Χαρτογράφηση αστικών χρήσεων γης σε επίπεδο οικοδομικού τετραγώνου
Από RemoteSensing Wiki
Χαρτογράφηση αστικών χρήσεων γης σε επίπεδο οικοδομικού τετραγώνου χρησιμοποιώντας το OpenStreetMap, δεδομένα τηλεπισκόπησης και χωρικές μετρήσεις Στις αναπτυσσόμενες χώρες, τα υψηλά ποσοστά αστικοποίησης και η ανεξέλεγκτη αστική εξάπλωση συχνά οδηγούν σε προκλήσεις όπως η αναποτελεσματικότητα των συστημάτων μεταφορών, η υποβάθμιση του περιβάλλοντος, η ανάπτυξη ανεπίσημων οικισμών και ένα ποσοστό του πληθυσμού που ζει σε υποβαθμισμένες συνθήκες. Μεταξύ του συνόλου πιθανών γεωχωρικών πληροφοριών που σχετίζονται με τις αστικές περιοχές, η πυκνότητα του πληθυσμού και η χρήση της γης είναι ίσως το πιο σημαντικό για έναν πολεοδόμο.
Στις αστικές περιοχές, οι πληροφορίες σχετικά με τη χρήση γης μπορούν να χαρτογραφηθούν σε διαφορετικές κλίμακες που κυμαίνονται από τα κτηματολογικά τεμάχια έως τις μεγάλες γειτονιές. Σε αυτή τη μελέτη, επιλέξαμε να εργαστούμε στο επίπεδο του οδοστρώματος. Το οικοδομικό τετράγωνο, που μερικές φορές αναφέρεται ως "αστικό συγκρότημα" ή "αγροτεμάχιο", παρέχει επαρκείς χωρικές λεπτομέρειες στους πολεοδόμους και έχει απεικονιστεί ως η πιο θεμελιώδης και κατάλληλη μονάδα για την χαρτογράφηση της αστικής δομής.
Γενικότερα, η παρούσα μελέτη εντάσσεται σε δύο ερευνητικά έργα, συγκεκριμένα το MAUPP (maupp.ulb.ac.be) και το REACT (react.ulb.be), με στόχο τη βελτίωση των μοντέλων διανομής αστικού πληθυσμού και μοντέλων κινδύνου αστικής ελονοσίας, αντίστοιχα. Δίνεται έμφαση στην ύπαρξη επαρκών θεματικών λεπτομερειών για οικιακή χρήση, ώστε να επιτρέπεται η κατάλληλη ανακατανομή του αριθμού των πληθυσμών και η μοντελοποίηση της πυκνότητας του πληθυσμού σε ενδοκοινοτικό επίπεδο. Τα έργα αυτά επικεντρώνονται στις πόλεις της υποσαχάριας Αφρικής.
Η παρούσα έρευνα προτείνει ένα ολοκληρωμένο, κυρίως αυτοματοποιημένο, πλαίσιο για τη χαρτογράφηση της χρήσης γης σε επίπεδο οδών, χρησιμοποιώντας μόνο χάρτες κάλυψης εδάφους πολύ υψηλής ανάλυσης (VHR) και δεδομένων τηλεπισκόπησης. Η μεθοδολογία που παρουσιάστηκε εδώ εφαρμόστηκε σε δύο πόλεις της Δυτικής Αφρικής, δηλαδή στην Ουαγκαντούγκου και το Ντακάρ. Οι τομείς ενδιαφέροντος επελέγησαν τόσο για τον πυρήνα της πόλης όσο και για τις περιαστικές περιοχές, καθώς δεν υπάρχει καθιερωμένη συναίνεση για τον ορισμό και την οριοθέτηση των αστικών περιοχών. Οι τομείς ενδιαφέροντος επελέγησαν με οπτική ερμηνεία των εικόνων VHR.
Σε αυτή τη μελέτη, προτείνεται μια μέθοδος που εκμεταλλεύεται τα δεδομένα του OpenStreetMap για τη δημιουργία γεωμετρικών σχηματισμών αστικών οδών, ώστε να χρησιμοποιηθεί ως θεμελιώδης μονάδα αστικού τοπίου για τη χαρτογράφηση της χρήσης γης. Τα κύρια βήματα απεικονίζονται στο παρακάτω σχήμα.
Για να χαρτογραφηθεί η χρήση της γης στο επίπεδο του οδοστρώματος σημαίνει ότι τα μπλοκ θα πρέπει να έχουν υψηλή ομοιότητα της αστικής λειτουργίας. Η ενσωμάτωση άλλων επιπλέον χαρακτηριστικών του χάρτη (π.χ. ποτάμια, υδάτινα σώματα, σιδηροδρομικές γραμμές, στρατόπεδα, νεκροταφεία, κατοικημένες περιοχές, γεωργικές εκτάσεις κλπ.) επέτρεψε τη μείωση αυτών των προβλημάτων διότι η πραγματική χρήση της γης είναι συχνά ένα μείγμα χρήσεων.
