Χωρική μοντελοποίηση της φυσικής και περιβαλλοντικής ευπάθειας μέσω τεχνικών τηλεπισκόπησης και GIS για την πόλη Άστραχαν, Ρωσία

''' Χωρική μοντελοποίηση της φυσικής και περιβαλλοντικής ευπάθειας μέσω τεχνικών τηλεπισκόπησης και GIS για την περιοχή Άστραχαν της Ρωσίας '''

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' '' Spatial modelling for natural and environmental vulnerability through remote sensing and GIS in Astrakhan, Russia ''

'''Συγγραφείς: '''  Komal Choudhary, Mukesh Singh Boori, Alexander Kupriyanov

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''The Egyptian Journal of Remote Sensing and Space Science, Available online 31 May 2017''

'''ΛΕΞΕΙΣ-ΚΛΕΙΔΙΑ: ''' Χρήσεις/Καλύψεις γης, GIS, Τηλεπισκόπηση, Ευπάθεια

[[Εικόνα:Rswiki_p6_ld_1.jpg  | thumb| right|Eικόνα 1:'''Γεωγραφική θέση της περιοχής μελέτης Άστραχαν στη Ρωσία  ''']]

'''Αντικείμενο'''

Αντικείμενο της παρούσας μελέτης είναι να χαρτογραφήσει την περιβαλλοντική ευαισθησία των περιοχών, μέσω του εντοπισμού των μεταβολών χρήσεων/καλύψεων γης, στην πόλη Άστραχαν της Ρωσίας. Μέσω διαδικασιών που βασίζονται σε τεχνικές τηλεπισκόπησης και στα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών(GIS), η μελέτη επιχειρεί να ταυτοποιήσει, αξιολογήσει και κατηγοριοποιήσει την περιβαλλοντική ευπάθεια. Τα θεματικά επίπεδα που χρησιμοποιήθηκαν στη διαδικασία είναι: οι χρήσεις/καλύψεις γης, η βλάστηση, το έδαφος, η γεωλογία και η γεωμορφολογία. Η επεξεργασία τους πραγματοποιήθηκε σε περιβάλλον ArcGIS. Σύμφωνα με τα αριθμητικά αποτελέσματα η ευπάθεια κατηγοριοποιήθηκε στα εξής πέντε επίπεδα: χαμηλή, λογική, μέτρια, υψηλή και ακραία. Στην περιοχή μελέτης ως βασικοί παράγοντες μεταβολής της περιβαλλοντικής ευαισθησίας χαρακτηρίστηκαν η καταπάτηση γης, η πληθυσμιακή μεγέθυνση, η εκβιομηχάνιση και οι κυβερνητικές πολιτικές αναφορικά με την περιβαλλοντική προστασία. 

[[Εικόνα:Rswiki_p6_ld_2.jpg  | thumb| right|Eικόνα 2:'''Κατάσταση χρήσεων/καλύψεων γης στο Άστραχαν (α) το 2000, (β) το 2007 και (γ) το 2015  ''']]

'''Εισαγωγή'''

Στη σύγχρονη εποχή οι τεχνικές τηλεπισκόπησης και GIS αποτελούν το ισχυρό εργαλείο για να παρακολουθήσουμε, προβλέψουμε και διαγνώσουμε τις περιβαλλοντικές μεταβολές με αξιόπιστο, επαναλαμβανόμενο, μη επεμβατικό, ταχύ και οικονομικά αποδοτικό τρόπο συμβάλλοντας δραστικά στη λήψη αποφάσεων για τη χάραξη στρατηγικών. Βασικός στόχος της παρούσας μελέτης είναι να: (1) δομήσει ένα μοντέλο της χωρικής κατανομής της φυσικής και περιβαλλοντικής ευπάθειας μέσω τεχνικών τηλεπισκόπησης και GIS, (2) γνωστοποιήσει τις παραμέτρους που χρησιμοποιούνται για την αποσαφήνιση της ευπάθειας, (3) γνωστοποιήσει τα επίπεδα ευπάθειας στα διαφορετικά τμήματα της περιοχής μελέτης. Άλλο ένα βασικό ζήτημα της συγκεκριμένης μελέτης είναι να προσδιορίσει τα διαφορετικά βάρη με τα οποία κάθε παράγοντας επιδρά στην περιβαλλοντική ευπάθεια και να τα παρουσιάσει σε ένα κοινό θεματικό επίπεδο. Η διαδικασία της αναλυτικής ιεραρχίας, μια θεωρία η οποία εφαρμόζεται και σε πολύπλοκα τεχνολογικά, οικονομικά και κοινωνικοπολιτικά προβλήματα, θεωρείται ως η καταλληλότερη μέθοδος για να εξάγει τα διαφορετικά βάρη που σχετίζονται με κάθε παράγοντα. 

