Καταγραφή και Προσομοίωση της Αστικής Διάχυσης με Χρήση Τηλεπισκόπισης και Gis
Από RemoteSensing Wiki
Καταγραφή και Προσομοίωση της Αστικής Διάχυσης με Χρήση Τηλεπισκόπισης και Gis
Αντικείμενο Εφαρμογής: Μελέτη της αστικής διάχυσης μέσω της αλλαγής της δομημένης επιφάνειας και πρόβλεψη για την εξέλιξη του φαινομένου στη πόλη Ajmer της Ινδίας
Πρωτότυπος Τίτλος: Monitoring and modeling of urban sprawl using remote sensing and GIS techniques Συγγραφείς: Mahesh Kumar Jat (a), P.K. Garg (a), Deepak Khare (b), (a) Civil Engineering Department, I.I.T. Roorkee, India (b) Space WRDM, I.I.T. Roorkee, India
Πηγή: Elsevier, International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation 10 (2008) 26–43 [1]
Λέξεις Κλειδιά: GIS; Τηλεπισκόπηση; Αστικοποίηση; Χρήσεις Γης; Αστική Διάχυση
Περίληψη: Η συγκέντρωση ανθρώπων σε πυκνοκατοικημένες αστικές περιοχές, ιδίως στις αναπτυσσόμενες χώρες, οδηγεί σε φαινόμενα που απαιτούν τη χρήση συστημάτων παρακολούθησης τους, όπως η τηλεπισκόπιση. Τέτοια συστήματα, μαζί με τεχνικές χωρικής ανάλυσης όπως η ψηφιακή επεξεργασία εικόνας και τα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών (GIS), μπορούν να χρησιμοποιηθούν για παρακολούθηση και σχεδιασμό, αφού επιτρέπουν την καταγραφή της ολικής αστικής διάχυσης με λεπτομέρεια.
Στην παρούσα εργασία, μελετήθηκε η αστική διάχυση της πόλης Ajmer (που βρίσκεται στην πολιτεία Rajasthan της Ινδίας) σε μεσαία κλίμακα, για μια περίοδο 25 ετών (1977-2002), για να εξαχθούν πληροφορίες για το φαινόμενο, μέσω της χωρικής και χρονικής μεταβολής της επιφάνειας των αδιαπέραστων επιφανειών. Προσεγγίσεις στατιστικής ταξινόμησης χρησιμοποιήθηκαν για την ταξινόμηση των τηλεπισκοπικών εικόνων που λήφθηκαν από διάφορους αισθητήρες (Landsat MSS, TM, ΕΤΜ + και IRS LISS-III), και από τις ταξινομημένες εικόνες προέκυψαν τα χωρικά και χρονικά χαρακτηριστικά της αστικής διάχυσης στην περιοχή. Στη συνέχεια υπολογίστηκαν η εντροπία του Shannon και οι μετρήσεις ομοιογένειας και πυκνότητας, προκειμένου να ποσοτικοποιηθεί η αστική διάχυση. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν πολυδιάστατες στατιστικές τεχνικές για να καθορίσουν τη σχέση μεταξύ της αστικής διάχυσης και των αιτιωδών παραγόντων της. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ανάπτυξη της επιφάνειας (160,8%) της πόλης Ajmer είναι πάνω από τρεις φορές την αύξηση του πληθυσμού (50,1%). Η εντροπία του Shannon και οι τοπογραφικές μετρήσεις αποκάλυψαν τη χωρική κατανομή της αστικής διάχυσης σε μια περίοδο 25 ετών.
Εισαγωγή: Η επιταχυνόμενη αστική ανάπτυξη συσχετίζεται και καθορίζεται από τη συγκέντρωση του πληθυσμού σε μια περιοχή. Η έκταση της αστικοποίησης και η ανάπτυξή της οδηγεί σε αλλαγές χρήσης / κάλυψης γης, οι οποίες μπορεί να έχουν δυσμενείς επιπτώσεις στο περιβάλλον της περιοχής, ιδιαίτερα στην υδρογεωμορφολογία και στη βλάστηση. Ακριβείς πληροφορίες σχετικά με την έκταση της αστικής ανάπτυξης είναι απαραίτητες για τους δήμους των αναπτυσσόμενων αστικών και προαστιακών περιοχών για εφαρμογές στον πολεοδομικό σχεδιασμό, στη διαχείριση πόρων, στην ανάλυση μάρκετινγκ, στην εξυπηρέτηση, κατανομή κλπ.
