Ποσοτικοποίηση της αστικής ανάπτυξης σε 10 μετα-σοβιετικές πόλεις χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat και μηχανική μάθηση

Από RemoteSensing Wiki

Quantifying urban growth in 10 post-Soviet cities using Landsat data and machine learning

Σύνδεσμος: https://doi.org/10.1080/01431161.2018.1490975

Συγγραφέας: Armen Poghosyan

Εκδόθηκε: International Journal of Remote Sensing, 39:23, 8688-8702

Περίληψη

Η αστικοποίηση αποτελεί μία από τις πιο μη αναστρέψιμες ανθρωπογενείς μορφές της χρήσης του εδάφους. Η απρογραμμάτιστη και ταχεία ανάπτυξη των αστικών κέντρων μπορεί να οδηγήσει σε υποβάθμιση του περιβάλλοντος, εξάπλωση και μη βιώσιμες πρακτικές παραγωγής και κατανάλωσης. Καθ όλη τη διάρκεια της μεταβατικής περιόδου που αντιμετωπίζουν οι μετασοβιετικές χώρες υπογραμμίζουν την ανάγκη για μια ποσοτική εκτίμηση της αστικής δυναμικής. Αφού χρησιμοποιήθηκαν 3ής δορυφορικές εικόνες Landsat και μελετήθηκαν 10 πόλεις για το έτος 1989, 2000 και 2015 τα αποτελέσματα έδειξαν πολλά χωρικά αστικά μοντέλα επέκτασης σε όλη τη μετασοβιετική περιοχή κατά το τελευταίο τέταρτο του αιώνα, υποδηλώνοντας ένα πιο εκτεταμένο πρότυπο αστικής ανάπτυξης.

Εισαγωγή

Σήμερα η πλειοψηφία του παγκόσμιου πληθυσμού ζει σε αστικό περιβάλλον, στα μέσα του εικοστού αιώνα λιγότερο από το ένα τρίτο του παγκόσμιου πληθυσμού ζούσε σε αστικά περιβάλλοντα, αλλά το ποσοστό αυτό αυξανόταν συνεχώς και το 2007 ο αστικός πληθυσμός ξεπέρασε τον αγροτικό πληθυσμό για πρώτη φορά. Η αστικοποίηση μεταβάλλει σημαντικά τη λειτουργία του φυσικού οικοσυστήματος από τοπική σε παγκόσμια κλίμακα επίσης η απρογραμμάτιστη και ταχεία αστική ανάπτυξη μπορεί να οδηγήσει σε περιβαλλοντική υποβάθμιση, και μη βιώσιμες πρακτικές παραγωγής και κατανάλωσης. Τις τελευταίες δυο δεκαετίες η τηλεπισκόπηση αναδείχθηκε ως επιστημονικό εργαλείο για την υποστήριξη του περιβαλλοντικά βιώσιμου αστικού σχεδιασμού και ανάπτυξης παγκοσμίως. Όμως καμία ολοκληρωμένη μελέτη δεν αξιοποίησε την τηλεπισκόπηση για να διερευνήσει την αστική ανάπτυξη σε ολόκληρη την περιοχή της Σοβιετικής Ένωσης. Η κατάρρευση της Σοβιετικής Ένωσης οδήγησε σε ένα πολύ περίπλοκο πολεοδομικό και αναπτυξιακό περιβάλλον επηρεασμένο από τα συμφέροντα διαφόρων ενδιαφερομένων. Το νέο κοινωνικοοικονομικό περιβάλλον οδήγησε στην ανεξέλεγκτη αστικοποίηση, τη κυκλοφοριακή συμφόρηση, τα υψηλά επίπεδα ρύπανσης και την τεράστια απώλεια χώρου πρασίνου. Ο στόχος αυτής της μελέτης είναι να ποσοτικοποιήσει τη χωρική και χρονική δυναμική της αστικοποίησης σε δέκα μετασοβιετικές πόλεις 9 χωρών τα τελευταία 25 χρόνια συνδυάζοντας τις τεχνικές τηλεπισκόπησης και της μηχανικής μάθησης χρησιμοποιώντας οικονομικές και δημογραφικές μετρήσεις.

Περιοχές μελέτης

Χάρτης της αστικής εξάπλωσης 10πόλεωναπότις 9 μετα-σοβιετικές χώρες. Η αστικές αλλαγές στο χάρτη 3(g) St. Petersburg είναι από τη χρονική περίοδο 1 εώς τη χρονική περίοδο 3 χωρίς το μεταβατικό βήμα. Η κίτρινη γραμμή στο χάρτη 3(j) Yerevan, αναπαριστά το σύνορο μεταξύ Αρμενίας και Τουρκίας.

