Παρακολούθηση της ανάπτυξης σε ταχέως αναπτυσσόμενες αστικές περιοχές με τη χρήση δεδομένων τηλεπισκόπησης

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 00:10, 11 Φεβρουαρίου 2019

Εικόνα 2: Σύστημα ιεραρχικής ταξινόμησης εικόνων που εφαρμόζεται στα δεδομένα εικόνας Landsat Thematic Mapper για την οριοθέτηση των τύπων αστικής κάλυψης αστικών περιοχών.

Εικόνα 1: (α) Αποτελέσματα ταξινόμησης κάλυψης γης που προέκυψαν από τα δεδομένα Landsat TM του 1995, που εμφανίζονται για τμήμα 3 χ 3 km της περιοχής μελέτης (β) Βλάστηση και (γ) Εικόνες Κλάσματος Εδαφών που παράγονται από αλγόριθμο περιορισμένου φασματικού μίγματος που εφαρμόζεται στην εικόνα Brisbane 1995 Landsat TM.

Εικόνα 1: α) Αλλαγή αστικής έκτασης κατοικιών για την περιοχή Gold Coast που προέρχεται από χάρτες ταξινόμησης 1988 και 1995 · η περιοχή που εμφανίζεται είναι περίπου 30km x 50km. β) προσομοίωση αλλαγής αστικής έκτασης κατοικιών για την περιοχή Gold Coast 1988 έως 1995, βαθμονομημένη από την ταξινόμηση της εικόνας του 1988 · η περιοχή που εμφανίζεται είναι περίπου 30km 3 50km.

Παρακολούθηση της ανάπτυξης σε ταχέως αναπτυσσόμενες αστικές περιοχές με τη χρήση δεδομένων τηλεπισκόπησης

Με βάση τη σύγχρονη τάση για βιωσιμότητα, υπάρχει μια ανάγκη κατανόησης του αστικού περιβάλλοντος. Τα δεδομένα που παρέχει η τηλεπισκόπηση είναι κατάλληλα για την παροχή πληροφοριών σχετικά με την αστική γη, τα χαρακτηριστικά κάλυψης και την αλλαγή τους στην πάροδο του χρόνου σε διάφορες χωρικές και χρονικές κλίμακες. Τα δεδομένα εικόνας Landsat αντιπροσωπεύουν το μεγαλύτερο αρχείο αρχείων (25 ετών).

Το άρθρο που μελετάται αποτελεί κομμάτι μιας ευρύτερης έρευνας σχετικά με το πώς μπορούν να αξιοποιηθούν δεδομένα τηλεπισκόπησης στον περιφερειακό σχεδιασμό. Επιδιώκει την ανάλυση του εννοιολογικού πλαισίου, σχετικά με την αξιολόγηση τέτοιων δεδομένων και τη χαρτογράφηση χρήσεων, και καλύψεων γης και την παρουσίαση μιας απλής και αξιόπιστης μεθόδου για την οριοθέτηση της έκτασης των αστικών περιοχών και της εσωτερικής τους σύνθεσης όσον αφορά τις αστικές, αγροτικές και φυσικές χρήσεις γης, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης.

Ένα συνεχές πρόβλημα που υπάρχει στις σχετικές υπάρχουσες μελέτες, που βασίζονται σε Landsat Multispectral Scanner (MSS) and Thematic Mapper (TM), αποτελεί η σύγχυση μεταξύ καλύψεων γης. Οι περισσότερες εφαρμογές τηλεπισκόπησης σε αστικά περιβάλλοντα δεν εξετάζουν τις αλληλεξαρτήσεις μεταξύ τύπων κάλυψης γης και φυσικών (βιοφυσικών) και ανθρώπινων (κοινωνικοοικονομικών) στοιχείων των αστικών συστημάτων. Με την ανάλυση των τηλεπισκοπικών δεδομένων και ένα κατάλληλο μοντέλο επεξεργασίας, μπορεί να αναπτυχθεί μια μέθοδος για τη συσχέτιση αυτή.