Η παρακολούθηση της αστικής διάχυσης και η πρόβλεψη της εξέλιξης της είναι οι βασικές πληροφορίες που χρειάζονται για μακροπρόθεσμη αστική σχεδίαση. Οι συμβατικές μετρήσεις και τεχνικές χαρτογράφησης για την παροχή τέτοιων πληροφοριών είναι δαπανηρές και χρονοβόρες και δεν είναι διαθέσιμες για τα περισσότερα αστικά κέντρα, ειδικά στις αναπτυσσόμενες χώρες. Η τηλεπισκόπηση είναι οικονομικά αποδοτική και τεχνολογικά άρτια, έτσι χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο για την ανάλυση της αστικής διάχυσης. Οι μέχρι τώρα μελέτες έχουν υποστηριχθεί είτε μέσω σύγκρισης εικόνων είτε μέσω σύγκρισης μεταταξινόμημενων εικόνων.
Η αδιαπέραστη (δομημένη) επιφάνεια θεωρείται γενικά ως παράμετρος για την ποσοτικοποίηση της αστικής διάχυσης. Εδώ, η αδιαπέραστη επιφάνεια αναφέρεται σε μια περιοχή που αποτελείται από οικιστικά, εμπορικά, βιομηχανικά συγκροτήματα, συμπεριλαμβανομένων των πλακόστρωτων δρόμων, των δρόμων, των αγορών κλπ. Υπάρχουν διάφορες τεχνικές που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση /εκτίμηση των αδιαπέραστων επιφανειών. Η προσέγγιση αναγνώρισης προτύπων μέσω τηλεπισκόπησης, όπως π.χ. ταξινόμηση επιβλεπόμενη, μη επιβλεπόμενη και βάση γνώσης για την περιοχή, απαιτεί μέτρια έως υψηλή ανάλυση εικόνας καθώς και κάποιον ειδικό για να αναλύσει τα αποτελέσματα.
Στατιστικές τεχνικές σε συνδυασμό με δεδομένα τηλεπισκόπησης και GIS έχουν χρησιμοποιηθεί σε πολλές αστικές μελέτες. Ο χαρακτηρισμός των προτύπων αστικής εξάπλωσης περιλαμβάνει την ανίχνευση και ποσοτικοποίηση με τις κατάλληλες κλίμακες καθώς και την αναπαράσταση του φαινομένου με όρους στατιστικών παραμέτρων και δεικτών όπως η εντροπία Shannon ,η ανομοιογένεια, κλπ. Παρά τις διάφορες προσπάθειες, απαιτείται περαιτέρω έρευνα προκειμένου να ενισχυθεί η απόλυτη και συγκριτική σχέση μεταξύ του μεγέθους της αλλαγής χρήσεων/καλύψεων γης και της διαπερατότητας, του τύπου και της έντασης των αλλαγών και των αιτιωδών παραγόντων τους.
Στην Ινδία, σήμερα το 25,73% του πληθυσμού ζει σε αστικά κέντρα, ενώ τα επόμενα 15 χρόνια προβλέπεται να ανέλθει στο 33%. Σε αυτή την έρευνα, έγινε προσπάθεια διερεύνησης της χρησιμότητας των χωρικών τεχνικών, όπως η τηλεπισκόπηση και τα GIS για την ανίχνευση της αστικής διάχυσης της πόλης Ajmer και τον χειρισμό της χωρικής και χρονικής μεταβλητότητας της. Το φαινόμενο εκτιμήθηκε για ένα διάστημα 25 χρόνων με τη χρήση τηλεπισκοπικών απεικονίσεων οκτώ διαφορετικών ετών που κυμαίνονται από το 1977 έως το 2002. Χωρικές και χρονικές παραλλαγές του φαινομένου μελετώνται για να δημιουργηθεί μια σχέση μεταξύ αστικής διάχυσης και ορισμένων παραγόντων που την προκαλούν, όπως ο πληθυσμός, η πυκνότητα του πληθυσμού, η πυκνότητα της δόμησης κτλ.
Περιοχή μελέτης: Το Ajmer απέχει 132χλμ. από το Jaipur, πρωτεύουσα του Rajasthan (Ινδία) και είναι ένα από τα πιο μεγάλα κέντρα ανώτερης και εξειδικευμένης εκπαίδευσης στο Rajasthan. Ο πληθυσμός του Ajmer ήταν 0,49 εκατομμύρια το 2001, και αναμένεται να φτάσει τα 0,84 εκατομμύρια το 2034, σύμφωνα με τον τρέχοντα ρυθμό ανάπτυξης.