[[Εικόνα:Rswiki_p6_ld_3.jpg  | thumb| right|Eικόνα 3:'''Χάρτες βλάστησης, εδάφους, γεωμορφολογίας, γεωλογίας και χρήσεων/καλύψεων γης   ''']]

'''Περιοχή μελέτης'''

Η μελέτη εστιάζει στην περιοχή της νοτιοανατολικής Ρωσίας και συγκεκριμένα στην πόλη Άστραχαν. Γεωγραφικά τοποθετείται στο δέλτα του Βόλγα και αποτελεί ζώνη υψηλής περιβαλλοντικής ευαισθησίας. Το κλίμα της πόλης χαρακτηρίζεται κατά κύριο λόγο ως ηπειρωτικό, ημι-άνυδρο με κρύους χειμώνες και ζεστά καλοκαίρια. Το χειμώνα η θερμοκρασία μπορεί να πέσει στους -3,6οC, ενώ το καλοκαίρι φτάνει στους 40 οC. Στο Άστραχαν είναι εγκατεστημένες αρκετές βιομηχανίες αλιείας, κατασκευής πλοίων, εξευγενισμού ορυκτέλαιων κ. α.

[[Εικόνα:Rswiki_p6_ld_4.jpg  | thumb| right|Eικόνα 4:'''Χρήσεις/καλύψεις γης για το Άστραχαν τα έτη 2000, 2007 και 2015  ''']]

'''Δεδομένα και Μεθοδολογία'''