Το μοντέλο που επιλέχθηκε για την μελέτη τηλεπισκοπικών δεδομένων είναι η ανάλυση του αστικού περιβάλλοντος ως ένα γραμμικό συνδυασμό βλάστησης, αδιαπέρατων στοιχείων κάλυψης εδάφους, δηλαδή το μοντέλο VIS. Οι υποδιαιρέσεις αστικών περιοχών μπορούν να γίνουν βάσει του ποσοστού της χωρικής ενότητας που καταλαμβάνεται από τη βλάστηση, το έδαφος ή την αδιαπέραστη επιφάνεια, μέσω ταξινόμησης εικόνας ή ανάλυσης φασματικού μίγματος. Για τις περισσότερες εφαρμογές τηλεπισκόπησης, κάθε ένα από τα στοιχεία του μοντέλου VIS (βλάστηση, έδαφος και αδιαπέραστη επιφάνεια) θα έχει σημαντικά διαφορετικά φασματικά χαρακτηριστικά. Έτσι, εξετάζοντας τις αστικές περιοχές, με το μοντέλο VIS, μπορεί να αναπτυχθεί ένας ορισμός της αστικής σύνθεσης, ώστε να μπορούν να εφαρμοστούν κοινά διαθέσιμες τεχνικές επεξεργασίας εικόνας για τη διάκριση των αστικών χρήσεων γης.

Για την μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες landsat 5 thematic mappes του Queensland το διάστημα Οκτώβριος 1988-Ιούνιος 1995. Οι εικόνες περιλάμβαναν ζώνες 1 έως 5 (μπλε, πράσινο, κόκκινο, κοντά σε υπέρυθρο, μέση υπέρυθρη ακτινοβολία) και ζώνη 7 (μεσαία υπέρυθρη ακτινοβολία). Η ζώνη 6 (θερμική) δεν αγοράστηκε από το έργο SLATS και συνεπώς δεν ήταν διαθέσιμη για τη μελέτη. Την εποχή του περασμένου Οκτώβρη 1988, η περιοχή μελέτης ήταν σημαντικά ξηρότερη από τον Ιούνιο του 1995. Κατά συνέπεια, η εικόνα του 1988 είχαν σημαντικά χαμηλότερες ποσότητες πράσινης φωτοσυνθετικής βλάστησης.

Το σύστημα ιεραρχικής ταξινόμησης εικόνων χωρίς εποπτεία που καθορίζεται στο παρακάτω σχήμα περιγράφει τους αστικούς τύπους κάλυψης γης. Έχει αρχικά εφαρμοστεί μια εποπτευόμενη προσέγγιση ταξινόμησης, αλλά δεν επέτυχε επαρκή διαχωρισμό μεταξύ των κατηγοριών. Το πρώτο στάδιο της τροποποιημένης μη επιτηρούμενης διαδικασίας ταξινόμησης περιελάμβανε την κατάτμηση της εικόνας σε βλάστηση, νερό και αδιαπέραστες από το έδαφος επιφάνειες. Μια περαιτέρω μη επιτηρούμενη ταξινόμηση πραγματοποιήθηκε στο τμήμα της πράσινης βλάστησης για να επιτραπεί ο διαχωρισμός των ξυλωδών και μη ξυλωδών συστατικών της βλάστησης.

Δύσκολη διάκριση είναι αυτή μεταξύ αστικών περιοχών και περιοχών με χαμηλή βλάστηση, που πιθανόν σχετίζονται με γεωργικές καλλιέργειες. Ορυκτολογικές μελέτες, που χρησιμοποιούν οι τεχνικές τηλεπισκόπησης, πέτυχαν να αναγνωρίσουν μια γκάμα από ζώνες για Landsat TM που διακρίνουν με επιτυχία διαφορετικά ορυκτών τύπων (π.χ. αναλογίες 5/7 για ορυκτό πηλό, 3/1 για οξείδιο σιδήρου και 5/4 για σιδηρούχα μεταλλικά στοιχεία). Έχοντας διαχωρίσει τις αδιαπέραστες επιφάνειες και τα εκτεθειμένα εδάφη που συνδέονται με τις αστικές χρήσεις γης, παρέμεινε σημαντική σύγχυση μεταξύ των αραιοκατοικημένων εκτεθειμένων εδαφών που σχετίζονται με τις αγροτικές χρήσεις γης και τις διαμορφωμένες περιοχές κατοικίας. Ένα θεμελιώδες χαρακτηριστικό των κατοικημένων περιοχών είναι η υψηλή συχνότητα μεταβλητότητας των τιμών ανάκλασης, με βάση το οποίο διαχωρίζουμε τις αραιοκατοικημένες περιοχές από τις γεωργικές. Οι ταξινομήσεις, στη πορεία, διορθώθηκαν χειρωνακτικά.