Δεδομένα Έρευνας: Τα δεδομένα συλλέχθηκαν από πρωτογενείς και δευτερογενείς πηγές δεδομένων (Πίνακας 1). Τα δεδομένα που συλλέγονται από τις πρωτογενείς πηγές περιλαμβάνουν τοπογραφικούς χάρτες (κλίμακα 1: 25.000) και πολυφασματικές απεικονίσεις των Landsat MSS, TM,ETM + και IRS LISS-III για τα έτη 1977, 1989, 2000 και 2002. Τα δεδομένα από δευτερεύουσες πηγές περιλαμβάνουν τα δημογραφικά δεδομένα (απογραφή 1961 , 1971, 1981, 1991 και 2001), τον πληθυσμό ανά περιοχή της πόλης (έτος 2001) και τον χάρτη των οικοδομημάτων (κλίμακα, 1: 2500, έτος 2000). Άλλοι χάρτες , όπως ο χάρτης των περιοχών, ο χάρτης των δημοτικών ορίων, της αποχέτευσης και το γενικό πολεοδομικό σχέδιο έχουν ληφθεί από το Τμήμα Πολεοδομίας της πόλης. Αυτή η επεξεργασία έχει ως αποτέλεσμα μια ακολουθία με ενδιάμεσες καταστάσεις, με αυξανόμενη διαφοροποίηση της ταξινόμησης και της εξαγωγής πληροφοριών από τις αρχικές εικόνες. Το αποτέλεσμα μιας τέτοιας διαδικασίας δεν είναι μόνο μια χωρική συνάθροιση εικονοστοιχείων σε περιοχές της εικόνας, αλλά και μια χωρική και σημασιολογική δομή του περιεχομένου της εικόνας.
Μεθοδολογία: Χρησιμοποιήθηκαν τα λογισμικά ERDAS (Leica) και ArcGIS (ESRI) για τη δημιουργία διαφόρων θεματικά επιπέδων, όπως ο χάρτης των χωριών, και των ορίων τους, των δρόμων, του σιδηροδρομικού δικτύου και των διοικητικών ορίων. Διενεργήθηκαν οι τυπικές τεχνικές επεξεργασίας εικόνας, όπως π.χ. εξαγωγή εικόνας, διόρθωση, αποκατάσταση και ταξινόμηση για την ανάλυση των τεσσάρων δορυφόρων εικόνες (1977, 1989, 2000 και 2002)(Εικ.1) . Πρώτα, εφαρμόστηκε ατμοσφαιρική διόρθωση στις δορυφορικές απεικονίσεις με χρήση βελτιωμένης μεθόδου αφαίρεσης σκοτεινού αντικειμένου για να φέρει όλα τις εικόνες σε κοινά φασματικά χαρακτηριστικά αναφοράς. Οι υδάτινες επιφάνειες στις περιοχές χρησιμοποιήθηκαν ως σκοτεινό αντικείμενο. Οι εικόνες γεωαναφέρθηκαν και διορθώθηκαν γεωμετρικά, με βάση το προβολικό σύστημα Polyconic, χρησιμοποιώντας τους τοπογραφικούς χάρτες της πολεοδομίας.
Οι δορυφορικές εικόνες έχουν μελετηθεί πλήρως, για να εξακριβωθούν οι πιθανές κατηγορίες χρήσεων γης και το αντίστοιχο εύρος τιμών ανακλαστικότητας (τιμές DN). Σχεδιάστηκαν τα φασματικά προφίλ για να εξακριβωθεί η διακριτότητα τους και οι σχετικές διαφορές στις τιμές των εικονοστοιχείων των διαφορετικών κατηγοριών χρήσης γης σε διαφορετικές φασματικές ζώνες. Προσδιορίστηκαν δέκα χωριστές κατηγορίες χρήσης γης, όπως αστικός οικισμός, άγονες εκτάσεις, νερό, αμμώδες έδαφος, πετρώδες έδαφος, εκτεθειμένοι βράχοι, θάμνοι, μεικτή βλάστηση, αγρανάπαυση, κλπ.
Αρχικά, διενεργήθηκε εποπτευόμενη ταξινόμηση με χρήση του αλγόριθμου MLC, για την ταξινόμηση των εικόνων .Για να βελτιωθεί η ακρίβεια της ταξινόμησης, ο αλγόριθμος εκπαιδεύτηκε επιβλεπόμενα, μετά τη συλλογή των παραμετρικών και μη παραμετρικών υπογραφών (δείγματα εκπαίδευσης). Κάθε εκπαιδευόμενο δείγμα αποτελείτο από τουλάχιστον 90 εικονοστοιχεία που ικανοποιούν το κριτήριο 10n, όπου n είναι ο αριθμός των χρησιμοποιούμενων καναλιών για ταξινόμηση. Οι υπογραφές αξιολογηθήκαν περαιτέρω για να ελεγχθεί εάν αντιπροσωπεύουν πραγματικά τα εικονοστοιχεία που πρέπει να ταξινομηθούν για κάθε κατηγορία. Για την αξιολόγηση έγιναν οι παρακάτω ενέργειες:
(i) δημιουργήθηκαν τα ιστογράμματα για την εξέταση διαφόρων στατιστικών παραμέτρων, όπως η τυπική απόκλιση και η μοναδικότητα του καθενός, (ii) ελέγχθηκε η δυνατότητα διαχωρισμού των υπογραφών μετασχηματισμένης απόκλισης (TD) (Πίνακας 2) και (iii) δημιουργήθηκε πίνακας συσχέτισης, που περιέχει τον αριθμό και το ποσοστό των εικονοστοιχείων που ταξινομούνται όπως αναμένεται.
