Χαρτογράφηση και ανάλυση χρήσεων γης μέσω Τηλεπισκόπησης και ΓΣΠ: Η περίπτωση μελέτης της λεκάνης απορροής Simly στο Πακιστάν.

Από RemoteSensing Wiki

Χαρτογράφηση και ανάλυση χρήσεων γης μέσω Τηλεπισκόπησης και ΓΣΠ:Η περίπτωση μελέτης της λεκάνης απορροής Simply στο Πακιστάν.

Πρωτότυπος τίτλος: Land use change mapping and analysis using Remote Sensing and GIS: A case study of Simly watershed, Islamabad, Pakistan

Συγγραφείς: Amna Butt, Rabia Shabbir, Sheikh Saeed Ahmad, Neelam Aziz

Πηγή: The Egyptian Journal of Remote Sensing and Space Sciences, August 2015, 251-259

Λέξεις κλειδιά: Χρήσεις γης, Τηλεπισκόπηση, Λεκάνη απορρόης, Πακιστάν

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]

ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ

Αντικείμενο της παρούσας μελέτης είναι η διαχρονική παρακολούθηση των χρήσεων γης και ο προσδιορισμός των χωρικών και ποιοτικών αλλαγών. Η μελέτη αυτή προτείνει ότι ο συνδυασμός της Τηλεπισκόπησης και των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών είναι ένα σημαντικό εργαλείο για την έγκυρη καταγραφή των χρήσεων γης στο πέρασμα του χρόνου και τη δημιουργία χαρτών, οι οποίοι αποτελούν απαραίτητο στοιχείο για τη σωστή διαχείριση και προγραμματισμό των διαφόρων περιοχών.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ-ΣΚΟΠΟΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ

Ο κύριος στόχος της συγκεκριμένης έρευνας είναι η χρησιμοποίηση της Τηλεπισκόπησης και του GIS για τον εντοπισμό των χωρικών και χρονικών αλλαγών στις χρήσεις γης που σημειώθηκαν στη λεκάνη απορροής του Simly στο Islamabad του Πακιστάν κατά τη διάρκεια 20 χρόνων. Η ανάλυση των χαρακτηριστικών χρήσεων γης της λεκάνης απορροής είναι ουσιαστικής σημασίας για την καλύτερη κατανόηση των αλληλεπιδράσεων και αλληλεξαρτήσεων μεταξύ ανθρώπινων δραστηριοτήτων και φυσικών φαινομένων. Η εκτίμηση των χρήσεων γης και των αλλαγών τους παίζουν καθοριστικό ρόλο στη διατύπωση σωστών στρατηγικών διατήρησης των υδάτινων πόρων. Η λεκάνη απορροής δεν είναι μόνο μια υδρολογική περιοχή αλλά και μια κοινωνικό-οικολογική ύπαρξη στο χώρο καθώς καθορίζει την οικονομία, την παραγωγή, την ασφάλεια και την παροχή υπηρεσιών υποστήριξης ζωής στους κατοίκους της γύρω περιοχής. Για αυτό το λόγο, η σωστή διαχείριση της αποτελεί απαραίτητο κομμάτι για τη διαφύλαξη της βιωσιμότητας της. Η περιοχή μελέτης επιλέχτηκε εξαιτίας της αστικοποίησης, της ενεργής διάβρωσης νερού και εδάφους, της απόρριψης ανεπεξέργαστων λυμάτων-φυτοφαρμάκων-πουλερικών, της βόσκησης, της κοπής των δένδρων, της ανυπαρξία οποιαδήποτε συνεταιριστικής δομής και των μειωμένων δυνατοτήτων διαβίωσης.

Εικόνα 1. Ο χάρτης με την περιοχή μελέτης.Η θέση της λεκάνη απορροής Simly σε σχέση με το Islamabad και το Πακιστάν.

ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ

Περιοχή Μελέτης

Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στο Πακιστάν και συγκεκριμένα στο οροπέδιο Pothwar. Γεωλογικά αποτελείται από τριτογενής ψαμμίτες, ασβεστόλιθους και αλλουβιακά ιζήματα. Το κλίμα της περιοχής είναι υγρό υποτροπικό. Ο Μάιος, ο Ιούνιος και ο Αύγουστος είναι οι πιο θερμοί μήνες με μέση θερμοκρασία από 36ο C έως 42ο C και κάποιες φορές έως και 48 οC. Οι πιο κρύοι μήνες είναι ο Δεκέμβριος και ο Ιανουάριος με μέσες ελάχιστες θερμοκρασίες από 3° C έως 5.50° C. Η λεκάνη απορροής ξεκινάει από τη λίμνη Simly που βρίσκεται περίπου 40 χλμ. βορειοανατολικά του Islamabad κοντά στο Bhara Kahu. Αποθηκεύει την πολυετή ροή νερού από τις πηγές Murree του βουνού Patriata και μια σημαντική ποσότητα νερού από την πλημμύρα του ποταμού Soan. Είναι η μεγαλύτερη δεξαμενή πόσιμου νερού για τους κατοίκους του Islamabad και αναγνωρίζεται κυρίως ως φράγμα Simly. Τα δύο κύρια ρεύματα που τροφοδοτούν τη λεκάνη του φράγματος Simly είναι το ρεύμα Soan και Khad. Η περιοχή γύρω από το φράγμα είναι τουριστικό σημείο καθώς προσελκύει τουρίστες λόγω των όμορφων καλλωπιστικών φυτών, των θέρετρων και των σημείων πικνίκ.

Συλλογή Δεδομένων

Για αυτή τη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικά δεδομένα και κάποια βοηθητικά με στόχο τη διευκόλυνση της φωτοερμηνείας. Τα βοηθητικά δεδομένα που χρειάστηκαν ήταν:

1. Δεδομένα άμεσης παρατήρησης του εδάφους για τις κατηγορίες κάλυψης και χρήσης της γης

2. Αεροφωτογραφίες της λεκάνης απορροής Simply και της γύρω περιοχής

3. Τοπογραφικοί χάρτες

Τα δεδομένα αυτά συλλέχθηκαν ως σημεία αναφοράς με τη χρήση παγκόσμιου συστήματος προσδιορισμού θέσης (GPS) από τον Μάρτιο έως τον Οκτώβριο του 2012.

Τα δορυφορικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν:

1. Τα πολυφασματικά δεδομένα του δορυφόρου Landsat 5 για το μήνα Σεπτέμβριο του 1992, τα οποία αποκτήθηκαν από την USGS, με ανάλυση 250 m.

2. Τα πολυφασματικά δεδομένα του δορυφόρου SPOT για το μήνα Σεπτέμβριο του 2012, τα οποία αποκτήθηκαν από την SUPARCO, με ανάλυση 2.5m.

Προεπεξεργασία και Ταξινόμηση Εικόνας

Η διαδικασία της προεπεξεργασία των δορυφορικών εικόνων περιελάμβανε στην αρχή τη γεωαναφορά, τη δημιουργία του μωσαϊκού και την αποκοπή της περιοχής μελέτης με τη χρήση της λειτουργίας AOI στο πρόγραμμα του ERDAS Image 12. Στη συνέχεια, σε όλα τα εικονοστοιχεία των εικόνων δόθηκαν υπογραφές και έγινε η κατηγοριοποίηση των χρήσεων γης της λεκάνης απορροής σε πέντε κατηγορίες με βάση τις τιμές του ψηφιακού αριθμού. Οι πέντε διαφορετικές κατηγορίες που επιλέχθηκαν ήταν: (1) Γεωργία, (2) Έδαφος /Πετρώματα, (3) Οικισμοί, (4) Βλάστηση και (5) Νερό. Για κάθε μια από τις κατηγορίες επιλέχθηκαν τα αντιπροσωπευτικά πολύγωνα των περιοχών εκπαίδευσης και δημιουργήθηκαν οι φασματικές υπογραφές. Μετά από αυτό έγινε η επιβλεπόμενη ταξινόμηση των εικόνων χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο μεγίστης πιθανότητας. Για την τελειοποίηση της ταξινόμησης και τη διόρθωση τυχόν σφαλμάτων έγινε μια μετά-ταξινόμηση. Γι’ αυτή τη διαδικασία χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα με μεσαία χωρική ανάλυση για τα μεικτά εικονοστοιχεία και κυρίως για τις αστικές περιοχές όπου υπάρχει ετερογενές μείγμα χαρακτηριστικών. Το πρόβλημα των εσφαλμένων ταξινομήσεων λύθηκε με την βοήθεια της οπτικής ερμηνείας, που αποτελεί καθοριστικό κομμάτι στη διαδικασία της ταξινόμησης.