Μετά την ταξινόμηση χρησιμοποιήθηκε μέθοδος σύγκρισης, όπου κάθε εικονοστοιχείο αντιστοιχεί σε μια νέα κατηγορία με βάση τους τύπους κάλυψης εδάφους του 1988 και του 1995. Για το 1988 δεν υπήρχαν διαθέσιμες αεροφωτογραφίες οπότε δεν υπήρχαν δεδομένα χρήσεων γης και άρα δε μπορούσε να γίνει ποσοτική αξιολόγηση. Οι ψηφιακές φωτογραφίες ήταν διαθέσιμες μόνο για τις πόλεις του South Brisbane, Redland και Logan Local Area (LGA), οπότε η Gold Coast LGA δεν συμπεριλήφθηκε στην αξιολόγηση της ακρίβειας. Συνολικά ελήφθησαν δείγματα από επτά φωτογραφίες με τη μέθοδο διαστρωματωμένης τυχαίας δειγματοληψίας και 387 δειγματοληπτικών σημείων, με δύο φωτογραφίες για κάθε μία από τις ομάδες LGA των Redland και Logan και τρεις στις φωτογραφίες στην νότια περιοχή Brisbane.

Επιλέχθηκαν φωτογραφίες έτσι ώστε η συνολική έκταση αστικών, καθαρών και δασικών εκτάσεων στις περιοχές δειγματοληψίας να ήταν περίπου η ίδια. Το αποτέλεσμα ήταν ότι κάθε τάξη είχε περισσότερα από 100 δείγματα (εκτός από την τάξη των υδάτων), σύμφωνα με τον κανόνα που παρουσίασε ο Congalton (1991).

Η αστική ανάπτυξη μπορεί να θεωρηθεί ως ένα αυτοοργανωμένο σύστημα στο οποίο οι φυσικοί περιορισμοί και οι θεσμικοί έλεγχοι που συνδέονται με τις πολιτικές χρήσης γης επιτελούν τον τρόπο με τον οποίο οι τοπικές διαδικασίες λήψης αποφάσεων παράγουν μακροσκοπικά πρότυπα αστικής μορφής. Έτσι, στη παρούσα μελέτη χρησιμοποιείται ένα μοντέλο κυψελωτών αυτομάτων (cellular automata), που προσομοιώνει τοπικές διαδικασίες λήψης αποφάσεων ώστε να αντιμετωπίσει ζητήματα βιώσιμης αστικής ανάπτυξης.

Για να προσομοιωθεί η αστική ανάπτυξη με το μοντέλο CA, χρειαζόμαστε δεδομένα έκτασης της περιοχής μελέτης. Ένα στοιχείο που μπορούμε να αντλήσουμε από δεδομένα τηλεπισκόπησης, όπου διαφαίνονται και στοιχεία αρχής ανάπτυξης της περιοχής. Μετά τη βαθμονόμηση και την επικύρωση του μοντέλου, μπορεί να γίνει προσομοίωση διαφορετικών σεναρίων χρήσης γης για να αποκαλυφθούν οι συνέπειες των διαφορετικών πολιτικών χρήσης γης. Το παρακάτω σχήμα δείχνει τα αποτελέσματα της ταξινόμησης κάλυψης γης της εικόνας Landsat TM του 1995. Και οι δύο αυτές αστικές τάξεις συνδυάζονται σε μία τάξη στην αξιολόγηση ακρίβειας αλλά διαχωρίζονται εδώ για να καταδείξουν τη δυνατότητα αυτής της μεθόδου να συμβάλλουν στην ταξινόμηση των τύπων αστικού εδάφους ώστε να ταιριάζουν με το μοντέλο VIS και να παρέχουν επικύρωση για το μοντέλο CA. Για να ληφθεί ένα μέτρο ακρίβειας που περιλαμβάνει την παράλειψη (εσφαλμένα εξαιρούμενα στοιχεία) και τα σφάλματα προμήθειας (εσφαλμένα συμπεριλαμβανόμενα στοιχεία), υπολογίστηκε το στατιστικό στοιχείο KAPPA (K). Το στοιχείο KAPPA υποδεικνύει τη συνολική προσαρμοσμένη ακρίβεια ταξινόμησης κατά 83% για την εικόνα του 1995, που αντιπροσωπεύει βελτίωση από την προηγούμενη ταξινόμηση των εικόνων ΤΜ σε αστικοποιημένες περιοχές στο νοτιοανατολικό Queensland από 69% έως 75%.