Μετά την αξιολόγηση, επιλέχθηκαν τα φασματικά κανάλια με καλή διακριτότητα (με την υψηλότερη τιμή TD) για την τελική ταξινόμηση. Χρησιμοποιήθηκαν διάφορες τεχνικές για να απομακρυνθεί η σκιά λόγω αναγλύφου, αλλά δεν παρατηρήθηκε σημαντική βελτίωση. Τα αποτελέσματα της επιβλεπόμενης ταξινόμησης δεν θεωρούνται ικανοποιητικά, αφού εσφαλμένη ταξινόμηση παρατηρήθηκε για την κατηγορία αστικός οικισμός (81,7-89,9%), εκτεθειμένοι βράχοι (88,2-92%) και βραχώδες έδαφος (75-96,8%), κάτι που τεκμηριώνεται από τη συνολική μείωση της ακρίβειας (81,7-84,7%).
Στο δεύτερο στάδιο, χρησιμοποιήθηκε ένα σύστημα βασισμένο στη γνώση για μετάταξινόμηση των απεικονίσεων. Συμπληρωματικές πληροφορίες από διάφορες πηγές ενσωματώθηκαν στις εξόδους του MLC για την προετοιμασία της βάσης γνώσεων (βάση κανόνων),η οποία βελτιώθηκε από δεδομένα εδάφους. Τέλος, η ταξινόμηση έγινε χρησιμοποιώντας τη μονάδας ταξινόμησης γνώσης του ERDAS. Τα ταξινομημένα αποτελέσματα των εικόνων έχουν βρεθεί ικανοποιητικά, με μεγαλύτερη συνολική ακρίβεια άνω του 94%, και παρουσιάζονται στο σχήμα 3. Επιπλέον, οι ταξινομημένες εικόνες επαληθεύτηκα χρησιμοποιώντας δεδομένα εδάφους και διαθέσιμους χάρτες από διάφορες υπηρεσίες.
Η ακρίβεια της ταξινόμησης αξιολογείται χρησιμοποιώντας ένα σύνολο δείγματος μεγαλύτερο από 300 τυχαία επιλεγμένα εικονοστοιχεία. Οι χρήσεις γης για αυτά τα εικονοστοιχεία προσδιορίστηκαν με τη χρήση χάρτη αστικών οικισμών (που καταρτίστηκε από την εναέρια έρευνα που διενεργήθηκε κατά το έτος 1999), καθώς και από δεδομένα που συλλέχθηκαν από άλλους χάρτες .Το αρχικά δορυφορικά δεδομένα έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση της ακρίβειας, για την αποφυγή σφαλμάτων στο σύνολο των δεδομένων αναφοράς για προσωρινές κατηγορίες (όπως η βλάστηση). Η ταξινόμηση των παλαιότερες απεικονίσεων (1977, 1989) έγινε χρησιμοποιώντας τις γεωγραφικές θέσεις ορισμένων σημαντικών χαρακτηριστικών, όπως οι κατοικημένες περιοχές, το είδος της βλάστησης σε συγκεκριμένη θέση, σημαντικά κτίρια, χώρους παιχνιδιού, υδάτινα σώματα κ.λπ. Επιπλέον, υπολογίστηκε ο συντελεστής Kappa, χρησιμοποιώντας το ERDAS.
Η αστική ανάπτυξη για μια περίοδο 25 ετών (1977-2002) λαμβάνεται από τις ταξινομημένες εικόνες τηλεπισκόπησης και τα αποτελέσματα συγκρίνονται με τους χάρτες των οικισμών. Για να κατανοηθεί το πρότυπο εξάπλωσης, διενεργήθηκαν διαφορετικές μετρήσεις χρησιμοποιώντας τα δημογραφικά στοιχεία και τα στοιχεία δόμησης για τις αστικές περιοχές. Οι τάσεις δημογραφικής ανάπτυξης υπολογίζονται με το σχεδιασμό των δεδομένων με διαφορετικές κατανομές, όπως γραμμική, λογαριθμική, εκθετική και πολυώνυμικη .Η δυναμική της αστικής διάχυσης αναλύθηκε με βάση ορισμένους από τους βασικούς αιτιολογικούς παράγοντες, όπως ο πληθυσμός (Ρ), η πυκνότητα πληθυσμού (PD),η πληθυσμιακή πυκνότητα για τις δομημένες περιοχές (aD) και ο ρυθμός αύξησης του πληθυσμού (PAGR).
