Ταξινόμηση καλύψεων γης και ανάλυση αλλαγών τους στη Μητροπολιτική Περιοχή Twin City της Minnesota μέσω πολυετή Landsat

Από RemoteSensing Wiki

Αντικείμενο Εφαρμογής: Τηλεπισκόπηση και Αστικός Χώρος

Πρωτότυπος Τίτλος: « Land cover classification and change analysis of the Twin Cities (Minnesota) Metropolitan Area by multitemporal Landsat remote sensing »

Συγγραφείς: Fei Yuan, Kali E. Sawaya, Brian C. Loeffelholz, Marvin E. Bauer

Δημοσιεύθηκε: Remote Sensing of Environment, Volume 98, Issues 2–3, 15 October 2005, Pages 317-328

Πηγή: [13]

Λέξεις Κλειδιά: ταξινόμηση κάλυψης γης, πολυετής, ανίχνευση μεταβολής, Landsat.

Περίληψη

Η παρούσα μελέτη αφορά την ανάπτυξη μιας μεθοδολογία για την χαρτογράφηση και την παρακολούθηση των μεταβολών κάλυψης γης. Χρησιμοποιήθηκαν πολυετή δεδομένα Landsat Thematic Mapper (TM) σε επτά επαρχίες των δύο πόλεων της περιοχής Minnesota τα έτη 1986, 1991, 1998 και 2002, με ακρίβεια ταξινόμησης κατά μέσο όρο 94%. Οι χάρτες έδειξαν ότι από το 1986 έως το 2002 η αστική ή ανεπτυγμένη γη αυξήθηκε από 23,7% σε 32,8% της συνολικής έκτασης, ενώ οι αγροτικοί τύποι γεωργίας, δασών και υγροτόπων μειώθηκαν από 69,6% σε 60,5%.

Εισαγωγή

Η κίνηση οικιστικών και εμπορικών χρήσεων γης στις αγροτικές περιοχές και στην περιφέρεια των μητροπολιτικών περιοχών, αποτελεί ένδειξη περιφερειακής οικονομικής ζωτικότητας. Τα οφέλη της εξισορροπούνται με τις επιπτώσεις του οικοσυστήματος και των κοινωνικοοικονομικών επιπτώσεων (Squires, 2002). Οι μητροπολιτικές περιοχές στις ΗΠΑ σημείωσαν έντονες αυξήσεις στην αστική ανάπτυξη με σχετικές επιπτώσεις περιβαλλοντικής υποβάθμισης και κυκλοφοριακής συμφόρησης. Είναι σημαντικό να εξεταστούν για χάραξη σωστής πολιτικής. Είναι σημαντικό το γεγονός ότι οι τηλεπισκοπικές απεικονίσεις παρέχουν ένα αποτελεσματικό μέσο απόκτησης πληροφοριών για τις χρονικές τάσεις και τη χωρική κατανομή των αστικών περιοχών (Elvidge et al., 2004), κάτι που προσπαθεί και η μελέτη με χρήση μεθόδων με την ταξινόμηση πολυετών δεδομένων Landsat TM.

Περιοχή μελέτης

Η περιοχή μελέτης (εικ. 1) είναι η μητροπολιτική περιοχή των δύο πόλεων της Minnesota, με έκταση περίπου 7700 km^2. Περιλαμβάνει ποικιλία εκτάσεων που καλύπτονται με πάνω από 900 λίμνες και μεγάλες εκτάσεις υγροτόπων που διασταυρώνονται από τους ποταμούς Minnesota, Mississippi και St. Croix. Τόσο η χαμηλής, όσο και η υψηλής πυκνότητας αστική ανάπτυξη βρίσκεται στο κεντρικό τμήμα. Προβλέπεται ότι ο πληθυσμός της μητροπολιτικής περιοχής θα αυξηθεί κατά 500.000 και θα προσθέσει 270.000 επιπλέον νοικοκυριά μέχρι το 2020.

