Σύγκριση μοντέλων πρόβλεψης αστικής εξάπλωσης σε μεσαίου μεγέθους ελληνική πόλη
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος Τίτλος: ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ ΑΣΤΙΚΗΣ ΕΞΑΠΛΩΣΗΣ ΣΕ ΜΕΣΑΙΟΥ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΠΟΛΗ (ΚΑΡΔΙΤΣΑΣ)
Συγγραφείς: Κουκόσια Ηλιάνα, Σταθάκης Δημήτρης
Εισαγωγή
Στην περίπτωση της Καρδίτσας έγινε παρατήρηση και στην συνέχεια πρόβλεψη της αστικής εξάπλωσης με δύο μοντέλα που βασίζονται στη μέθοδο των Κυψελοειδών Αυτομάτων. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν τα μοντέλα πρόβλεψης αστικής εξάπλωσης SLEUTH και CA-Markov.
Εφαρμογή του μοντέλου SLEUTH
Το μοντέλο SLEUTH περιλαμβάνει 6 βασικά βήματα για την υλοποίηση του: τη μεταγλώττιση (compilation) όπου με χρήση συγκεκριμένων εντολών, γίνεται η μετάφραση του πηγαίου κώδικα (source code) του SLEUTH, την προετοιμασία των χωροχρονικών δεδομένου εισόδου, τη βαθμονόμηση (calibration), κατά την οποία αναγνωρίζονται και προσομοιώνονται τα ιστορικά μοτίβα αστικής ανάπτυξης, την πρόβλεψη (prediction) όπου τα μοτίβα προβάλλονται σε μελλοντικά σημεία, την εξαγωγή και επεξεργασία των αποτελεσμάτων των δεδομένων εξόδου και την εκτίμηση της ακρίβειας του μοντέλου.
Στην συνέχεια το σύνολο των δεδομένων εισάγονται σε περιβάλλον GIS για την περαιτέρω επέξεργασία. Πιο συγκεκριμένα τα στοιχεία ήταν: εικόνες Landsat (αστικό 1985) (gif), σε grayscale, με ίδια όρια, ίδιο προβολικό σύστημα (ΕΓΣΑ 87) και ανάλυση. Τα δεδομένα εισαγωγή είναι οι κλίσεις γης (slope) και το ανάγλυφο (hillshade) της περιοχής μελέτης, οι περιοχές απαγόρευσης της δόμησης (excluded), δύο χρονιές καλύψεων γης (landuse), τέσσερεις χρονιές κάλυψης αστικής γης (urban) και δύο χρονιές μεταφορικών δικτύων (transport). Οι χρήσεις γης που αφορούν το αστικό περιβάλλον προήλθαν από εφαρμογή επιβλεπόμενης ταξινόμησης σε εικόνα Landsat του 1985 με χωρική ανάλυση 30 μ.
Από τις παραπάνω εικόνες φαίνεται ότι δεν υπήρξαν μεγάλη αύξηση της αστικής γης για τις περιόδους αναφοράς, με εξαίρεση ίσως το νοτιοδυτικό τμήμα που αναπτύχθηκε αρκετά. Η διαπίστωση αυτή ισχυροποιείται και από τα δεδομένα του κάτωθι Πίνακα, που δείχνουν επιπλέον ότι η μεγαλύτερη αύξηση των αστικών χρήσεων συντελέστηκε κατά την περίοδο 1985-1990 που συμπίπτει με τις επεκτάσεις του σχεδίου πόλης.
Στην συνέχεια και μέσω μία σειράς υποθέσεων αλλά και μεθοδολογίας (Για παράδειγμα συνυπολογίζεται η θέση των βασικών οδικών αξόνων καθώς και η πορεία ανάπτυξης του αστικού ιστού μέχρι εκείνη την στιγμή καθώς και μία σειρά από άλλα στοιχεία.) έγινε πρόβλεψη για την αστική επέκταση της Καρδίτσας στο διάστημα 2012 έως 2021. Σύμφωνα με το μοντέλο SLEUTH η εξάπλωση των αστικών χρήσεων θα είναι της τάξης του 33% μέχρι το 2021 και θα αφορά κυρίως το νοτιοδυτικό τμήμα της πόλης (έντονη επιρροή της περιφερειακής οδού) και σε μικρότερο βαθμό το ανατολικό τμήμα κατά μήκος του οδικού άξονα.