Πραγματοποιήθηκε πολυδιάστατη ανάλυση παλινδρόμησης λαμβάνοντας υπόψη την αστική εξάπλωση σε σχέση με το ποσοστό της αδιαπέραστης περιοχής (PB). Ανάλυση παλινδρόμησης έγινε και για δύο περιπτώσεις που αφορούν την αστική περιοχή (i) στο σύνολό της και (ii) σε επίπεδο χωρίου (μόνο για το έτος 2000). Εδώ το χωρίο αναφέρεται στο χωρικό μέγεθος μιας αναπτυξιακής μονάδας ή ζώνης, , δηλαδή σε μια γεωγραφική περιοχή που ορίζεται από τις αρχές τοπικής ανάπτυξης για σχεδιαστικούς και διοικητικούς σκοπούς. Ο πληθυσμός ορίζεται ως ο βασικός παράγοντας της αστικής εξάπλωσης. Ο πληθυσμός για τα έτη μεταξύ των απογραφών έχει ληφθεί από τμηματική γραμμική παρεμβολή και προσαρμοσμένη εξίσωση παλινδρόμησης . Προκειμένου να προσδιοριστεί η πιθανή σχέση της ΡΒ με τους μεμονωμένους αιτιολογικούς παράγοντες, εξετάστηκαν διαφορετικές κατανομές (γραμμική, τετραγωνική, εκθετική και λογαριθμική). Η ανάλυση παλινδρόμησης αποκαλύπτει τη μεμονωμένη συνεισφορά του κάθε παράγοντα στην αστική εξάπλωση. Για να εκτιμηθεί η σωρευτική επίδραση των παραγόντων, διενεργείται έλεγχος πολυδιάστατης παλινδρόμησης κατά βήματα, όπου θεωρείται ότι η σχέση μεταξύ των μεταβλητών είναι γραμμική.
Αποτελέσματα:
-Ανάλυση Εικόνας: Tα αποτελέσματα της διακριτότητας των υπογραφών (Πίνακας 1) δίνονται με τη μορφή τιμών TD, που βρίσκονται μέσα στα αποδεκτά όρια (TD> 1900). Οι ελάχιστες τιμές TD κυμαίνονται μεταξύ 1748 και 1993 (Πίνακας 1). Για την επιβλεπόμενη ταξινόμηση επιλέχθηκαν οι καλύτεροι συνδυασμοί καναλιών, που αντιστοιχούν στις υψηλότερες τιμές της TD.Από τα κριτήρια αξιολόγησης της διακριτότητας, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι οι υπογραφές είναι αρκετά καλές, αν και μπορεί να αντιπροσωπεύουν ένα μικρό εύρος τιμών ανάκλασης για κάθε χρήση. Η διακριτότητα είναι ελαφρώς κακή για την κατηγορία αστικός οικισμός καθώς αναμειγνύεται με βραχώδες έδαφος, εκτεθειμένους βράχους και υγρό αλλουβιακού εδάφους. Αυτή η ανάμειξη οφείλεται στον ετερογενή χαρακτήρα των αστικών περιοχών και της γύρω λοφώδους τοπογραφίας. Για όλες τις εικόνες, τα αποτελέσματα της αξιολόγησης ακρίβειας παρουσιάζονται στον Πίνακα 2. Τα αποτελέσματα βασισμένα σε κανόνες δίνουν μια καλή συνολική ακρίβεια. Η συνολική ακρίβεια ταξινόμησης βρέθηκε άνω του 90% για όλες τις εικόνες (Πίνακας 2). Υψηλότερη επετεύχθηκε (94,9%) για την εικόνα LISS-III του έτους 2002, ενώ η ακρίβεια ήταν 94,0% για την εικόνα LandsatTM του έτους 1989.