Αξιολόγηση Ακρίβειας

Η αξιολόγηση της ακρίβειας ταξινόμησης των εικόνων του 1992 και του 2012 πραγματοποιήθηκε με σκοπό να προσδιοριστεί η ποιότητα των πληροφοριών που προέκυψαν από τα αρχικά δεδομένα. Για την αξιολόγηση των χαρτών που δημιουργήθηκαν με τις χρήσεις γης χρησιμοποιήθηκε η τυχαία μέθοδος στρωματοποίησης. Για τη σύγκριση των αρχικών δεδομένων και των αποτελεσμάτων ταξινόμησης υπολογίσθηκαν οι πίνακες σφαλμάτων και για περαιτέρω έλεγχο χρησιμοποιήθηκε και το μη παραμετρικό τεστ Kappa.

Ανίχνευση Αλλαγών Χρήσεων Γης

Για τον προσδιορισμό των αλλαγών στις χρήσεις γης της περιοχής χρησιμοποιήθηκε η τεχνική ανίχνευσης μετά την ταξινόμηση και η τεχνική της επικάλυψης. Δημιουργήθηκε με αυτό το τρόπο μια διπλή μήτρα και έγινε σύγκριση εικονοστοιχείο προς εικονοστοιχείο ώστε να δημιουργηθεί ένα νέο θεματικό επίπεδο των διαφορετικών συνδυασμών. Η διαδικασία αυτή πραγματοποιήθηκε στο πρόγραμμα του ArcGIS 10.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Ταξινομημένοι Χάρτες

Εικόνα 2. Οι ταξινομημένοι χάρτες των χρήσεων γης της λεκάνης απορροής για το 1992 (αριστερά) και το 2012 (δεξιά).

Τα αποτελέσματα της παραπάνω εφαρμογής ήταν οι ταξινομημένοι χάρτες χρήσεων γης της λεκάνης απορροής Simply για τις χρονολογίες 1992 και 2012. Η ακρίβεια της ταξινόμησης στο χάρτη του 1992 ήταν 95.32% και στο χάρτη του 2012 95.13%. Αντίστοιχα, οι τιμές του μη παραμετρικού τεστ Kappa ήταν 0.9237 και 0.9070. Με βάση αυτά τα στοιχεία οι ταξινομήσεις ήταν μέσα στα αποδεκτά όρια και θεωρούνται επιτυχημένες. Όσον αφορά τις κατηγορίες των χρήσεων γης που ταξινομήθηκαν οι εικόνες έχουμε τα εξής συμπεράσματα για τη διαχρονική τους εξέλιξη:

1. Μείωση ποσοστού έκτασης της κατηγορίας της βλάστησης από 69% σε 43%

2. Μείωση ποσοστού έκτασης της κατηγορίας του νερού από 4% σε 1%

3. Αύξηση ποσοστού έκτασης της κατηγορίας των οικισμών από 6% σε 11%

4. Αύξηση ποσοστού έκτασης της κατηγορίας της γεωργίας από 11% στο 29%

5. Αύξηση ποσοστού έκτασης της κατηγορίας του εδάφους/πετρωμάτων από 10% στο 16%

ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ ΓΕΩΡΓΙΑΣ: Κατά το πέρασμα των 20 χρόνων το ποσοστό της έκτασης της γεωργίας σημείωσε αύξηση κατά 163,7%. Οι κατηγορίες των χρήσεων γης που άλλαξαν και μεταβλήθηκαν σε αυτήν ήταν κατά κύριο λόγο οι απότομες πλαγίες, οι βιοφυσικές περιοχές και τα δάση. Οι λόγοι που οδήγησαν σε αυτή την αλλαγή ήταν κυρίως οικονομικής φύσης.

ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ ΕΔΑΦΟΥΣ\ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ: Η κατηγορία του εδάφους και των πετρωμάτων σημείωσε και αυτή με τη σειρά της μεγάλη αύξηση της τάξεως του 63,3%. Κατά κύριο λόγο η κατηγορία της βλάστησης ήταν αυτή που μειώθηκε και μετατράπηκε σε άγονο έδαφος και πετρώματα. Αυτή η αλλαγή οφείλεται στην ταχεία αποψίλωση των δασών, στην κοπή του ξύλου για καύσιμο από τις τοπικές κοινότητες και στην εκτεταμένη βόσκηση βοοειδών.

ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ ΟΙΚΙΣΜΩΝ: Οι οικισμοί και οι δομημένες περιοχές παρουσίασαν αύξηση κατά 80,1% από το 1992 έως το 2012. Οι λόγοι αύξησης ήταν τα νέα καθεστώτα στέγασης, οι αγροικίες και οι ψυχαγωγικές δραστηριότητες που αναπτύχθηκαν στη γύρω περιοχή τα τελευταία 20 χρόνια. Επιπλέον, η κατασκευή νέων πεζοδρομίων, αυτοκινητοδρόμων και άλλων δομών για την πρόσβαση σε αυτές τις περιοχές έπαιξαν καθοριστικό λόγο σε αυτή την αλλαγή. Η βλάστηση ήταν αυτή που μεταβλήθηκε σε μεγαλύτερο βαθμό σε αυτή τη κατηγορία.

ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ ΝΕΡΟΥ: Η ποσοστιαία μείωση της έκτασης του νερού ήταν 74,3%. Οι αλλαγές των άλλων κατηγοριών μέσα σε αυτές τις δεκαετίες είναι ο λόγος της μείωσης του νερού καθώς η εύκολη πρόσβαση στο νερό είχε ως αποτέλεσμα την εξάντληση του και τη δημιουργία αποξηραμένων ποταμών. Επίσης, η αποψίλωση συνέλαβε στον αυξανόμενο ρυθμό επιφανειακής απορροής του.

ΚΑΤΗΓΟΡΙΑ ΒΛΑΣΤΗΣΗΣ: Η περιοχή της βλάστησης μείωσε την έκταση της κατά 38,2% μέσα σε αυτές τις 2 δεκαετίες. Η βλάστηση στην περιοχή μελέτης κυρίως περιλαμβάνει τη χαμηλή βλάστηση, το δάσος Patriata, τα κωνοφόρα δάση και το ξηρό αειθαλές δάσος. Οι κύριοι λόγοι που οδήγησαν σε αυτή τη μείωση είναι οι ανθρώπινες δραστηριότητες όπως η κοπή των δασών για τη χρήση του ξύλου και η αναποτελεσματική διαχείριση των δασών από τη μεριά των αρχών.

ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ: Εκτός από τις αλλαγές στις χρήσεις/καλύψεις γης που μελετήθηκαν μέσω των διαχρονικών τηλεπισκοπικών εικόνων παρατηρήθηκε ακόμα ότι η συνολική έκταση της λίμνης Simly μεταβλήθηκε κατά 6% στο πέρασμα αυτών των 20 χρόνων. Για την ακρίβεια η έκταση της από 148 εκτάρια που ήταν το 1992 και αποτελούσε το 0,9% της συνολικής έκτασης της λεκάνης απορροής έγινε 139 εκτάρια το 2012, δηλαδή το 0,8% της συνολικής έκτασης της λεκάνης.

Εικόνα 3. O Χάρτης αλλαγών χρήσεων γης της λεκάνης απορροής Simly από το 1992 μέχρι το 2012..

Χάρτης Αλλαγής Χρήσεων Γης

Ο χάρτης αλλαγής των χρήσεων γης που δημιουργήθηκε από την επικάλυψη των ταξινομημένων χαρτών στο πρόγραμμα του ArcGIS χρησιμοποιήθηκε για την κατανόηση του χωρικού μοντέλου των μεταβολών. Μαζί με τον πίνακα των διασταυρώσεων που φαίνονται οι μεταβολές των εκτάσεων πάρθηκε μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα για τις διαχρονικές αλλαγές της περιοχής μελέτης.

Πίνακας 1. Ο πίνακας διασταυρώσεων των κατηγοριών χρήσεων γης μεταξύ του 1992 και 2012.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η μελέτη αυτή εξέτασε τη σημασία της ενσωμάτωσης της Τηλεπισκόπησης και του GIS για τη μελέτη ανίχνευσης μεταβολών των χρήσεων/καλύψεων γης μιας περιοχής καθώς εξάγονται βασικές πληροφορίες σχετικά με τη χωρική κατανομή και τη φύση των αλλαγών του εδάφους. Οι αλλαγές μέσω της Τηλεπισκόπησης μετατράπηκαν σε ποσοτικά δεδομένα με την τεχνική της σύγκρισης μετά την ταξινόμηση. Η λεκάνη απορροής βρέθηκε να έχει παρουσιάσει ταχεία εξέλιξη αλλαγών χρήσεων/καλύψεων γης. Οι αλλαγές αυτές προήλθαν από διάφορους λόγους προκαλώντας όμως και προβλήματα όπως την υποβάθμιση της ποιότητας των πόρων της λεκάνης. Έχοντας πει όλα αυτά, υπάρχουν αρκετές συστάσεις που βασίζονται στα συμπεράσματα της παρούσας μελέτης για την ορθή διαχείριση και διατήρηση των δασών, των υδάτινων πόρων και των πόρων του εδάφους που επηρεάζουν τη βιωσιμότητα της λεκάνης απορροής.