Εφαρμογή του μοντέλου CA- Markov
Στη μέθοδο αυτή όπως και στην προηγουμένη, σε πρώτη φάση χρησιμοποιήθηκαν αεροφωτογραφίες και τεχνικές τηλεπισκόπησης για τον προσδιορισμό της αστικής εξάπλωσης και στην συνέχεια το μοντέλο CA- Markov με στόχο την πρόβλεψη της αστικής διάχυσης στο μέλλον. Πιο συγκεκριμένα λοιπόν, η μεθοδολογία περιλαμβάνει τα εξής βασικά βήματα: την προεπεξεργασία των εικόνων, την ταξινόμηση (ορισμός φασματικών υπογραφών, επιβλεπόμενη ταξινόμηση, φιλτράρισμα, αποτίμηση ακρίβειας) και την εφαρμογή του μοντέλου CA- Markov.
Για την μελέτη της διαχρονικής εξέλιξης του αστικού ιστού χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικά δεδομένα μεσαίας χωρικής διακριτικής ικανότητας του δορυφόρου Landsat (1985, 1992, 2000, 2011) καθώς και αεροφωτογραφίες πολύ υψηλής χωρικής διακριτικής ικανότητας (1999, 2000, 2009).
Η ταξινόμηση που χρησιμοποιήθηκε ήταν η επιβλεπόμενη ταξινόμηση με την αντιστοίχηση των pixels σε κατηγορίες να γίνεται βάσει της μεθόδου της μεγίστης πιθανοφάνειας (maximum likelihood). Για την ορθότερη επιλογή των δειγμάτων χρησιμοποιήθηκαν διάφορα διανυσματικά αρχεία (vector) όπως τα Corine 1990 & 2000, ορθοφωτοχάρτες του 1999 και του 2000 και ορθοφωτοχάρτες του κτηματολογίου για το έτος 2009. Για την βελτίωση του αποτελέσματος των ταξινομήσεων και για να είναι περισσότερο ευδιάκριτες οι χρήσεις μεταξύ τους εφαρμόστηκαν επίσης και κάποια φίλτρα εξομάλυνσης στις ταξινομήσεις.
Από τα αποτελέσματα των ταξινομήσεων προέκυψε ότι η πόλη έχει εξαπλωθεί λίγο προς τα βόρεια σε αντίθεση με το νοτιοδυτικό και νοτιοανατολικό τμήμα που είναι ευδιάκριτη η μεγαλύτερη αστική διάχυση. Η αστική εξάπλωση επίσης φαίνεται να έλαβε χώρα κυρίως την περίοδο 1985-1992 (της τάξης του 50%), ενώ της περιόδους 1992-2000 και 2000-2011 υπάρχει σχετικά σταθερή αστική επέκταση της τάξης του 19% περίπου.
Στην συνέχεια για την πρόβλεψη της αστικής επέκτασης στο μέλλον που ήταν και ο αρχικός στόχος χρησιμοποιήθηκαν οι εικόνες των ετών 2000 και 2001 και μέσω των πιθανοτήτων κατέληξε στην τελική εικόνα της Καρδίτσας το έτος 2021. Βασή του μοντέλου αυτού η πόλη θα επεκταθεί κατά 40% περίπου ομοιόμορφα γύρω από το υπάρχον αστικό περιβάλλον.
Σύγκριση δύο μεθόδων πρόβλεψης αστικής εξάπλωσης-συμπεράσματα
Από την εφαρμογή και των δύο μεθόδων πρόβλεψης της αστικής εξάπλωσης προκύπτει ότι το μοντέλο SLEUTH δίνει πιο ακριβή και ρεαλιστικά αποτελέσματα. Αυτή η διαπίστωση προκύπτει από την αναγνώριση των σημερινών τάσεων αστικοποίησης της Καρδίτσας. Η ακρίβεια των αποτελεσμάτων του SLEUTH οφείλεται στη διαδικασία της βαθμονόμησης καθώς και στο μεγαλύτερο εύρος δεδομένων εισόδου. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα του συγκεκριμένου μοντέλου είναι ότι με τη βαθμονόμηση του τρόπου που μια περιοχή έχει αλλάξει στο παρελθόν, μπορεί να τεκμηριωθεί μια λογική πρόβλεψη για μελλοντική αλλαγή. Τα δεδομένα του Markov περιλαμβάνουν μόνο δύο έτη εξάπλωσης του αστικού ιστού, σε αντίθεση με το SLEUTH στο οποίο υπάρχει η δυνατότητα εισαγωγής πολλών ετών και 6 τύπων δεδομένων. Εξάλλου η πρόβλεψη της αστικής εξάπλωσης δεν εξαρτάται αποκλειστικά και μόνο από τη μελέτη της μεταβολής του αστικού ιστού, αλλά και από άλλους παράγοντες όπως το οδικό δίκτυο. Επίσης στο SLEUTH υπάρχει η δυνατότητα εισαγωγής διαφορετικών σεναρίων αστικής εξάπλωσης, όπως για παράδειγμα η παρόδια δόμηση ως αποτέλεσμα ενός νέου οδικού άξονα, πράγμα το οποίο επιτρέπει μια πιο έγκαιρη και ολοκληρωμένη πρόβλεψη της εκτενούς αστικοποίηση.