-Αύξηση του πληθυσμού και της δομημένης επιφάνειας: Το τετραγωνικό μοντέλο βρέθηκε ως το καταλληλότερο για την αύξηση του πληθυσμού της πόλης Ajmer. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε η ακόλουθη σχέση για τη μελλοντική πρόβλεψη του πληθυσμού: P =1. 7556x² + 55.087x+ 168. 220 (1) όπου P είναι ο πληθυσμός σε χιλιάδες και x τα χρόνια σε δεκαετίες (1961 και μετά). Η αστική διάχυση για τα έτη 1977, 1989, 2000 και το 2002 εκτιμήθηκε με τη μορφή των αδιαπέραστων επιφανειών, η οποία λαμβάνεται από τις ταξινομημένες δορυφορικές εικόνες. Η δομημένη έκταση που προκύπτει από την ταξινόμηση μπορεί να έχει κάποιο σφάλμα λόγω μεικτών χρήσεων ανά εικονοστοιχείο. Ο αλγόριθμος ταξινόμησης MLC αντιστοιχεί ένα συγκεκριμένο εικονοστοιχείο σε μια συγκεκριμένη χρήση ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της ανάκλασης . Στην παρούσα μελέτη, χρησιμοποιήθηκε επιβλεπόμενη ταξινόμηση, η οποία δεν εξετάζει υπό- ταξινόμηση ανά pixel. Για την εικόνα LISS-III του έτους 2002 έχει επιτευχθεί ακρίβεια 94,9% , ενώ για την εικόνα LandsatTM του έτους 1989 η ακρίβεια είναι 94,0%. Η αδιαπέραστη περιοχή (δομημένη) αυξήθηκε από 488 εκτάρια το 977 σε 1259 εκτάρια το 2002. Από το 1977 έως το 2002, ο πληθυσμός στην περιοχή αυξήθηκε κατά περίπου 50,2% ενώ η έκταση της δομημένης επιφάνειας αυξήθηκε περίπου 160,8%.Αυτό συνεπάγεται ότι η γη χρησιμοποιείται με ταχύτερους ρυθμούς, ενώ παρατηρείται ότι η αστική διάχυση είναι ταχύτερη στα εξωτερικά όρια της περιοχή ,κατά μήκος των μεγάλων δρόμων.
-Υπολογισμοί της Αστικής Διάχυσης:
- Εντροπία του Shannon(Hn)
Η εντροπία του Shannon (Hn) χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του βαθμού χωρικής συγκέντρωσης ή διασποράς (ομοιογένεια) μιας γεωφυσικής μεταβλητής (αδιαπέραστη περιοχή) μεταξύ n χωρικών μονάδων / ζωνών (χωρία). Ο χάρτης των χωρίων της πόλης θεωρείται ως βάση για την αξιολόγηση του μοντέλου αστικής εξάπλωσης από το έτος 1977 έως το 2002. Η εντροπία του Shannon (Hn) δίνεται από τον παρακάτω τύπο Ηn=∑▒〖Pi*logₑ(Pi)〗 (2) όπου Pi είναι το ποσοστό αδιαπέραστης επιφάνειας στο ι-οστό χωρίο, n είναι ο συνολικός αριθμός των χωρίων (55) και το logn αναφέρεται στο άνω όριο της εντροπίας (1.7403). Η εντροπία κυμαίνεται από 0 έως log n, υποδεικνύοντας μια συμπαγή κατανομή του φαινομένου για τιμές κοντά στο μηδέν, και διασκορπισμένη κατανομή για τιμές κοντά στο log n. Η εντροπία του Shannon για τις 4 χρονιές (1977, 1989, 2000 και 2002) παρουσιάζεται στον Πίνακα 3. Η κατανομή είναι κυρίως διασκορπισμένη στις εξωτερικές περιοχές, ενώ είναι συμπαγής στις περιοχές γύρω από το κέντρο του Ajmer. Από αυτό μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η εντροπία του Shannon είναι χρήσιμη και αποτελεσματική στην αναγνώριση του φαινομένου της αστικής διάχυσης στην περιοχή.
-Ανομοιογένεια: Ανομοιογένεια είναι ο αριθμός των διαφορετικές χρήσεων γης μέσα σε ένα nxn παράθυρο. Είναι ένα μέτρο της ποικιλομορφίας όλων των τάξεων χρήσης γης. Στη μελέτη αυτή, ο αριθμός των επιφανειών διαφορετικής κατηγορίας χρήσης γης έχει υπολογιστεί με τη μετακίνηση ενός 5x5 πυρήνα στην ταξινομημένη εικόνα χρησιμοποιώντας ένα πρόγραμμα δημιουργίας μοντέλου του λογισμικού ERDAS .Υπάρχουν 10 κατηγορίες χρήσεων γης στις περισσότερες εικόνες, που είναι μεγαλύτερος αριθμός από τον αριθμό των εικονοστοιχείων σε έναn 3x3 πυρήνα. Επομένως, χρησιμοποιήθηκε ο πυρήνας των 5x5 εικονοστοιχείων. Η ποικιλομορφία των χρήσεων γης ανά χωρίο, σε ποσοστά, για τα διάφορα έτη παρουσιάζεται στην Εικ.2. Τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν ότι η ποικιλομορφία κυμαίνεται από 1 έως 7 κατηγορίες χρήσης γης. Η ποικιλομορφία του τοπίου είναι μεγαλύτερη για το 2000,σε σχέση με το 2002. Η ομοιογενής περιοχή μειώθηκε σταδιακά από το 1977,ενώ η υπόλοιπη περιοχή είναι ετερογενής. Η αλλαγή στις τιμές της ομοιογένειας με το χρόνο δείχνει ότι η ποικιλομορφία ενός τύπου χρήσης γης έχει αυξηθεί, πράγμα που σημαίνει ότι κάποια άλλη χρήση έχει αλλάξει σε αυτόν τον τύπο.
