Χρονική ανίχνευση και πρόβλεψη της μεταβολής της γεωργικής γης από την αστικοποίηση εφαρμόζοντας μεθόδους τηλεπισκόπησης

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 22:58, 4 Φεβρουαρίου 2020

Χρονική ανίχνευση και πρόβλεψη της μεταβολής της γεωργικής γης από την αστικοποίηση εφαρμόζοντας μεθόδους τηλεπισκόπησης

Πρωτότυπος τίτλος: Temporal detection and prediction of agricultural land consumption by urbanization using remote sensing

Συγγραφείς: Osama Rady Abd EL-kawy a*, Hassan Ahmed Ismail a*, Hythem Mohamed Yehia b*, Mohamed Abdelrady Allam a*

a* Department of Soil and Water Sciences, Faculty of Agriculture, Alexandria University, Egypt

b* Soil Salinity and Alkalinity Department, Soil & Water & Environment Institute, Agricultural Research Centre, Ministry of Agriculture, Egypt

Δημοσιεύθηκε: The Egyptian Journal of Remote Sensing and Space Science, Δεκέμβριος 2019

Σύνδεσμος πρότυπου κειμένου: [1]

Λέξεις-Κλειδιά: Γεωργική γη, Αστικοποίηση, Χρήση/κάλυψη γης, Αλεξάνδρεια, El-Behiera, Αίγυπτος

Εικόνα 1: Ψευδόχρωμο σύνθετο των εικόνων Landsat για τα έτη 1987, 2001, 2015, 2019

Εικόνα 2: Διαδικασία ενίσχυσης στην μετα-ταξινόμηση του χάρτη χρήσεων/κάλυψης γης για το 2001

Εικόνα 3: Διαδικασία φιλτραρίσματος του χάρτη χρήσεων/κάλυψης γης για το 2015

Εικόνα 4: Χάρτες χρήσεων/κάλυψης γης (1987, 2001, 2015 και 2019) που προέκυψαν από την διαδικασία της εποπτευόμενης ταξινόμησης, της μετα-ταξινόμησης και του φιλτραρίσματος

Εικόνα 5: Η χωρική τάση της αστικής επέκτασης στην γεωργική γη κατά την περίοδο 1987-2015

Εικόνα 6: Η χωρική μεταβολή των χρήσεων/κάλυψης γης μεταξύ του 1987 και του 2001

Εικόνα 7: Η χωρική μεταβολή των χρήσεων/κάλυψης γης μεταξύ του 1987 και του 2015

Εικόνα 8: Η χωρική μεταβολή των χρήσεων/κάλυψης γης μεταξύ του 2001 και του 2015

Εικόνα 9: Μελλοντική χωρική κατανομή των κήπων, των γεωργικών και των αστικών χρήσεων γης για το 2019, 2050 και 2100

Αντικείμενο Εφαρμογής

Οι κύριοι στόχοι αυτής της έρευνας είναι να ανιχνεύσει και να ποσοτικοποιήσει τις μεταβολές της γεωργικής γης εξ αιτίας της αστικοποίησης καθώς και να προβλέψει τη μελλοντική εξέλιξη αυτής της διαδικασίας στις περιοχές της Αλεξάνδρειας και της El-Behiera χρησιμοποιώντας τις δορυφορικές εικόνες Landsat για τα έτη1987, 2001, 2015 και 2019.

Εισαγωγή

Χιλιάδες εκτάρια γεωργικής γης χάνονται από την αστικοποίηση σε όλο τον κόσμο κάθε χρόνο. Στην Αίγυπτο, η γεωργική γη είναι υπό συνεχή απειλή από την αστικοποίηση, εφόσον χάθηκαν περίπου 0,5 εκατομμύρια εκτάρια από τις πιο εύφορες γεωργικές εκτάσεις κατά την περίοδο 1965-2000. Ως η δεύτερη μεγαλύτερη πόλη της Αιγύπτου, η Αλεξάνδρεια γνώρισε ταχεία αύξηση του πληθυσμού της, η οποία οφείλεται στη μετανάστευση από την ύπαιθρο προς την πόλη. Η κυβέρνηση της Αλεξάνδρειας παράγει περίπου το 40% του συνόλου του εθνικού προϊόντος και το 8% του ΑΕΠ. Ο συνολικός αριθμός των κατοίκων προβλεπόταν σε 4,94 εκατομμύρια το 2021, αλλά ήδη έφθασε τα 5,31 εκατομμύρια το 2019 σύμφωνα με πρόσφατη απογραφή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αυξημένη απώλεια γεωργικής γης. Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας είναι πολύ σημαντικά για τους υπεύθυνους λήψης αποφάσεων σχετικά με την υιοθέτηση των κατάλληλων στρατηγικών για την αειφόρο διαχείριση της γης.