Οι αδιαπέραστες επιφάνειες και το εκτεθειμένο έδαφος με μικρή ή καθόλου βλάστηση, όπως αυτή που σχετίζεται με βιομηχανικούς χώρους και νέες αστικές εξελίξεις, έχουν χαρακτηριστικά υψηλότερες τιμές φωτεινότητας από τις περιοχές που περιέχουν ένα μίγμα βλάστησης και, με εξαίρεση τον εκτεθειμένο τύπο κάλυψης εδάφους, είναι σχετικά εύκολο να διαχωριστούν. Οι αναλογίες ορυκτών ζωνών που εφαρμόστηκαν σε αυτή τη μελέτη αποδείχθηκαν χρήσιμες για τη διάκριση του εκτεθειμένου. Στην προσέγγιση που χρησιμοποιήσαμε σε αυτή τη μελέτη, οι ορυκτολογικές αναλογίες ταινιών ταξινομήθηκαν σε σύνθετη μορφή τριών ζωνών, η οποία περιορίζει την ικανότητα να διακρίνει τη δυνητική συμβολή των μεμονωμένων αναλογιών για να διακρίνει συγκεκριμένους τύπους κάλυψης γης.

Όπως παρατηρήθηκε σε μια σειρά άλλων μελετών αστικής ταξινόμησης, η υφή είναι μια χρήσιμη ερμηνευτική τεχνική για την αναγνώριση της αστικής οικιστικής χρήσης. Το απλό μέτρο της υφής για τον προσδιορισμό της φασματικής ποικιλίας σε μια γειτονιά 150 mχ150 m που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή τη μελέτη υποστηρίζει τα ευρήματα προηγούμενων μελετών. Τα πιο εξελιγμένα μέτρα υφής μπορεί να μειώσουν τη σύγχυση κατά την ταξινόμηση καθιερωμένων κατοικημένων περιοχών. Ωστόσο, αυτό είναι ένα θεμελιώδες πρόβλημα στην αστική ταξινόμηση και είναι εγγενώς συνδεδεμένο με τον ορισμό των τύπων αστικών γηπέδων, όχι τύπων χρήσεων γης σε αστικές περιοχές. Οι εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη μελέτη καταγράφηκαν τον Ιούνιο, ο οποίος είναι ένας ξηρός χρόνος του χρόνου στην περιοχή μελέτης μας, οπότε και τα αποτελέσματα που βγάζουμε είναι τα ανάλογα όσον αφορά τις καλύψεις εδάφους και τη βλάστηση.

Ένα ιδιαίτερο πρόβλημα που προέκυψε στην ταξινόμηση ήταν τα διαφορετικά επίπεδα ξηρότητας που σχετίζονται με το τοπίο που συλλαμβάνεται σε κάθε εικόνα. Κατά τη διάρκεια των ξηρότερων ετών υπάρχει μεγαλύτερη ξηρή βλάστηση και εκτεθειμένο έδαφος σε κατοικημένες περιοχές. Τα αποτελέσματα υπογραμμίζουν την ανάγκη μιας ιεραρχικής προσέγγισης για την εκτίμηση της κάλυψης της γης εντός αστικών περιοχών, μέρος των οποίων μπορεί να αντιμετωπιστεί με φασματικούς αλγόριθμους χωρίς ανάμιξη.

Στον χάρτη ανίχνευσης αλλαγών υπάρχουν διαφορές στις ταξινομημένες εικόνες που προκύπτουν από την ξηρότητα του τοπίου. Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, η εικόνα ανίχνευσης αλλαγής διηθήθηκε σε περιοχές μεγαλύτερες από πέντε εκτάρια, εξαλείφοντας έτσι τα μικρά κομμάτια της κατά κύριο λόγο λανθασμένης αλλαγής.

Για να αποδειχθεί η εφαρμογή των ταξινομημένων δεδομένων εικόνας στην προσομοίωση της αστικής ανάπτυξης, εφαρμόστηκε ένα απλό πρότυπο ανάπτυξης CA για την Gold Coast, μία ταχέως αναπτυσσόμενη περιοχή του Albert Shire. Ο στόχος της προσέγγισής μας στην προσομοίωση της αστικής ανάπτυξης δεν είναι η πρόβλεψη των πραγματικών προτύπων ανάπτυξης, αλλά η ανάπτυξη ενός εργαλείου σχεδιασμού τύπου "τι και εάν" έτσι ώστε, λαμβάνοντας υπόψη τις προβλέψεις πληθυσμιακής ανάπτυξης και τους περιορισμούς χρήσης γης, μπορούν να αναπτυχθούν και να αξιολογηθούν πιθανά σενάρια ανάπτυξης. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την εφαρμογή των δεδομένων εικόνας Landsat Thematic Mapper (TM) δείχνουν ότι η σύνθεση του τύπου κάλυψης γης μιας αστικής περιοχής και των αστικοποιημένων περιοχών μπορεί να ταξινομηθεί επιτυχώς χρησιμοποιώντας μια προσεκτικά σχεδιασμένη μεθοδολογία επεξεργασίας εικόνας.

[1]