Ακόμη ένα σημαντικό πλεονέκτημα του SLEUTH είναι ότι στα δεδομένα εξαγωγής δημιουργούνται τόσες εικόνες όσες και οι χρονοσειρές μέχρι το έτος πρόβλεψης. Το Markov εξάγει μία εικόνα μόνο για το έτος πρόβλεψης, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη μελέτη της αστικής εξέλιξης σε βάθος χρόνου. Επιπλέον, στις εικόνες εξαγωγής του SLEUTH υπάρχει μια εικόνα πιθανοτήτων προβολής του αστικού, που επιτρέπει την εστίαση του σχεδιασμού σε συγκεκριμένες περιοχές με υψηλά ποσοστά μελλοντικής αστικοποίησης, κάτι στο οποίο υστερεί σημαντικά το Markov. Τέλος αξίζει να σημειωθεί ότι το μοντέλο SLEUTH αποτελεί (free) λογισμικό χωρίς καμία χρέωση.
Από την άλλη πλευρά όμως η μέθοδος του SLEUTH παρουσιάζει κάποια σημαντικά μειονεκτήματα στη χρήση του, όπως τα ελλιπή δεδομένα για το αστικό και τις καλύψεις γης που είναι περιορισμένα κυρίως για τον Ελλαδικό χώρο.
Από την άλλη πλευρά, η μέθοδος Markov είναι πολύ απλούστερη λειτουργικά, πιο γρήγορη και απαιτεί μικρότερο όγκο raster αρχείων. Η συγκέντρωση δεδομένων είναι ευκολότερη (δορυφορικές εικόνες) και συνήθως χωρίς οικονομικό κόστος. Η ανάλυση όμως τηλεπισκοπικών δεδομένων από αστικές περιοχές είναι πολύπλοκη για διάφορούς λόγους, όπως ότι κάποιες κατηγορίες αστικών επιφανειών δεν είναι φασματικά διακριτές μεταξύ τους και η φυσική δομή πολλών ειδών χρήσεων γης διαφέρει από περιοχή σε περιοχή.
Γενικεύοντας, θα μπορούσε να ειπωθεί το μοντέλο SLEUTH προβλέπει την εξάπλωση του αστικού με βάση τις τάσεις αστικής εξάπλωσης των προηγούμενων ετών, όπως και τα περισσότερα μοντέλα πρόβλεψης, λαμβάνοντας κάποιες παραμέτρους όπως το οδικό οι κλίσεις εδάφους και το ανάγλυφο. Παράμετροι όμως όπως οι μεταβολές του πληθυσμού, η πληθυσμιακή πυκνότητα, η αξία γης, το ΑΕΠ και το όριο ακτογραμμής δεν εισάγονται στο μοντέλο, γεγονός που μειώνει τον βαθμό προσομοίωσης της αστικής εξάπλωσης με την πραγματικότητα. Σημαντικό επομένως θα ήταν μελλοντικά αν εφαρμόζονταν κάποιες προγραμματιστικές διορθώσεις προσθέτοντας τις παραμέτρους αυτές στα δεδομένα εισαγωγής του μοντέλου. Επίσης σημαντικό θα ήταν αν το μοντέλο μπορέσει στο μέλλον να προβλέψει την εκτεταμένη εκτός σχεδίου δόμηση. Αναφορικά στον ελλαδικό χώρο η εκτός σχεδίου δόμηση αποτελεί σημαντικό πρόβλημα του πολεοδομικού σχεδιασμού, αφού το μεγαλύτερο ποσοστό του εξωαστικού χώρου υπάγεται στο καθεστώς της γενικής νομοθεσίας περί εκτός σχεδίου δόμησης (Οικονόμου, 2009).
Πηγή: http://gisc.gr/sac/docs/proceedings_sac1/9_Koukosia_Stathakis_SAC1.pdf