Δεδομένα και μέθοδοι

Η περιοχή μελέτης αποτελείται από 10 πόλεις που κατανέμονται σε εννέα μεταπολεμικές δημοκρατίες. Η μεγαλύτερη πόλη με πληθυσμό άνω του ενός εκατομμυρίου ανθρώπων το 1990 επελέγη σε κάθε χώρα εκτός από τη Ρίγα και την Αγία Πετρούπολη. Συνολικά, η μελέτη περιλαμβάνει πόλεις με πληθυσμούς που κυμαίνονται λιγότερο από ένα εκατομμύριο έως περίπου 10 εκατομμύρια ανθρώπους που διανέμονται σε όλη την Ευρώπη και την Ασία. Καθορίστηκε το όριο κάθε πόλης με την προσθήκη ζώνης ασφαλείας 20 χιλιομέτρων γύρω από τον πυρήνα της πόλης, προκειμένου να συμπεριληφθούν τα αστικά προάστια και να ληφθούν υπόψη οι επακόλουθες αστικές επεκτάσεις. Χρησιμοποιήθηκαν 32 δορυφορικές είκονες Landsat 4 5 7 8 με ανάλυση 30 μ. Όλα τα δεδομένα Landsat 7 αποκτήθηκαν πριν από την αποτυχία του Scan Line Corrector το 2003. Τα δεδομένα Landsat διανεμήθηκαν σε τρία χρονικά βήματα: το 1989, το 2000 και το 2015. Τα χρονικά βήματα επιτρέπεται να διαφέρουν κατά ± 2 έτη βάσει της διαθεσιμότητας εικόνων υψηλής ποιότητας χωρίς σύννεφα. Χρησιμοποιήθηκε επίσης το κατά κεφαλήν ΑΕΠ κάθε πόλης για τις δυο τελευταίες δεκαετίες χωρίς να συμπεριληφθεί η πρώτη λόγο της μεταβατικής κοινωνικοοικονομικής περιόδου. Η κάλυψη γης σε κάθε πόλη ταξινομήθηκε σε τρεις διαφορετικές κατηγορίες, την αστική περιοχή “built-up”, το “νερό” και “άλλο” . Aντικείμενα που κατασκευάστηκαν από ανθρώπους όπως δρόμοι, κτίρια και χώροι στάθμευσης χαρακτηρίστηκαν ως ¨built-up¨ όλα τα υδάτινα σώματα όπως ποτάμια και λίμνες χαρακτηρίστηκαν ως ¨νερό¨ και οι περιοχές όπως τα δάση, τα αγροτικά πεδία, , το έδαφος και οι ανθρωπογενείς πράσινες περιοχές (γήπεδα και πάρκα γκολφ) ταξινομούνται ως “άλλα”. Η διαδικασία ταξινόμησης εικόνας περιελάμβανε ελάχιστη προ επεξεργασία, συμπεριλαμβανομένου του ελέγχου της γεωμετρικής ακρίβειας και της περικοπής της περιοχής ενδιαφέροντος, κατόπιν συγκρίθηκαν οι χάρτες που προέκυψαν για να ανιχνευθούν οι αλλαγές. Στη συνέχεια, τα δεδομένα κρύθηκαν με βάση την οπτική ερμηνεία του Landsat και του Google Earthimagery. Η συνολική ακρίβεια κυμάνθηκε από 87% έως 97% με μέσο όρο 94% και απόκλιση κατά 3% για 29 ταξινομημένους χάρτες.

