Σύγκριση μοντέλων πρόβλεψης αστικής εξάπλωσης σε μεσαίου μεγέθους ελληνική πόλη (Καρδίτσα)

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 18:11, 12 Μαρτίου 2017

Συγγραφείς : Κουκόσια Ηλιάνα,Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας, Τμήμα Μηχανικών Χωροταξίας Πολεοδομίας και Περιφερειακής Ανάπτυξης, Σταθάκης Δημήτρης,Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας, Τμήμα Μηχανικών Χωροταξίας Πολεοδομίας και Περιφερειακής Ανάπτυξης.

Πηγή : Link

Λέξεις κλειδιά : Αστική, εξάπλωση, πόλη, Καρδίτσα Περίληψη

Η εργασία έχει ως σκοπό τη σύγκριση των μοντέλων πρόβλεψης αστικής εξάπλωσης SLEUTH και CA-Markov που βασίζονται στη μέθοδο των Κυψελοειδών Αυτομάτων, στην πόλη της Καρδίτσας.

1. Εισαγωγικά

Σκοπός των μοντέλων πρόβλεψης αστικής εξάπλωσης είναι να αποδώσουν τους κανόνες που έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για τον καλύτερο σχεδιασμό των μελλοντικών αστικών προτύπων. Ωστόσο μέχρι στιγμής δεν έχει εφαρμοστεί κανένα αυστηρό πλαίσιο για τη μοντελοποίηση της αστικής εξάπλωσης. Έχουν προταθεί πολλά μοντέλα στο παρελθόν, οι πρόσφατες τάσεις μεταξύ άλλων περιλαμβάνουν τα κυτταρικά αυτόματα.

2. Κυψελοειδή Αυτόματα

Τα Κυψελοειδή Αυτόματα (Cellular Automata) ΚΑ αποτελούν μια υπολογιστική μέθοδο ικανή να προσομοιώσει τις εξελικτικές διαδικασίες περιγράφοντας ένα πολύπλοκο σύστημα με ένα σύνολο απλών κανόνων. Μέσω της βαθμονόμησης μπορεί το μοντέλο των ΚΑ να παράγει αυτόματα ένα αστικό πρότυπο αρκετά κοντά στην πραγματικότητα

3. Περιοχή μελέτης

Για την εφαρμογή των μοντέλων εξετάζεται η ευρύτερη περιοχή της πόλης της Καρδίτσας, συμπεριλαμβανομένης και της Καρδιτσομαγούλας, που ανήκει στους οικισμούς άνω των 2.000 κατοίκων. Τα Δημοτικά Διαμερίσματα Καρδίτσας και Καρδιτσομαγούλας καταλαμβάνουν συνολική έκταση επιφάνειας 60.754,58 στρεμμάτων και έκταση αστικού ιστού περίπου 7.500 στρέμματα. Εξαιτίας της γειτνίασης των δύο οικισμών (απόσταση περίπου 2,5 χιλιομέτρων) οι εξαρτήσεις και οι αλληλεπιδράσεις είναι ιδιαίτερα έντονες.

Σχήμα 1. Περιοχή μελέτης, κτηματολόγιο 2009 (κλίμακα 1:25.000), πηγή:μελέτη

4. Εφαρμογή του μοντέλου SLEUTH

Η εφαρμογή του μοντέλου SLEUTH περιλαμβάνει έξι βήματα, τη μεταγλώττιση (compilation) όπου με χρήση συγκεκριμένων εντολών, γίνεται η μετάφραση του πηγαίου κώδικα (source code) του SLEUTH, την προετοιμασία των χωροχρονικών δεδομένου εισόδου, τη βαθμονόμηση (calibration), κατά την οποία αναγνωρίζονται και προσομοιώνονται τα ιστορικά μοτίβα αστικής ανάπτυξης, την πρόβλεψη (prediction) όπου τα μοτίβα προβάλλονται σε μελλοντικά σημεία, την εξαγωγή και επεξεργασία των αποτελεσμάτων των δεδομένων εξόδου και την εκτίμηση της ακρίβειας του μοντέλου.