Εικόνα 1. Επτά Περιφέρειες των Twin Cities της Μητροπολιτικής περιοχής της Μινεσότα. Πηγή: [1]

Μέθοδοι

Τέσσερα ζεύγη σαρωμένων εικόνων Landsat-5 TM (εκτός από Landsat-7 ETM+, για το 2002) επιλέχθηκαν για να ταξινομήσουν την περιοχή μελέτης, τα έτη 1986, 1991, 1998 και 2002. Η επεξεργασία εικόνων πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το ERDAS Imagine, έκδοση 8.5. Συνδυάστηκαν εικόνες της άνοιξης και του καλοκαιριού, όπου τα δάση και ορισμένες καλλιέργειες είναι φαινομενικά παρόμοιες. Είναι σημαντική η πολυεστιακή απεικόνιση καθώς σε σύγκριση με τις μοναδικές ημερομηνίες, τόσο ο μέσος όσο και ο ελάχιστος διαχωρισμός των κατηγοριών αυξήθηκαν με τον συνδυασμό εικόνων άνοιξης και καλοκαιριού. Δεδομένα αναφοράς για κάποιες καλύψεις γης αποτελούσαν οι αεροφωτογραφίες των ετών της μελέτης και για άλλες, η τυχαία δειγματοληψία ενός συνδυασμού αεροφωτογραφιών, ενός χάρτη χρήσης γης του μητροπολιτικού συμβουλίου και από τα δεδομένα των εθνικών απογραφών υγρών υδάτων (NWI) για τις κατηγορίες υγροτόπων. Το πρόγραμμά της ταξινόμησης, με επτά κατηγορίες (πίν. 1), βασίστηκε στο σύστημα ταξινόμησης κάλυψης και χρήσης γης που αναπτύχθηκε από τους Anderson κ.ά. (1976). Ένας συνδυασμός των ανακλαστικών φασματικών ζωνών από εικόνες άνοιξης και καλοκαιριού χρησιμοποιήθηκαν για ταξινόμηση των εικόνων 1986, 1991 και 1998. Η ταξινόμηση του 2002 χρησιμοποίησε τα στοιχεία φωτεινότητας, πράσινου και υγρασίας από την αλλαγή της καστανιάς. Μετά την ταξινόμηση οι υποκλάσεις ανακατασκευάστηκαν στις αντίστοιχες τάξεις. Χρησιμοποιήθηκαν βελτιώσεις μετά την ταξινόμηση για να μειωθούν τα σφάλματα που προκαλούνται από τις ομοιότητες στις φασματικές αποκρίσεις ορισμένων κατηγοριών (γυμνά χωράφια-αστικό). Οι πίνακες σφάλματος ως διασταυρωμένες ποινικοποιήσεις της αντιστοιχισμένης κλάσης έναντι της κλάσης αναφοράς χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση της ακρίβειας ταξινόμησης (Congalton & Green, 1999). Μετά την ταξινόμηση των εικόνων από τα μεμονωμένα έτη, χρησιμοποιήθηκε ένας πολυετής αλγόριθμος ανίχνευσης αλλαγής σύγκρισης μετά την ταξινόμηση για τον προσδιορισμό των αλλαγών στην κάλυψη της γης.

Πίνακας 1. Σχέδιο ταξινόμησης κάλυψης γης. Πηγή: [2]

Αποτελέσματα και συζήτηση

Χρησιμοποιήθηκαν πίνακες σφάλματος για την αξιολόγηση της ακρίβειας ταξινόμησης για τα τέσσερα έτη (πίν. 2). Η ακρίβεια ανίχνευσης της αλλαγής αξιολογήθηκε επίσης και προέκυψε ένας πίνακας σφαλμάτων ανίχνευσης αλλαγής (πίν. 3). Η συνολική ακρίβεια της ανίχνευσης μεταβολών ήταν 81,3%. Χρήσιμη επίσης είναι η σύγκριση εκτιμήσεων ταξινόμησης Landsat σε ένα άλλο, ανεξάρτητο απόθεμα όπως ο κατάλογος των φυσικών πόρων (πίν. 4). Τέλεια ομοιότητα δεν αναμένεται λόγω των διαφορών στις ημερομηνίες συλλογής δεδομένων, καθώς και των διαφορών στις κατηγορίες μεταξύ των δύο ερευνών. Η εικόνα 2 υποστηρίζει περαιτέρω αυτό το συμπέρασμα για γεωργικές και αστικές χρήσεις ανά κομητεία. Οι χάρτες ταξινόμησης δημιουργήθηκαν και για τα τέσσερα χρόνια (εικ. 3) και τα στατιστικά στοιχεία για την κάθε τάξη και αλλαγή συνοψίζονται στον πίνακα 5. Από το 1986 έως το 2002, η αστική περιοχή αυξήθηκε (9.1%), ενώ η γεωργία, τα δάση και οι υγρότοποι μειώθηκαν (9.1%). Για την περαιτέρω αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των μετατροπών κάλυψης γης, δημιουργήθηκαν πίνακες αλλαγών κάλυψης γης από το 1986 έως το 1991, το 1991 έως το 1998, το 1998 έως το 2002 και το 1986 έως το 2002 (πίν. 6). Στον πίνακα 7 εξετάζουμε πιο συγκεκριμένα τις αλλαγές στον τύπο κάλυψης μεταξύ του 1986 και του 2002. Στην εικόνα 4 παρουσιάζεται χάρτης των μεγάλων τύπων κάλυψης γης και τη μετατροπή από αγροτικές σε αστικές χρήσεις. Οι περισσότερες αλλαγές έγιναν στο δεύτερο και το τρίτο δαχτυλίδι των προαστίων που περιβάλλουν τη Minneapolis και τον St. Paul. Τα στοιχεία πληθυσμού και αστικής επέκτασης καταγράφηκαν σε επίπεδο κομητειών (πίν. 8). Όλες οι κομητείες με σημαντική πληθυσμιακή ανάπτυξη είχαν επίσης αυξήσεις στην αστική περιοχή.