-Πυκνότητα Χάρτη: Η πυκνότητα χάρτη είναι ένας άλλος δείκτης ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εξετάσει την ομοιογένεια / διασπορά οποιουδήποτε χωρικού φαινόμενου, όπως η αστικοποίηση. Οι τιμές πυκνότητας χάρτη υπολογίζονται με τον προσδιορισμό του αριθμού των εικονοστοιχείων αδιαπέραστων επιφανειών σε ένα σύνολο εικονοστοιχείων ενός πυρήνα 5x5. Όταν ο πυρήνας αυτός εφαρμόζεται σε μια ταξινομημένη δορυφορική εικόνα, μετατρέπει τις τάξεις χρήσης γης σε 25 τάξεις πυκνότητας. Για παράδειγμα, η τιμή πυκνότητας 5 για ένα εικονοστοιχείο αντιπροσωπεύει 5 αδιαπέραστα εικονοστοιχεία σε μια περιοχής 5 x 5 εικονοστοιχείων. Ανάλογα με τα επίπεδα πυκνότητας, κάθε τάξη χρήσης γης κατατάσσεται περαιτέρω σε πέντε κατηγορίες, χρησιμοποιώντας ισαπέχοντα διαστήματα ,ως πολύ χαμηλή, χαμηλή, μεσαία, υψηλή και πολύ υψηλή πυκνότητα, καθεμία αντιστοιχεί στην τιμή πυκνότητας 5, 10, 15,20 και πάνω από 20.Στη συνέχεια υπολογίστηκαν τα σχετικά ποσοστά κάθε πυκνότητας σε συγκεκριμένη κατηγορία για κάθε έτος, κάτι που επέτρεψε την αναγνώριση των επίκεντρων της αστικής διάχυσης. Τα αποτελέσματα συσχετίστηκαν με την εντροπία του Shannon.
Τα αποτελέσματα της πυκνοκατοικημένης / αδιαπέραστης πυκνότητας παρουσιάζονται στην Εικ.3. Οι μεταταξινομημένες κατηγορίες πυκνότητας παρουσιάζονται στον Πίνακα 4.Τα ποσοστά της συμπαγούς και πολύ υψηλής πυκνότητας των δομημένων περιοχών έχουν μειωθεί, κάτι που υποδεικνύει διασπορά, αυτό δε σημαίνει ότι οι αδιαπέραστες περιοχές έχουν μειωθεί, αλλά ότι η σχετική συνεισφορά τους στην ολική επιφάνεια έχει μειωθεί. Η Εικ. 3 δείχνει ότι περισσότερη ανάπτυξη έχει σημειωθεί στα εξωτερικά χωρία της περιοχής κατά μήκος των μεγάλων δρόμων και του σιδηροδρομικού δικτύου. Το μεγαλύτερο μέρος όμως της υψηλής πυκνότητας βρίσκεται στο κεντρικό τμήμα της πόλης. Επιπλέον, τα αποτελέσματα τεκμηριώνονται από την εντροπία του Shannon, που αποκαλύπτει μια αστική εξάπλωση στην περιφέρεια της περιοχής.
Αρχικά, έγινε ανάλυση παλινδρόμησης λαμβάνοντας υπόψη μεμονωμένα τον κάθε αιτιολογικό παράγοντα για να διαπιστωθεί η σημασία του καθενός στην αστική διάχυση. Η σχέση μεταξύ ΡΒ και Ρ βρέθηκε τετραγωνική. Η σχέση μεταξύ PB και PD γραμμική και μεταξύ PB και PAGR επίσης τετραγωνική. Η γραμμική ανάλυση και οι αναλύσεις τετραγωνικής παλινδρόμησης αποκαλύπτουν ότι ο πληθυσμός και η πυκνότητα του πληθυσμού έχουν σημαντική επίδραση στην ΡΒ. Οι αναλύσεις τετραγωνικής παλινδρόμησης αποκάλυψαν ότι το aD και το PAGR διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στο φαινόμενο της αστικής εξάπλωσης. Η ανάλυση του νόμου των δυνάμεων αποκαλύπτει ότι η πυκνότητα του πληθυσμού έχει επηρεάσει το φαινόμενο , κάτι που είναι εμφανές από την αξία του εκθέτη.