Έπειτα από μια διαδικασία που διεξάγεται στη συγκεκριμένη μελέτη, παράγονται δύο είδη πολυγώνων: (i) τα οικοδομικά τετράγωνα και (ii) ανεπιθύμητα πολύγωνα, τα οποία προκύπτουν από πολυτελείς οδούς, λειτουργικούς δρόμους κοντά στα σταυροδρόμια ή ράμπες αυτοκινητοδρόμων. Αυτά τα πολύγωνα είναι συνήθως εύκολα αναγνωρίσιμα με βάση τα κριτήρια του σχήματος και του μεγέθους αφού είναι λεπτά και μικρά.
Σε αυτή την έρευνα, τα χαρακτηριστικά του οδοστρώματος μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες, η πρώτη αφορά τις χωρικές μετρήσεις που υπολογίζονται με βάση τους διαθέσιμους χάρτες κάλυψης εδάφους και η άλλη περιλαμβάνει πρόσθετες πληροφορίες, όπως μορφολογία μπλοκ ή χαρακτηριστικά προερχόμενα απευθείας από τις φασματικές τιμές.
Υπολογίστηκαν χαρακτηριστικά σχετιζόμενα με το σχήμα των οικοδομικών τετραγώνων, καθώς και βασικά χαρακτηριστικά που συσσωρεύτηκαν από φασματικά δεδομένα, π.χ. η μέση και τυπική απόκλιση των NDVI και NDWI, για την ικανότητά τους να χαρακτηρίζουν μη οικοδομημένα τοπία.
Και οι δύο πόλεις χαρακτηρίζονται από διάφορους τύπους χρήσης γης όπως βιομηχανικές, εμπορικές και υπηρεσίες, διοικητικές ή οικιστικές.
Η χρήση της αστικής γης συχνά αναμειγνύεται λόγω της παρουσίας πολλαπλών αστικών δραστηριοτήτων στο ίδιο συγκρότημα. Ωστόσο, ο στόχος μας ήταν να χαρτογραφήσουμε την κυρίαρχη δραστηριότητα στο οικοδομικό τετράγωνο. Ο αριθμός των πολύγωνων στίγματος που υπήρχαν μετά από αυτή την αρχική εκχύλιση ήταν εντυπωσιακός: 32,6% και 31,5% για την Ουαγκαντούγκου και το Ντακάρ, αντίστοιχα. Τα πολύγωνα σχιστόλιθου απομακρύνθηκαν για να παράγουν ένα τελικό στρώμα που περιέχει σχεδόν 32.000 γεωμετρίες μπλοκ δρόμου για την Ουαγκαντούγκου και 23.000 για το Ντακάρ. Η εικόνα 2 απεικονίζει τα αποτελέσματα από διαφορετικά βασικά βήματα της αλυσίδας επεξεργασίας. Η αρχική στοίβα των γραμμικών στοιχείων που προέρχονται από το OSM και τα παρεπόμενα δεδομένα είναι αρκετά χαοτική (βλ. Εικόνα 5a). Η αποκοπή όλων των κόμβων (εδώ, με ένα κατώτατο όριο 7 m), επιτρέπει τον αποτελεσματικό καθαρισμό των αρχικών σφαλμάτων, αλλά παραμένουν μερικά πολύγωνα (βλέπε Εικόνα 5b). Οι τελικές γεωμετρίες μετά την απομάκρυνση των πολύγωνων τεμαχίου παρουσιάζονται στο σχήμα 5γ.
Συνολικά, οι χωρικές μετρήσεις σε σχέση με όλες σχεδόν τις τάξεις κάλυψης γης υπάρχουν στο σύνολο επιλεγμένων χαρακτηριστικών. Ωστόσο, φαίνεται ότι οι τάξεις που σχετίζονται με διαφορετικά ύψη κτιρίων είναι πιο αντιπροσωπευτικές, γεγονός που δεν αποτελεί έκπληξη. Επιπλέον, υπάρχουν χαρακτηριστικά που σχετίζονται με τη σύνθεση του τοπίου, τη μορφολογία του οδοστρώματος και τους δείκτες τηλεπισκόπησης, γεγονός που αποδεικνύει την προστιθέμενη αξία τους στο μοντέλο ταξινόμησης.