Πίνακας 2. Περίληψη της ακρίβειας ταξινόμησης Landsat (%) για τα έτη 1986, 1991, 1998 και 2002. Πηγή: [3]

Πίνακας 3. Αλλαγή δείκτη ανίχνευσης σφαλμάτων για την περίοδο 1986-2002. Πηγή: [4]

Πίνακας 4. Σύγκριση των εκτιμήσεων εμβαδού τύπου κάλυψης από τις ταξινομήσεις Landsat και του αποθέματος φυσικών πόρων του USDA. Πηγή: [5]

Εικόνα 2. Συγκρίσεις για τρεις χρονικές περιόδους των εκτιμήσεων της έκτασης των φυσικών πόρων και των εκτάσεων τύπου Landsat για τη γεωργία και τις αστικές τάξεις. Τα δεδομένα είναι σύνολα νομού. Πηγή: [6]

Εικόνα 3. Κατατάξεις εδάφους Landsat από το 1986 έως το 2002 για το TCMA. Πηγή: [7]

Πίνακας 5. Σύνοψη των στατιστικών στοιχείων περιοχής ταξινόμησης Landsat για τα έτη 1986, 1991, 1998 και 2002. Πηγή: [8]

Πίνακας 6. Πίνακες κάλυψης γης και μεταβολές (000 εκτάρια) από το 1986 έως το 2002. Πηγή: [9]

Πίνακας 7. Τύποι αλλαγής που προσδιορίζονται από τυχαία δειγματοληψία ορθώς ταξινομημένων περιοχών μεταβολής. Πηγή: [10]

Εικόνα 4. Twin Cities Μητροπολιτική περιοχή αστικής ανάπτυξης από το 1986 έως το 2002 με το όριο MUSA 2000. Η αγροτική κάλυψη (γεωργία, δάση και υγρότοπος) που μετατράπηκε σε αστικό από το 1986 έως το 1991, από το 1991 έως το 1998, και από το 1998 έως το 2002, υπογραμμίζονται σε πράσινο, κόκκινο και κίτρινο, αντίστοιχα. Πηγή: [11]

Πίνακας 8. Ο πληθυσμός των επτά περιφερειών (000) και η αστική ανάπτυξη (000 εκτάρια) από το 1986 έως το 2002. Πηγή: [12]

Συμπεράσματα

Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι οι ταξινομήσεις Landsat μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ακριβών χαρτών και στατιστικών αλλαγών τοπίου. Τα γενικά πρότυπα και οι τάσεις της αλλαγής της χρήσης γης στη Μητροπολιτική περιοχή των Twin Cities αξιολογήθηκαν με: (1) ταξινόμηση της έκτασης γης στην μητροπολιτική περιοχή των επτά κομητειών που μετατράπηκε από χρήση γεωργική, δασική και υγροτόπων σε αστική, κατά τη διάρκεια τριών περιόδων, (2) σύγκριση των αποτελεσμάτων των στατιστικών που προέρχονται από Landsat με εκτιμήσεις από άλλες μελέτες, (3) ποσοτική εκτίμηση της ακρίβειας των χαρτών ανίχνευσης αλλαγών και (4) ανάλυση των κυριότερων προτύπων αλλαγής της χρήσης των αστικών γαιών σε σχέση με την πολιτική, τη μεταφορά και την αύξηση του πληθυσμού.