Οι βασικές πηγές δεδομένων για την εκτέλεση της μεθοδολογίας διακρίνονται σε πρωταρχικές(δορυφορικά δεδομένα) και δευτερεύουσες(δεδομένα επίγειας έρευνας) με στοιχεία για τις κατηγορίες χρήσεων/καλύψεων γης και για την τοπογραφία. Τα επίγεια δεδομένα συλλέχθηκαν με τη βοήθεια του Παγκόσμιου Συστήματος Στιγματοθέτησης(GPS) και αφορούν τα έτη 2007 και 2015. Οι μεμονωμένες δορυφορικές εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν προέρχονται από το δορυφόρο Landsat ETM+ για τα έτη 2000 και 2007 κι από τον αισθητήρα OLI για το έτος 2015. Στην προεπεξεργασία των εικόνων χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος εντοπισμού μεταβολών LULC, η οποία περιλαμβάνει ανάκτηση δεδομένων, προεπεξεργασία δεδομένων, επιβλεπόμενη ταξινόμηση και μεταταξινόμηση. Η προεπεξεργασμένη εικόνα δημιουργήθηκε για την εξαγωγή σημαντικών πληροφοριών από τα δορυφορικά δεδομένα. Η διαδικασία προεπεξεργασίας περιλαμβάνει συνήθως στάδια όπως η γεωμετρική διόρθωση, η ενίσχυση εικόνας και η τοπογραφική διόρθωση. Βασική προϋπόθεση αποτελεί η τοποθέτηση των εικόνων σε κοινό σύστημα αναφοράς. Οι κατηγορίες καλύψεων γης τυπικά χαρτογραφήθηκαν χρησιμοποιώντας ως πηγή δεδομένα τηλεπισκόπησης και εφαρμόζοντας επιβλεπόμενη ταξινόμηση εικόνας. Το γενικό αντικείμενο της διαδικασίας ταξινόμησης εικόνας είναι να κατανέμει αυτόματα όλα τα pixels μιας εικόνας σε κατηγορίες καλύψεων γης και ταυτόχρονα με τη μέθοδο της μέγιστης πιθανοφάνειας να αξιολογεί ποσοτικοποιημένα τη διακύμανση και τη συνδιακύμανση των μοτίβων φασματικής απόκρισης των κατηγοριών κάθε φορά που ταξινομεί ένα άγνωστο pixel. Για το λόγο αυτό η διαδικασία αυτή θεωρείται μια από τις πιο ακριβείς μεθόδους ταξινόμησης, βασιζόμενη σε στατιστικές παραμέτρους. Η ακρίβεια των παραγόμενων χαρτών ταξινόμησης ελέγχθηκε με τη χρήση εργαλείων GIS. Η επιβλεπόμενη ταξινόμηση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση σημείων ελέγχου στο έδαφος και τοπογραφικών χαρτών. Στην πορεία της μεθοδολογίας δημιουργήθηκαν χάρτες απεικόνισης της κατάστασης χρήσεων/καλύψεων γης που προέκυψαν ως αποτέλεσμα της οπτικής φωτοερμηνείας και της μεταταξινόμησης των δορυφορικών εικόνων. Οι χάρτες δημιουργήθηκαν με σκοπό να εντοπιστούν μεταβολές στις χρήσεις/καλύψεις γης μέσω της σύγκρισης της ίδιας περιοχής μελέτης για τρία διαφορετικά έτη(2000, 2007, 2015). Η προσέγγιση της μεταταξινόμησης παρέχει πληροφορίες μετάβασης “από” μια κατηγορία κάλυψης γης “σε” κάποια άλλη και είναι εξαιρετικά χρήσιμη για τον έλεγχο της περιβαλλοντικής ευπάθειας. Όλα τα πολυφασματικά και χρονικά δεδομένα γεωαναφέρθηκαν με βάση τοπογραφικά υπόβαθρα σε περιβάλλον λογισμικού ArcGIS 10. 2. Στη συγκεκριμένη περιοχή μελέτης, με σκοπό να βελτιωθεί η ποιότητα της έρευνας, χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικοί δείκτες καναλιών, διαφορετικές τεχνικές ενίσχυσης εικόνας και διαφορετικές μέθοδοι ταξινόμησης. Οι θεματικοί χάρτες που προέκυψαν βασιζόμενοι στα δεδομένα του Landsat ETM+ και του OLI, αφορούν τις κατηγορίες γεωλογίας, γεωμορφολογίας, εδάφους, βλάστησης και χρήσεων/καλύψεων γης. Το βάρος της κάθε κατηγορίας στη φυσική και περιβαλλοντική ευαισθησία καθορίστηκε σύμφωνα με το σχέδιο των Tricart και Barbosa. Το βάρος ενός μέρους του τοπίου είναι ενδεικτικό της σημασίας οποιουδήποτε παράγοντα σε σύγκριση με τους υπόλοιπους. Στη φυσική ευπάθεια όλα τα θεματικά επίπεδα έχουν το ίδιο βάρος, αλλά στην περιβαλλοντική ευπάθεια όλα τα θεματικά επίπεδα έχουν διαφορετικό βάρος βασιζόμενο στην ευαισθησία που επιδεικνύουν εντός των ορίων της περιοχής μελέτης μας. Ο βαθμός ευπάθειας για όλα τα μέρη ορίστηκε με εύρος από 0 έως 3. Η ευπάθεια βαθμολογήθηκε ως χαμηλή, λογική, μέτρια, υψηλή και ακραία. Αναλυτικότερα η μαθηματική φόρμουλα που εφαρμόστηκε για τη δημιουργία του χάρτη φυσικής ευπάθειας είναι: 
[(Theme 1) + (Theme 2) + (Theme 3) + (Theme 4) + (Theme 5)]/5, αφού όλες οι κατηγορίες έχουν το ίδιο βάρος. Ενώ για τη δημιουργία του χάρτη περιβαλλοντικής ευπάθειας η μαθηματική φόρμουλα που εφαρμόστηκε είναι:
0,1 X [Theme 1] + 0,1 X [Theme 2] + 0,1 X [Theme 3] + 0,1 X [Theme 4] + 0,1 X [Theme 5].
Όπου: 
Theme 1: Χάρτης γεωμορφολογίας  
Theme 2: Χάρτης γεωλογίας 
Theme 3: Χάρτης εδάφους 
Theme 4: Χάρτης βλάστησης 
Theme 5: Χάρτης χρήσεων/καλύψεων γης 
Ύστερα από την ολοκλήρωση της διαδικασίας η ευπάθεια διακρίθηκε στις ακόλουθες πέντε φυσικές και περιβαλλοντικές κατηγορίες ευπάθειας ανάλογα με το βαθμό που προέκυψε στην κλίμακα 0 έως 3:
1. Χαμηλή ευπάθεια: μικρότερο από ή ίσο με 1.00
2. Λογική ευπάθεια: 1.1 έως 1.5
3. Μέτρια ευπάθεια: 1.51 έως 2.00
4. Υψηλή ευπάθεια: 2.1 έως 2.50
5. Ακραία ευπάθεια: μεγαλύτερη ή ίση με 2.51

[[Εικόνα:Rswiki_p6_ld_5.jpg  | thumb| right|Eικόνα 5:'''Χάρτες φυσικής και περιβαλλοντικής ευπάθειας  ''']]

'''Αποτελέσματα'''