Αποτελέσματα και συζήτηση

Οι πόλεις μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες με βάση τα ποσοστά ανάπτυξης των αστικών περιοχών: γρήγορη ανάπτυξη και αργή ανάπτυξη. Ο ετήσιος ρυθμός ανάπτυξης της αστικής γης στην περιοχή μελέτης ποικίλλει από 0,4% έως 2,4%, με μέσο όρο 1,6% ετησίως για το σύνολο της έκτασης από την πρώτη χρονική περίοδο( 1989) έως την τρίτη (2015). Τα ποσοστά επέκτασης στον πυρήνα της πόλης είναι πιο αργά σε σύγκριση με τη συνολική αστική έκταση, με μέσο ετήσιο ρυθμό 0,9% και εύρος 0,3-1,2% ετησίως. Από την άλλη πλευρά, τα ποσοστά επέκτασης των αστικών περιοχών είναι υψηλότερα στην εξωτερική ζώνη των 20 χιλιομέτρων από ό,τι στον πυρήνα της πόλης σε όλες τις πόλεις εκτός από το Ερεβάν, ενώ οι ετήσιοι ρυθμοί αστικής επέκτασης κυμαίνονται από 0,4% έως 3,5% % ετησίως. Τα ταχέως αναπτυσσόμενα αστικά κέντρα περιλαμβάνουν τα Almaty, Baku, Minsk, Μόσχα, Ρίγα και Αγία Πετρούπολη με τη μέση και τυπική απόκλιση των ετήσιων ρυθμών αστικής ανάπτυξης 2,1 ± 0,2% ετησίως, ενώ οι αργά αναπτυσσόμενες πόλεις περιλαμβάνουν το Κίεβο, τη Τασκένδη, την Τιφλίδα , και το Ερεβάν με μέσο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης 0,9 ± 0,4%. Τα ποσοστά αστικής ανάπτυξης που παρατηρήθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι συγκρίσιμα με τα ποσοστά που υπάρχουν σε πόλεις σε ολόκληρη την Ευρώπη, την Αφρική, την Αμερική και ορισμένες περιοχές της Ασίας. Τα ποσοστά αστικής ανάπτυξης παρουσίασαν επίσης χρονική μεταβλητότητα στις δύο χρονικές περιόδους αυτής της μελέτης, τα ποσοστά ανάπτυξης ήταν πιο αργά κατά την πρώτη περίοδο (1989-2000) σε σύγκριση με τη δεύτερη περίοδο (2000-2015).Οι αστικές περιοχές αυξήθηκαν κατά δύο φορές από το 1989 έως το 2015 και αν αυτές οι τάσεις αστικής ανάπτυξης συνεχίσουν στο μέλλον, η πλειοψηφία αυτών των πόλεων θα διπλασιάσει το σημερινό μέγεθος των οικισμών σε λιγότερο από πέντε δεκαετίες. Οι διαφορετικές κοινωνικοοικονομικές συνθήκες μπορούν να επηρεάσουν τα ποσοστά ανάπτυξης των αστικών περιοχών, ωστόσο η επιρροή των κοινωνικοοικονομικών παραγόντων είναι πολύ πολύπλοκη καθώς ποικίλοι παράγοντες διαφέρουν σημαντικά από περιοχή σε περιοχή αφού οι πρώην δημοκρατίες εκτείνονταν σε διαφορετικά κοινωνικοοικονομικά περιβάλλοντα κατά τη μεταβατική περίοδο. Ο πληθυσμός αστικών οικισμών στην περιοχή μελέτης έδειξε σημαντικές διακυμάνσεις μετά την κατάρρευση της Σοβιετικής Ένωσης και οι 10 πόλεις μπορούν να χωριστούν σε τρεις ομάδες με βάση τις μεταβολές του πληθυσμού. Η πρώτη ομάδα, η Αγία Πετρούπολη, η Τασκένδη και η Τιφλίδα, παρουσίασαν αυξησή του πληθυσμού μικρότερη από 10% την πρώτη χρονική περίοδο (1989) έως την τρίτη (2015). Η δεύτερη ομάδα, η Ρίγα και το Ερεβάν, παρουσίασε απώλεια πληθυσμού πάνω από 10% κατά τη διάρκεια της μελέτης. Η τρίτη ομάδα, το Αλμάτι, το Μπακού, το Κίεβο, το Μινσκ και η Μόσχα, βίωσε περισσότερο από 17% πληθυσμιακή αύξηση από την πρώτη χρονική περίοδο(1989) έως την τρίτη (2015). Αν και οι πληθυσμοί παρουσίασαν σημαντικές αυξήσεις και μειώσεις κατά την περίοδο της μελέτης, όλες οι πόλεις παρουσίασαν αστική ανάπτυξη. Συνολικά, οι τιμές του κατά κεφαλήν ΑΕΠ ήταν σημαντικά χαμηλότερες και στις 10 πόλεις στην δεύτερη χρονική περίοδο σε σύγκριση με τις τιμές στην τρίτη περίοδο. Το μέσο κατά κεφαλήν ΑΕΠ αυξήθηκε την περίοδο 2000 έως 2015. Παρόλο που δεν υπάρχει ισχυρή συσχέτιση μεταξύ του κατά κεφαλήν ΑΕΠ και της αστικής περιοχής, τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι η αστική ανάπτυξη επηρεάζεται σε κάποιο βαθμό από το κατά κεφαλήν ΑΕΠ στην περιοχή μελέτης. Ωστόσο, η έλλειψη ισχυρής συσχέτισης δείχνει ότι η σχέση μεταξύ του κατά κεφαλήν ΑΕΠ και της αστικής ανάπτυξης είναι σημαντικά πιο περίπλοκη.

Συμπέρασμα

Η αστικοποίηση είναι μία από τις πιο μη αναστρέψιμες ανθρωπογενείς μορφές χρήσης της γης και η μη προγραμματισμένη και ταχεία αστική ανάπτυξη μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την υποβάθμιση του περιβάλλοντος. Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική χωρική και χρονική μεταβλητότητα σε όλη τη μετα-σοβιετική περίοδο. Τα ποσοστά ανάπτυξης των αστικών περιοχών υπερέβησαν σημαντικά τα αντίστοιχα ποσοστά αύξησης του πληθυσμού και στις 10 πόλεις κατά το τελευταίο τέταρτο του αιώνα, γεγονός που δείχνει ότι η αστική ανάπτυξη γίνεται όλο και πιο εκτεταμένη. Η μελέτη αυτή συμβάλλει στην περιβαλλοντικά βιώσιμη ανάπτυξη των μετασοβιετικών δημοκρατιών παρέχοντας σημαντικές ποσοτικές πληροφορίες.