Μεθοδολογία-Ανάλυση

1. Περιοχή μελέτης

Γεωγραφικά, η περιοχή μελέτης βρίσκεται στο βορειοανατολικό τμήμα της Αλεξάνδρειας και στο βορειοδυτικό τμήμα του διαμερίσματος El-Behiera. Περιορίζεται από τη Μεσόγειο Θάλασσα από το Βορρά και το κανάλι El-Mahmoudia από τον Νότο και καταλαμβάνει έκταση περίπου 28.789 ha. Ανήκει στην παλιά αγροτική γη της Αιγύπτου, πράγμα που σημαίνει ότι το έδαφος της είναι πολύ εύφορο. Οι κοινές χειμερινές καλλιέργειες που καλλιεργούνται στην περιοχή είναι το σιτάρι, το τριφύλλι, το κρεμμύδι, το κριθάρι και τα φασόλια. Το μεγαλύτερο μέρος της γης είναι επίπεδο, με διακυμάνσεις από 1 m κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας έως 10 m πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας.

2. Πηγές δεδομένων και προ-επεξεργασία

Για αυτή τη μελέτη επιλέχθηκαν τέσσερις εικόνες Landsat οι οποίες αποκτήθηκαν για τον Ιανουάριο του 1987, τον Φεβρουάριο του 2001, τον Ιανουάριο του 2015 και τον Ιανουάριο του 2019 αντίστοιχα και φαίνονται στην Εικόνα 1. Οι επιλεγμένες εικόνες έχουν μηδενική νεφοκάλυψη, μέτριες χωρικές αναλύσεις και έχουν αποκτηθεί στη μέση της χειμερινής περιόδου, όπου όλη η γεωργική γη καλλιεργείται. Στην συνέχεια πραγματοποιήθηκε γεωμετρική διόρθωση. Για την καλύτερη διάκριση των στοιχείων εφαρμόστηκε η μέθοδος ενίσχυσης της αντίθεσης και το ψευδόχρωμο σύνθετο στην εικόνα.

3. Ταξινόμηση εικόνων

Σε αυτή τη μελέτη, η ταξινόμηση εικόνων περιλαμβάνει τρεις διαδοχικές διαδικασίες: την εποπτευόμενη ταξινόμηση, τη μετα-ταξινόμηση και την διαδικασία φιλτραρίσματος. Στην περίπτωσή μας χρησιμοποιήθηκε η επιβλεπόμενη ταξινόμηση της μέγιστης πιθανοφάνειας. Συνολικά εντοπίστηκαν πέντε τύποι χρήσεων γης, οι οποίοι είναι η γεωργία, οι αστικές περιοχές, οι κήποι, η εθνική οδός και το νερό. Στην συνέχεια δημιουργήθηκαν τέσσερις αρχικοί χάρτες χρήσεων γης για τα έτη 1987, 2001, 2015 και 2015. Επειδή η ένταση της βλάστησης και οι εναλλαγές καλλιεργειών μπορεί να προκαλέσουν εσφαλμένη ταξινόμηση των προσωρινά ταξινομημένων εικόνων εφαρμόστηκε η διαδικασία μετα-ταξινόμησης στους προηγούμενους χάρτες (Εικόνα 2). Ακόμη καθώς η εθνική οδός και οι χρήσεις αστικής γης δεν διακρίνονται εύκολα αναμεταξύ τους διεξήχθη η διαδικασία του φιλτραρίσματος στον ήδη επεξεργασμένο χάρτη του 2001 (Εικόνα 3) και στους αρχικούς χάρτες 2015 και 2019. Αυτή η διαδικασία παρήγαγε πιο ακριβείς χάρτες χρήσεων/κάλυψης γης και κατά συνέπεια ελαχιστοποίησε την υπερεκτίμηση των αστικών χρήσεων γης.

4. Ανίχνευση και πρόβλεψη μεταβολών χρήσεων/κάλυψης γης

Σε αυτή την μελέτη εφαρμόστηκε η τεχνική σύγκρισης στην μετα-ταξινόμηση (PCC) για την ανίχνευση των αλλαγών χρήσεων γης μεταξύ των ταξινομημένων εικόνων. Δημιουργήθηκαν τρεις χάρτες μεταβολών (1987-2001, 2001-2015 και 1987-2015) που αντιπροσωπεύουν τη φύση, το μέγεθος και τη θέση των αλλαγών στις χρήσεις γης και το ποσό της μείωσης της γεωργικής γης με την αστικοποίηση. Η πρόβλεψη της αλλαγής χρήσεων γης πραγματοποιήθηκε με το Land Change Modeler (LCM) που στηρίζεται στην ανάλυση της αλυσίδας του Markov. Οι προβλέψεις χρήσεων γης εφαρμόστηκαν για τα έτη 2019, 2050 και 2100. Τέλος, ο χάρτης πρόβλεψης 2019 συγκρίθηκε με τον πραγματικό χάρτη 2019 που προέκυψε από την ταξινόμηση των εικόνων για να εκτιμηθεί η εγκυρότητα των προβλέψεων.