Οι χάρτες χρήσεων/καλύψεων γης προέκυψαν από τη διαδικασία επιβλεπόμενης ταξινόμησης δορυφορικής εικόνας. Η δορυφορική εικόνα κατηγοριοποιήθηκε σε έξι τάξεις χρήσεων: γεωργικές εκτάσεις, άγονη γη, δασικές εκτάσεις, μανγκρόβια δέντρα, οικισμοί και υδάτινες επιφάνειες. Όλοι οι τελικοί χάρτες συγκρίθηκαν με τα πραγματικά δεδομένα της επί τόπου έρευνας και η ακρίβεια των αποτελεσμάτων ξεπερνούσε το 90% για όλες τις ημερομηνίες που εξετάστηκαν. Με βάση τα τελικά αποτελέσματα κυρίαρχη κάλυψη γης στην περιοχή μελέτης είναι η βλάστηση, ενώ ακολουθούν οι οικισμοί. Οποιεσδήποτε μεταβολές πραγματοποιήθηκαν από το 2000 έως το 2015 στην κατανομή των χρήσεων γης οφείλονται σε φυσικές και ανθρωπογενείς διεργασίες, αλλά και στις κλιματικές συνθήκες.

[[Εικόνα:Rswiki_p6_ld_6.jpg  | thumb| right|Πίνακας 1:'''Κατηγορίες που ψηφιοποιήθηκαν κατά τη διαδικασία της επιβλεπόμενης ταξινόμησης  ''']]

''Φυσική ευπάθεια''

Η ανάλυση των χαρτών δείχνει ότι το μεγαλύτερο κομμάτι της περιοχής εντάσσεται στην ασφαλή ζώνη, καθώς το 54,62% χαρακτηρίζεται από μέτρια ευπάθεια, ενώ το 33,56% από λογική ευπάθεια. Περίπου το 6,05% εντάσσεται στην υψηλή ευπάθεια και μόνο το 0,15% στην ακραία. Οι περιοχές υψηλής και ακραίας ευπάθειας σχετίζονται με παράκτιες και υδάτινες περιοχές, ενώ οι περιοχές χαμηλής ευπάθειας συνδέονται με τμήματα βλάστησης και γυμνού εδάφους. 

[[Εικόνα:Rswiki_p6_ld_7.jpg  | thumb| right|Πίνακας 2:'''Τιμές σταθερότητας των τμημάτων τοπίου  ''']]

''Περιβαλλοντική ευπάθεια''

Ο χάρτης περιβαλλοντικής ευπάθειας παρουσιάζει μεγαλύτερο ποσοστό ευάλωτων περιοχών από αυτόν της φυσικής ευπάθειας. Αναλυτικότερα το 54% του συνόλου της περιοχής χαρακτηρίζεται από μέτρια ευαισθησία, ενώ το 6,11% από υψηλή. Η ακραία ευπάθεια ανέρχεται σε 0,15% και τέλος η χαμηλή σε 32,71%. Ως ευαίσθητες περιοχές εμφανίζονται κυρίως τα σημεία γυμνού εδάφους και ορισμένα τμήματα βλάστησης, ενώ ως περιοχές χαμηλής ευαισθησίας εμφανίζονται οι υδάτινες επιφάνειες, όπως η θάλασσα και οι ποταμοί.

[[Εικόνα:Rswiki_p6_ld_8.jpg  | thumb| right|Πίνακας 3:'''Εμβαδόν και πλήθος μεταβολών για τους διαφορετικούς τύπους χρήσεων/καλύψεων γης στην περιοχή μελέτης για τη χρονική 2000-2015  ''']]

'''Συζητήσεις'''

