχές κατοικιών και από άτομα στα κανάλια λήψης αποφάσεων.

Ως εγκαταλειμμένη για τις ανάγκες αυτής της μελέτης ορίζουμε την γη που εμφάνιζε χρήσεις είτε για καλλιέργεια είτε για βοσκή στο παρελθόν και παραμένει ανεκμετάλλευτη ή υπο μερική εκμετάλλευση για διάστημα τριών και άνω χρόνων. Όσον αφορά τους επιτόπιους ελέγχους ως εγκαταλειμμένα θεωρούνται τα γήπεδα που εμφανίζουν μη-διαχειριζόμενες λιβαδικές εκτάσεις ενώ μπορεί να περιέχουν αυτοφυή θαμνώδη χαμηλή βλάστηση.

Δορυφορικά δεδομένα – Προεπεξεργασία & NDVI
Χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 8 από το 2013 έως το 2018 χωρικής ανάλυσης 30 m . Οι σκηνές επιλέχθηκαν με κριτήρια: α) να καλύπτουν όλη την περίοδο της γεωργικής παραγωγής, β) να καλύπτουν τις εποχιακές μεταβολές των διαφορετικών τύπων κάλυψης γης, γ) να καλύπτουν όλη την έκταση της περιοχής μελέτης. Ο δείκτης Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) υπολογίστηκε και χρησιμοποιήθηκε για περαιτέρω ανάλυση καθώς είναι αντιπροσωπευτικός της υγείας της βλάστησης και της ζωντανής ποσότητας της βιομάζας, με τις υψηλές τιμές να υποδεικνύουν πυκνή πράσινη βλάστηση. Στο πλαίσιο της προεπεξεργασίας που έγινε σε δύο στάδια αφενός εξαιρέθηκαν τα υδάτινα σώματα, τα σύννεφα και οι σκιές τους με την εφαρμογή της μάσκας CF που παρέχεται μαζί με τα δεδομένα, και στην συνέχεια δημιουργήθηκε μια δεύτερη μάσκα για την αστική περιοχή που παράχθηκε με την χειροκίνητη ψηφιοποίηση των καλυμμένων εκτάσεων βασισμένη στον τοπογραφικό χάρτη της πόλης του Βουκουρεστίου (κλίμακας 1:25.000) και ορθοφωτοχάρτες ανάλυσης 5m που πάρθηκαν από την Εθνική υπηρεσία Κτηματολογίου της Ρουμανίας.

Δεδομένα Ταξινόμησης
Χρησιμοποιήθηκε μια μη-τυχαία μέθοδος δειγματοληψίας για να εντοπιστούν 113 σημεία εκπαίδευσης εντός της περιοχής μελέτης για ταξινόμηση κάνοντας χρήση των παρατηρήσεων πεδίου και ορθοφωτοχαρτών (5 m). Η συνδυασμένη μέθοδος προτιμήθηκε για την αντιμετώπιση προβλημάτων πρόσβασης σε ορισμένες περιοχές (ιδιωτικές περιουσίες, υψηλή βλάστηση κ.α) και ομοιόμορφη διασπορά των σημείων δειγματοληψίας. Η παραπάνω διαδικασία οδήγησε σε 23 διαφορετικά μοντέλα, το καθένα εκ των οποίων υπολογίστηκε 100 φορές και παράχθηκαν μέσες τιμές για την ακρίβεια τους.

Χάρτης εγκαταλειμμένης γης Τα αποτελέσματα των μοντέλων και επιθεωρήθηκαν και εξετάστηκαν οι τιμές ακρίβειας για κάθε ένα από τα μοντέλα και στην συνέχεια επιλέχθηκε αυτό με την υψηλότερη και οι αντίστοιχες εικόνες Landsat για να παραχθεί ο τελικός χάρτης των εγκαταλειμμένων περιοχών. Η επαλήθευση των χαρτών που παράχθηκαν έγινε με την συλλογή πολυγώνων ελέγχου από εικόνες πολύ υψηλής ανάλυσης QuickBird διαθέσιμες μέσω GoogleEarth™. Ψηφιοποιήθηκαν 645 πολύγωνα εγκαταλειμμένων εκτάσεων διαφόρων μεγεθών από 500 m2 έως 1.9 χ 106 m2 (διάμεση τιμή = 13.265 m2, μέση τιμή = 48.997 m2). Τα πολύγωνα καλύπτουν ~ 13% της περιοχής μελέτης και στην συνέχεια μετατράπηκαν σε χάρτη επιθέματος με χωρική ανάλυση 30 m για την αντιπαραβολή. Τέλος με βάση τις παρατηρήσεις πεδίου και την φωτοερμηνεία των χαρτών αναγνωρίστηκαν 2 περιπτώσεις εσφαλμένης ταξινόμησης. Αυτές ήταν οι πλευρές εκατέρωθεν του οδικού δικτύου που δεν είναι διαχειριζόμενες ως προς την βλάστηση και εγκαταλειμμένοι βοσκότοποι όπου υπάρχει κοντά στην επιφάνεια υπόγειος υδροφορέας.

Σύνοψη
Η συγκεκριμένη δημοσίευση παρουσιάζει μια απλή και γρήγορη μέθοδο για την χαρτογράφηση της εγκαταλλειμένης καλιεργούμενης γης σε πόλεις που επεκτείνονται. Τα αποτελέσματα έδειξαν ακρίβεια στην χαρτογράφηση μεγαλύτερη του 85% με χρήση δεδομένων Landsat όταν ληφθεί υπόψη η φαινολογία των φυτών. Τα δεδομένα Landsat διασφαλίζουν μια συνεπή προσέγγιση στην εκτίμηση της εγκαταλειμμένης γης διαμέσου του χώρου και του χρόνου. Η κάλυψη που προσφέρει ο δορυφόρος επιτρέπει την χαρτογράφηση μεγάλων περιοχών σε επίπεδο τοπικό αλλα και περιφέρειας ενώ αν και η χωρική ανάλυση μπορεί να μην θεωρείται πολύ υψηλή με τα σημερινά δεδομένα αλλά είναι σίγουρα επαρκής για το μέσο μέγεθος των γεωτεμαχίων.
Εναλλακτικά πολυφασματικές εικόνες του Sentinel-2 από την Ευρωπαική υπηρεσία διαστήματος μπορούν ανα εξεταστούν για την αναγνώριση εγκαταλλειμένης γης σε υψηλότερη χωρική ανάλυση (10 m). Παρόλα αυτά η διαθεσιμότητα δεδομένων (από το 2015 εως σήμερα) δεν επιτρέπει ακόμα την μακροχρόνια παρακολούθηση των μεταβολών. Εντός των Ευρωπαϊκών συνόρων, πολλές μελέτες έχουν εντοπίσει την αλληλεξάρτηση μεταξύ των αποφάσεων σχεδιασμού και της εγκατάλειψης γης. Περαιτέρω έρευνες μπορούν να εστιάσουν στην αναγνώριση και διατύπωση μέτρων προκειμένου να περιοριστεί η εγκατάλειψη της γης και να στηριχθεί η επιστροφή στην παραγωγή των ανενεργών γεωτεμαχίων.