Το μειωμένο σύνολο χαρακτηριστικών χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια ως σύνολο δεδομένων εισόδου μιας εποπτευόμενης ταξινόμησης χρησιμοποιώντας RF. Η ανάλυση της σημασίας των χαρακτηριστικών RF αποκαλύπτει ότι, και για τις δύο case studies, τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά είναι εκείνα που σχετίζονται με το δομημένο περιβάλλον. Βρίσκονται στα πέντε κορυφαία χαρακτηριστικά της Ουαγκαντούγκου και στην κορυφή τέσσερις στο Ντακάρ (υποθέτοντας ότι οι σκιές είναι ένας πληρεξούσιος των δομημένων μοτίβων).
Τα σφάλματα και η αβεβαιότητα είναι εγγενή σε οποιοδήποτε πρόβλημα ταξινόμησης. Για την παρούσα μελέτη λήφθηκε η απόφαση να επαναταξινομηθούν τα οικοδομικά τετράγωνα για τα οποία η ταξινόμηση ήταν εξαιρετικά αβέβαιη. Υπολογίζεται τη διαφορά μεταξύ των πιθανοτήτων της πιθανότερης και της δεύτερης πιθανότερης τάξης. Τα μπλοκ δρόμων με διαφορά μικρότερο από 5 ποσοστιαίες μονάδες χαρακτηρίστηκαν τότε ως "αβέβαια".
Η λύση που προτείνεται σε αυτό το έγγραφο αποδείχτηκε λειτουργική για την επεξεργασία πολύ μεγάλων περιοχών, καθώς οι μελέτες περίπτωσής μας καλύπτουν περισσότερα από 1000 km2 συνολικά, με χωρική διαφορά 0,5 m. Ωστόσο, ορισμένοι περιορισμοί μπορούν να επισημανθούν. Ο πρώτος περιορισμός αφορά την πληρότητα των δεδομένων OSM. Από μια ποιοτική οπτική εκτίμηση προκύπτει ότι η συνοχή είναι πιο εμφανής στις αστικές περιοχές πυρήνα, όπου το οδικό δίκτυο είναι πυκνότερο και τα δεδομένα OSM είναι γενικά πληρέστερα.
Από διάφορες δοκιμές που διεξήχθησαν, καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι τα προκύπτοντα οικοδομικά τετράγωνα ενδέχεται να μην είναι τόσο λεπτομερή όσο αναμενόταν, π.χ. παρουσία πολυγώνων που είναι πολύ μεγάλα και περιλαμβάνουν πολλαπλές χωριστές χρήσεις γης. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, ο χρόνος αφιερώθηκε στην ψηφιοποίηση πρόσθετων χαρακτηριστικών χαρτών στον OSM.
Ο δεύτερος περιορισμός συνδέεται με τις χωρικές μετρήσεις. Η επιλογή των σχετικών χωρικών μετρήσεων για το εξεταζόμενο φαινόμενο και η ερμηνεία των συμπεριφορών τους μπορεί να είναι ένα δύσκολο έργο καθαυτό.
Τρίτον, η διαδικασία σήμανσης για τη δημιουργία συνόλων κατάρτισης και επικύρωσης μπορεί σαφώς να αποτελέσει εμπόδιο εάν είναι υποχρεωτική η αυτοματοποίηση. Περαιτέρω έρευνα θα μπορούσε να διερευνήσει τη δυνατότητα αξιοποίησης της βάσης δεδομένων OSM για την αυτόματη επιλογή και επισήμανση αυτών των δειγμάτων, καθώς ο OSM περιέχει κάποιες πληροφορίες σχετικά με τη χρήση γης και το Σημείο ενδιαφέροντος.
Τέλος, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το μοντέλο "μωσαϊκό μαρκαρίσματος" κρύβει ορισμένες πτυχές των αστικών δομών, οι οποίες είναι πιθανό να περιορίσουν την ικανότητα των χωρικών μετρήσεων να χαρακτηρίσουν επαρκώς τη χρήση της αστικής γης.
Ενώ οι αναπτυσσόμενες χώρες δεν διαθέτουν επαρκώς ενημερωμένες και αξιόπιστες γεωγραφικές πληροφορίες για τις αστικές περιοχές, οι νέες πηγές πληροφοριών, όπως το VGI, μπορούν να ξεπεράσουν τις υπάρχουσες προκλήσεις. Η έρευνα αυτή παρουσίασε μια ροή εργασίας, κυρίως αυτοματοποιημένη, για τη χαρτογράφηση αστικών χρήσεων γης σε επίπεδο οδών, με επίκεντρο τη χρήση κατοικιών. Το προτεινόμενο πλαίσιο απέδειξε την ικανότητά του να χειρίζεται αποτελεσματικά μεγάλα σύνολα δεδομένων, δεδομένου ότι οι δύο περιπτωσιολογικές μελέτες, το Ouagadougou και το Dakar, που κάλυπταν συνολικά περισσότερα από 1000 km2, πέτυχαν το 84% και το 79% αντίστοιχα.