-Πρόβλεψη Εξέλιξης Πληθυσμο: Για την πρόβλεψη του πληθυσμού χρησιμοποιήθηκαν οι παρακάτω σχέσεις:
- Περίπτωση Ι : για ολόκληρη την περιοχή
PB= 0.3564 PD – 0.00688aD- 3.504 (R= 0.998,F = 2.62E-5, S.E. = 0.49) (3) PB = -3.1E-05P + 0.6854PD - 8.4E-05PGR - 9.610 (R = 0.99) (4)
- Περίπτωση II: για κάθε χωρίο
PB = -0.00395P + 0.09524PD - 0.01144aD + 59.058 (R = 0.87, F = 2.25E-15, S.E. = 16.6) (5)
Για την περίπτωση Ι ως καταλληλότερη (υψηλότερη συσχέτιση, χαμηλότερο τυπικό σφάλμα και χαμηλότερο συντελεστή σημασίας F) επιλέχθηκε η (3). Οι σχέσεις (3)–(5) επιβεβαιώνουν ότι οι αιτιολογικοί παράγοντες παίζουν σημαντικό ρόλο στην αστική διάχυση.
-Σενάρια Πρόβλεψης Αστικής Διάχυσης: Η αστική διάχυση του Ajmer προβλέφθηκε χρησιμοποιώντας τη σχέση της περίπτωσης I. Πιθανή αύξηση των αδιαπέραστων περιοχών προβλέπεται μέσω της (4) . Για να προβλεφθεί η αδιαπέραστη περιοχή από το 2011 έως το 2041,ο αντίστοιχος πληθυσμός υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την (1). Εκτιμάται ότι το ποσοστό της δομημένης επιφάνειας για το 2011 και το 2051 θα είναι 17,9% και 33,9% αντίστοιχα (Εικ. 4). Αυτό σημαίνει ότι μέχρι το έτος 2051, η κατοικημένη περιοχή στα δημοτικά όρια θα ανέρχεται σε 2889 εκτάρια, τα οποία είναι περίπου 129,3% περισσότερο από την οικιστική δόμηση (1259 εκτάρια) για το 2002.
Συμπεράσματα: Η τεχνολογία τηλεπισκόπησης είναι απαραίτητη για τη μελέτη δυναμικών φαινόμενων, όπως η αστική διάχυση. Χωρίς τα δεδομένα απομακρυσμένης ανίχνευσης, η παρακολούθηση και η εκτίμηση την αστική εξάπλωση από ένα χρονικό διάστημα και πέρα , δεν είναι δυνατές, ειδικά για χρονικό διάστημα που έχει παρέλθει. Η χωρική και χρονική μεταβλητότητα των χρήσεων/καλύψεων γης απαιτεί δεδομένα τηλεπισκόπησης. Στην παρούσα μελέτη, οι οικιστικές περιοχές καθορίστηκαν για μια περίοδο 25 ετών, κάτι που δεν θα ήταν δυνατό χωρίς τη χρήση δεδομένων τηλεπισκόπησης. Οι τοπογραφικές μετρήσεις έχουν υπολογιστεί με τη χρήση δορυφορικών εικόνων ως μέσο κατανόησης της μορφής και της χωρικής κατανομής της αστικής διάχυσης.
Βρέθηκε ότι η μεταβολή στην οικιστική ανάπτυξη κατά τη διάρκεια 25 ετών είναι 160,8% και μέχρι το έτος 2051 η κατοικημένη περιοχή στην περιοχή θα ανέρχεται σε 2889 εκτάρια, που θα είναι σχεδόν κατά 129,3% περισσότερο από την έκταση των 1259 εκταρίων του 2002.Ο ρυθμός αστικής εξάπλωσης θα είναι περίπου διπλάσιος της αύξησης του πληθυσμού, προβλεπόμενος με βάση την τρέχουσα τάση. Επιπλέον, άλλοι αιτιολογικοί παράγοντες, όπως οι κοινωνικό-οικονομικό-κρατικές επενδύσεις για τον δημόσιο τομέα, η τάση εκβιομηχάνισης, οι τουριστικές δραστηριότητες, τα φυσικά εμπόδια και οι αποστάσεις από σημαντικές τοποθεσίες μπορεί επίσης να εξετασθούν για τη μοντελοποίηση της αστικής διάχυσης από μελλοντικές ερευνητικές εργασίες