Σχήμα 2. Μεταβολές αστικής κάλυψης για τα έτη 1985, 1990, 2000 και 2007, (κλίμακα 1:40.000, πηγή:μελέτη

Από τις εικόνες φαίνεται ότι δεν υπήρξε ιδιαίτερη αύξηση της αστικής γης με την πάροδο των χρόνων. Το τμήμα που αναπτύχθηκε περισσότερο είναι το νοτιοδυτικό. Εν συνεχεία, αναπτύχθηκε ένα βασικό σενάριο για την προσομοίωση του χωρικού πρότυπου της αστικής ανάπτυξης στην περιοχή μελέτης. Το σενάριο αυτό είναι η ελεύθερη αστική εξάπλωση χωρίς κανένα περιορισμό (διατηρώντας τη δυναμική του παρατηρούμενου χωρικού προτύπου από το έτος 1985 έως το 2007).

4.2 Αποτελέσματα

Τα δεδομένα εξαγωγής του σεναρίου της πρόβλεψης είναι δύο ειδών, αρχεία εικόνων τύπου gif που είναι όλα στην ίδια ανάλυση και πυκνότητα εικονοστοιχείων με τις εικόνες εισαγωγής και στατιστικά αρχεία. Οι εικόνες δείχνουν τη σχέση των καλύψεων γης για κάθε χρονικό βήμα που έχει τεθεί (1 έτος στην προκειμένη δηλαδή) έως το 2021.

Σχήμα 4. Καλύψεις γης για τα έτη πρόβλεψης 2012, 2015, 2018, 2021, (κλίμακα 1:40.000), πηγή:μελέτη

Επιπλέον σχετικά με τα αρχεία εικόνων, δημιουργήθηκε μια εικόνα που απεικονίζει τη μεταβολή της αστικής χρήσης στην περιοχή μελέτης από το 2007 έως το 2021. Το εύρος των τιμών των εικονοστοιχείων κυμαίνεται σύμφωνα με την πιθανότητα αστικής εξάπλωσης στο τελευταίο έτος της πρόβλεψης (2021).

Σχήμα 5. Πρόβλεψη αστικής διάχυσης από το 2007 έως το 2021(αρχική κατάσταση, κίτρινο χρώμα), (κλίμακα 1:40.000), πηγή:μελέτη

Η παραπάνω εικόνα δείχνει χαρακτηριστικά τη μεγαλύτερη πιθανότητα εξάπλωσης των αστικών χρήσεων γύρω από το οδικό δίκτυο (παρόδια δόμηση). Μεγαλύτερο ποσοστό διάχυσης εμφανίζει το νοτιοδυτικό τμήμα της πόλης της Καρδίτσας, κυρίως λόγω της περιφερειακής οδού. Η περιοχή περιμετρικά της Καρδιτσομαγούλας παρουσιάζει μικρό ποσοστό, με ένα μικρό κομμάτι στο νότιο τμήμα της, κοντά στην πόλη της Καρδίτσας με ποσοστό 80- 90%.

5. Εφαρμογή του CA- Markov

Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται μια εναλλακτική μέθοδος μελέτης της εξάπλωσης του αστικού ιστού της πόλης με την εφαρμογή τηλεπισκοπικών δεδομένων και του μοντέλου CA- Markov. Η μεθοδολογική αλυσίδα που ακολουθήθηκε περιλαμβάνει τέσσερα βασικά στάδια, την προεπεξεργασία των εικόνων, την ταξινόμηση (ορισμός φασματικών υπογραφών, επιβλεπόμενη ταξινόμηση, φιλτράρισμα, αποτίμηση ακρίβειας) και την εφαρμογή του μοντέλου CA- Markov Η ταξινόμηση που χρησιμοποιήθηκε είναι η επιβλεπόμενη ταξινόμηση. Για την αντιστοίχηση των pixel σε κατηγορίες χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της μεγίστης πιθανοφάνειας (maximum likelihood). Η maximum likelihood χρησιμοποιείται περισσότερο από κάθε άλλη μέθοδο ταξινόμησης δίνοντας σε πολλές περιπτώσεις καλό αποτέλεσμα. Στηρίζεται στην παραδοχή ότι οι τιμές των δειγματοληπτικών περιοχών όσο και των κατηγοριών ακολουθούν την κανονική κατανομή, γεγονός που δεν εξακριβώνεται πάντα στην πράξη (Σταθάκης, 2003). Από τα αποτελέσματα της ταξινόμησης προκύπτει ότι η πόλη δεν έχει εξαπλωθεί πολύ προς τα βόρεια ενώ έντονη αστική διάχυση παρατηρείται προς το νοτιοδυτικό και προς το νοτιοανατολικό κομμάτι της πόλης.