Γενικότερα η περιοχή μελέτης μας μαστίζεται από προβλήματα και απειλές διαφόρων φύσεων. Βασικότερος άξονας πίεσης είναι οι εκτεταμένες ανθρωπογενείς δραστηριότητες στην περιοχή που αλλοιώνουν σταδιακά το φυσικό περιβάλλον προς όφελος του οικονομικού κέρδους. Ειδικότερα στην περιοχή παρατηρείται υποβάθμιση των παράκτιων ζωνών εξ’ αιτίας της ανάπτυξης βιομηχανικών μονάδων στις ακτές, ώστε να είναι ευκολότερη η φορτοεκφόρτωση των εμπορευμάτων. Παράλληλα, παρατηρείται έντονη υποβάθμιση και αποψίλωση των δασών, ενώ και η διάβρωση του εδάφους εξαπλώνεται με ραγδαίους ρυθμούς. Τα τελευταία χρόνια, η απότομη αύξηση του πληθυσμού της πόλης Άστραχαν έχει προκαλέσει αλυσιδωτά προβλήματα στην προστασία του περιβάλλοντος. Η περιβαλλοντική ευαισθησία έχει αυξηθεί σε υψηλότερα επίπεδα εξ΄ αιτίας της μεταβολής των χρήσεων γης, καθώς ολοένα και περισσότερες καλλιέργειες μετατρέπονται σε βιομηχανικές περιοχές. Στο σημείο αυτό καλείται να επέμβει η κεντρική διοίκηση εφαρμόζοντας ορθές και μελετημένες πολιτικές οι οποίες να θέτουν συγκεκριμένα όρια για ορισμένες χρήσεις γης και να παροτρύνουν την αλλαγή κάποιων άλλων σε χρήσεις πιο φιλικές προς το περιβάλλον. Παρ’ όλα αυτά αποκλειστικά η διόρθωση ζητημάτων που αφορούν την περιβαλλοντική ευαισθησία αυτή καθ’ αυτή δεν αρκεί, αφού θα πρέπει να συνδυαστεί με ταυτόχρονη φροντίδα για τα προβλήματα οικονομικής και κοινωνικής φύσεως. 

[[Εικόνα:Rswiki_p6_ld_9.jpg  | thumb| right|Πίνακας 4:'''Πίνακας μεταβολών χρήσεων/καλύψεων γης που παρουσιάζει την καταπάτηση γης στην περιοχή μελέτης  ''']]  

'''Συμπεράσματα'''

Στη συγκεκριμένη μελέτη επιχειρήσαμε να εξετάσουμε τις ποικίλες μεταβολές χρήσεων/καλύψεων γης και επιπέδων ευπάθειας. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα οι μεταβολές αυτές είναι αρκετά έντονες τα τελευταία 15 χρόνια. Αναλυτικότερα οι εκτάσεις βλάστησης και καλλιεργειών υπερκαλύπτουν τις δασικές περιοχές. Αυτό οφείλεται κατά βάση στη ραγδαία πληθυσμιακή αύξηση, η οποία οδήγησε στην αποψίλωση των δασών και τη μετατροπή τους σε καλλιεργητικές εκτάσεις. Επιπλέον, δάση καταστράφηκαν από την υπερβόσκηση και την επέκταση του οδικού δικτύου. Το πιο βασικό και ενδιαφέρον αποτέλεσμα της παρούσας μελέτης είναι ο χάρτης ρίσκου υποβάθμισης που δημιουργήθηκε, αφού συνυπολογίστηκαν όλοι οι χάρτες ευαισθησίας για κάθε τύπο κάλυψης γης.

'''Συμβολή της τηλεπισκόπησης'''

Η τηλεπισκόπηση, όπως φάνηκε από την εργασία, δύναται να αποτελέσει βασικό κομμάτι της ορθής αναγνώρισης της υπάρχουσας κατάστασης και να λειτουργήσει ως καταλύτης στη λήψη μέτρων προστασίας από την υποβάθμιση του φυσικού περιβάλλοντος. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, συνυπολογίζοντας όλα τα δεδομένα που μας παρέχονται από τη φωτοερμηνεία των δορυφορικών εικόνων μπορούμε να εξάγουμε κρίσιμα συμπεράσματα για τη διαχρονική μεταβολή στις χρήσεις γης. Μια ενδεχόμενη μεταβολή καλύψεων γης προκαλεί αλυσιδωτές αντιδράσεις και στα επίπεδα ευαισθησίας της συγκεκριμένης έκτασης. Έτσι κατ’ επέκταση οφείλει να μεταβληθεί και ο τρόπος διαχείρισης του τμήματος αυτού, ώστε να αποφευχθούν οι οποιεσδήποτε απειλές προς την περιβαλλοντική προστασία. Ουσιαστικά, λοιπόν, με όλες τις τεχνικές τηλεπισκόπησης που διαθέτουμε αλλά και μέσω των διαδικασιών επαλήθευσης αποτελεσμάτων που μας παρέχουν τα συστήματα GIS είμαστε ικανοί να έχουμε μια πλήρη εικόνα των περιοχών υψηλής ευαισθησίας που χρήζουν ειδικής διαχείρισης. Έτσι λοιπόν, παρέχεται η προοπτική χάραξης ολοκληρωμένων βιώσιμων πολιτικών που να εξυπηρετούν το σύνολο του πληθυσμού δίνοντας λύση στα όποια κοινωνικοοικονομικά προβλήματα πλήττουν την πόλη Άστραχαν.