Αποτελέσματα Η κατανομή χρήσεων γης για κάθε έτος μελέτης, όπως προέκυψαν από την εποπτευόμενη ταξινόμηση, την μετά-ταξινόμηση και τις διεργασίες φιλτραρίσματος παρουσιάζονται στην Εικόνα 4. Το αποτέλεσμα της ανάλυσης δείχνει ότι η γεωργική γη και οι αστικές περιοχές αποτελούν τις κυρίαρχες κατηγορίες στην περιοχή μελέτης. Κατά τη διάρκεια της μελέτης παρατηρήθηκε σημαντική μείωση της γεωργικής γης μαζί με την αξιοσημείωτη ανάπτυξη των αστικών περιοχών. Η εθνική οδός παρατηρήθηκε μόνο στους χάρτες του 2001, 2015 και 2019. Αντίστροφα, το νερό εξαφανίστηκε από τους χάρτες του 2015 και του 2019 ως αποτέλεσμα της συνεχούς επέκτασης και ανάπτυξης της ακτογραμμής. Στην Εικόνα 5 παρουσιάζεται η χωρική τάση της αστικής επέκτασης στη γεωργική γη από το 1987 έως το 2019. Στις δύο περιοχές με κόκκινο χρώμα φαίνεται η πιο έντονη τάση αστικοποίησης. Η χωρική κατανομή των αλλαγών των χρήσεων γης απεικονίζεται στις Εικόνες 6-8. Σύμφωνα με τις προηγούμενες εικόνες φαίνεται ότι η γεωργική γη μειώθηκε κατά 4,51% και 6,52% κατά τις περιόδους 1987-2001 και 2001-2015 αντίστοιχα, με συνολική μείωση κατά 11,03% τις τελευταίες τρεις δεκαετίες (1987-2015). Από την άλλη πλευρά, η αστική περιοχή αυξήθηκε κατά 4,75% και 6,98% στις περιόδους 1987-2001 και 2001-2015, αντίστοιχα, με συνολική αύξηση 11,84% τις τελευταίες τρεις δεκαετίες. Στην συνέχεια δημιουργήθηκαν οι χάρτες πρόβλεψης χρήσεων γης για τα έτη 2019, 2050 και 2100 χρησιμοποιώντας το LCM (Εικόνα 9). Η πρόβλεψη πραγματοποιήθηκε μόνο για χρήσης γης όπως η γεωργία, οι αστικές περιοχές και οι κήποι. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, προβλέπεται ότι η γεωργική γη θα μειωθεί κατά 11,5% (3316 ha) και 24,5% (7039 ha) το 2050 και 2100, αντίστοιχα. Αντιστρόφως, οι αστικές εκτάσεις θα αυξηθούν κατά 12% (3430 ha) και 25% (7186 ha) το 2050 και 2100, αντίστοιχα. Αυτό σημαίνει ότι η γεωργική γη θα μπορούσε να εξαφανιστεί εντελώς μέσα στα επόμενα διακόσια χρόνια με βάση το σημερινό ποσοστό αστικοποίησης.

Συμπεράσματα

Το άρθρο αυτό αναλύει την τρέχουσα κατάσταση της αγροτικής γης εξ αιτίας της αστικοποίησης και προβλέπει την μελλοντική εξέλιξη αυτής της διαδικασίας στο βορειοανατολικό τμήμα της Αλεξάνδρειας και στο βορειοδυτικό τμήμα του διαμερίσματος El-Behiera. Η ανίχνευση και η πρόβλεψη της αλλαγής χρήσεων γης πραγματοποιήθηκε με συνδυασμό τεχνικών τηλεπισκόπησης και GIS. Στην μελέτη, αναπτύχθηκαν τέσσερις χάρτες χρήσεων γης (1987, 2001, 2015 και 2019) με βάση τις διαδικασίες ταξινόμησης, μετα-ταξινόμησης και φιλτραρίσματος. Οι διαδικασίες μετα-ταξινόμησης και φιλτραρίσματος παρατηρήθηκε ότι έχουν τη δυνατότητα να αυξήσουν την ακρίβεια των ταξινομημένων εικόνων και να ελαχιστοποιήσουν την υπερεκτίμηση των αστικών περιοχών. Τις τελευταίες τρεις δεκαετίες παρατηρήθηκε σημαντική μείωση (11,03%) στην αγροτική γη σε συνδυασμό με αξιοσημείωτη αύξηση (11,84%) των αστικών περιοχών, αυτό αντιστοιχεί κυρίως στη συνεχή αύξηση του πληθυσμού, την οικονομική ανάπτυξη και την κοινωνική ανάπτυξη. Η γεωργική γη θα μειωθεί κατά 11,5% και 24,5% το 2050 και 2100, αντίστοιχα, ενώ οι αστικές περιοχές θα αυξηθούν κατά 12% και 25% 2050 και 2100, αντίστοιχα. Αυτό απαιτεί τις συντονισμένες προσπάθειες της κυβέρνησης και της κοινωνίας για την μείωση αυτού του φαινομένου εφαρμόζοντας τις κατάλληλες πολιτικές σχεδιασμού και αγροτικής/αστικής ανάπτυξης.