Σχήμα 6. Επιβλεπόμενη ταξινόμηση, 1985, 1992, 2000, 2011, (κλίμακα 1:40.000), πηγή:μελέτη

5.2 Αποτελέσματα

Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την αποτίμηση της ακρίβειας είναι ότι εφόσον ο δείκτης Κ είναι πάνω από 78% (80-95% αντίστοιχα), οι ταξινομήσεις παρουσιάζουν ικανοποιητικό ποσοστό ακρίβειας και αξιοπιστίας.

Σχήμα 7. Αποτέλεσμα μοντέλου CA- Markov, (κλίμακα 1:40.000), πηγή:μελέτη

Στην εικόνα της πρόβλεψης το αστικό καταλαμβάνει έκταση 25.387,2 στρέμματα, με ποσοστό αύξησης από το έτος 2011 40%. Σε γενικές γραμμές σύμφωνα με το μοντέλο Markov, ο αστικός και περιαστικός ιστός της πόλης της Καρδίτσας στα επόμενα δέκα χρόνια θα εξαπλωθεί ομοιόμορφα, δηλαδή όπου υπάρχει αστικό το μοντέλο δείχνει ότι θα αυξηθεί. Το αποτέλεσμα αυτό δεν είναι απολύτως σωστό, κυρίως λόγω της οικονομικής κρίσης που πλήττει τη χώρα τα τελευταία χρόνια (μείωση του ποσοστού της οικοδομικής δραστηριότητας) και της διάρκειας της.

6. Σύγκριση δύο μεθόδων πρόβλεψης αστικής εξάπλωσης

Εφαρμόζοντας τις δύο μεθόδους πρόβλεψης της αστικής εξάπλωσης στην πόλη της Καρδίτσας, γίνεται εμφανές ότι το μοντέλο SLEUTH δίνει πιο ακριβή και ρεαλιστικά αποτελέσματα επειδή συμπίπτουν περισσότερο με τις σημερινές τάσεις αστικοποίησης όπως εξετάστηκαν στο κεφάλαιο 3 (βορειοανατολικό και νοτιοδυτικό τμήμα της πόλης). Ένα σημαντικό πλεονέκτημα του συγκεκριμένου μοντέλου είναι ότι με τη βαθμονόμηση του τρόπου που μια περιοχή έχει αλλάξει στο παρελθόν, μπορεί να τεκμηριωθεί μια λογική πρόβλεψη για μελλοντική αλλαγή. Ένα ακόμη σημαντικό πλεονέκτημα του SLEUTH είναι ότι στα δεδομένα εξαγωγής δημιουργούνται τόσες εικόνες όσες και οι χρονοσειρές μέχρι το έτος πρόβλεψης. Τέλος αξίζει να σημειωθεί ότι το μοντέλο SLEUTH αποτελεί (free) λογισμικό χωρίς καμία χρέωση. Από την άλλη πλευρά όμως η μέθοδος του SLEUTH παρουσιάζει κάποια σημαντικά μειονεκτήματα στη χρήση του, όπως τα ελλιπή δεδομένα για το αστικό και τις καλύψεις γης που είναι περιορισμένα κυρίως για τον Ελλαδικό χώρο Εν αντιθέσει η μέθοδος Markov είναι πολύ απλούστερη λειτουργικά, πιο γρήγορη και απαιτεί μικρότερο όγκο raster αρχείων. Η συγκέντρωση δεδομένων είναι ευκολότερη (δορυφορικές εικόνες) και συνήθως χωρίς οικονομικό κόστος. Σε γενικές γραμμές το μοντέλο SLEUTH προβλέπει την εξάπλωση του αστικού με βάση τις τάσεις αστικής εξάπλωσης των προηγούμενων ετών, όπως και τα περισσότερα μοντέλα πρόβλεψης. Σημαντικό επομένως θα ήταν μελλοντικά αν εφαρμόζονταν κάποιες προγραμματιστικές διορθώσεις προσθέτοντας τις παραμέτρους αυτές στα δεδομένα εισαγωγής του μοντέλου.

7. Συμπεράσματα

Συμπερασματικά, από την εφαρμογή των δύο μεθόδων πρόβλεψης της αστικής διάχυσης προκύπτει ότι το μοντέλο SLEUTH εμφανίζει μεγαλύτερο βαθμό προσομοίωσης με την πραγματικότητα και μπορεί συνδυάζοντας εφαρμογές τηλεπισκόπησης και ΓΣΠ να αποτελέσει ένα αρκετά δυναμικό εργαλείο του πολεοδομικού σχεδιασμού.