Επεξεργασίες μετασχηματισμού τοπίου σε δύο μεγάλες και δύο μικρές πόλεις στην Αίγυπτο και την Ιορδανία τις τελευταίες πέντε δεκαετίες

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 00:13, 2 Μαρτίου 2022

Εικόνα 1: Δομή πολυ-επίπεδης κατάτμησης

Εικόνα 2: Πίνακας αποτελεσμάτων ακρίβειας κατάτμησης

Εικόνα 3: Σύγκριση αποτελεσμάτων κατάτμησης

Εικόνα 4: Ανίχνευση παράνομης δόμησης της Jiangxi στην Κίνα

Landscape transformation processes in two large and two small cities in Egypt and Jordan over the last five decades using remote sensing data

Συγγραφείς:Peter Riad, Sophie Graefe, Hussam Hussein, Andreas Buerkert.

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [[1]]

Λέξεις κλειδιά:Δορυφορικές εικόνες Landsat, χρήση γης και κάλυψη γης, περιαστικές περιοχές πρασίνου, μετάβαση αγροτικής-αστικής ανάπτυξης, φυσικοί πόροι γης και υδάτων, Μέση Ανατολή και Βόρεια Αφρική.

1. Αντικείμενο

Το αντικείμενο της έρευνας είναι η παρακολούθηση της αστικής ανάπτυξης και ο συνακόλουθος μετασχηματισμός αγροτικής-αστικής χρήσης γης που συμβαίνει σε όλο τον κόσμο, επικεντρωμένη στη Μέση Ανατολή και την Περιοχή της Βόρειας Αφρικής. Η μελέτη διερευνά τις αλλαγές χρήσης γης από τη δεκατία του 1970 ως το 2018 στις πόλεις Λούξορ και Κάϊρο της Αιγύπτου και Άκαμπα και Αμμάν στην Ιορδανία χρησιμοποιώντας χρονοσειρές δορυφορικών δεδομένων Landsat. Οι ταξινομήσεις κάλυψης γης πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο της μέγιστης πιθανοφάνειας (Maximum Likelihood) και της φασματικής γωνίας (Spectral Angle Mapping).

2. Εισαγωγή

Η αστική ανάπτυξη οδηγεί σε αλλαγές χρήσης και κάλυψης γης γύρω από οικισμούς. Αυτές οι αλλαγές είναι ιδιαίτερα μεγάλες σε πολλές φτωχές χώρες που χαρακτηρίζονται από ταχεία αύξηση του πληθυσμού, ενώ η αστική επέκταση δεν περιορίζεται σε μεγάλες μητροπολιτικές περιοχές, αλλά εμφανίζεται εξίσου σε μεσαίου μεγέθους και μικρές πόλεις. Η επέκταση των αστικών περιοχών αψηφώντας την ύπαρξη καλλιεργήσιμων εκτάσεων, και συγκεκριμένα την ανάπτυξη μικρών και μεσαίου μεγέθους οικισμών στην περιφέρεια των μητροπολιτικών περιοχών, θέτει σε κίνδυνο την τοπική επισιτιστική ασφάλεια, δεδομένου ότι οι αστικές απαιτήσεις υποδομών αυξάνονται με ανάλογο ρυθμό όπως και η επέκταση τους. Εν όψει του ραγδαίου αυτού μετασχηματισμού αγροτικής-αστικής περιοχής στις πόλεις της Μέσης Ανατολής και Βόρειας Αφρικής, ο κύριος στόχος αυτής της μελέτης ήταν να ποσοτικοποιήσει τα πρότυπα αστικής επέκτασης και τις επιπτώσεις της στη γεωργική γη από τη δεκαετία του 1970 έως το 2018 για τέσσερις πόλεις που διαφέρουν σε μέγεθος και δυναμική ανάπτυξης. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε ανάλυση τηλεπισκόπησης που βασίζεται σε γεωγραφικά συστήματα πληροφοριών (GIS) χρησιμοποιώντας διαφορετικά εργαλεία στο λογισμικό ERDAS IMAGINE 2014 και προσεγγίσεις ανοιχτού κώδικα που εφαρμόστηκαν στο λογισμικό QGIS και στην R.

3. Περιοχή Μελέτης

Οι περιοχές μελέτης είναι οι πόλεις Κάϊρο και Λούξορ της Αιγύπτου και Άκαμπα και Αμμάν της Ιορδανίας, οι οποίες επιλέχθηκαν λόγω της έντονης και ραγδαίας αστικοποίησης τους βάσει στατιστικών μελετών που λήφθηκαν υπόψη. Οι περιοχές μελέτης απεικονίζονται γεωγραφικά στους χάρτες των εικόνων 1 και 2.

4. Πηγές Δεδομένων και προεπεξεργασία

Τα επίσημα διοικητικά όρια των περιοχών μελέτης αντλήθηκαν από τη βάση δεδομένων της DIVA-GIS και εισήχθησαν σε shapefiles στο Qgis. Απαιτήθηκαν ορισμένες διορθώσεις και βελτιώσεις στα όρια των πόλεων με βάση πρόσφατους χάρτες της Google που χρησιμοποιήθηκαν. Ο αρχικός έλεγχος της εικόνας αποκάλυψε ότι οι περιοχές μετασχηματισμού αγροτικής πόλης ήταν πολύ μικρότερες από το σύνολο των διοικητικών περιοχών των πόλεων, δεδομένου ότι η υπόλοιπη έκταση αποτελείται από έρημο, άγονη γη ή βουνά. Ως εκ τούτου, η περιοχή που αναλύθηκε από κάθε πόλη επιλέχθηκε οπτικά ώστε να βρίσκεται εντός των διοικητικών ορίων των πόλεων και να καλύπτει τουλάχιστον το διπλάσιο της περιοχής όπου εντοπίζεται ο μετασχηματισμός αγροτικής – αστικής περιοχής μέχρι το 2018. Αυτά τα όρια μελέτης διατηρήθηκαν σταθερά για την επεξεργασία εικόνων, και στη συνέχεια τις ταξινομήσεις και την ανάλυση σε χρονοσειρές. Τέλος, χρησιμοποιήθηκε το USGS για λήψη δορυφορικών εικόνων Landsat 4-5 σε χρονικό εύρος από το 1980 έως τις αρχές του 2000 και δορυφορικών εικόνων Landsat 8 για το πιο πρόσφατο χρονικό διάστημα ως το 2018. Όλες οι εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν στην μελέτη αφορούσαν την καλοκαιρινή αγροτική περίοδο (Μάρτιο έως Αύγουστο) κατά την οποία η χαμηλή ή μηδενική νεφοκάλυψη βοήθησε στην υψηλή ποιότητα των εικόνων, ενώ όλοι οι χώροι πρασίνου ήταν σαφώς ορατοί και στις δύο χώρες.

Επιπλέον συλλέχθηκαν δημογραφικά ιστορικά στοιχεία για τις περιοχές μελέτης για τη συσχέτιση των κατηγοριών κάλυψης γης.

5. Μεθοδολογία

Για τις ανάγκες της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν όλα τα κανάλια των δορυφορικών εικόνων εκτός από τα θερμικά των εικόνων του δορυφόρου Landsat 8 και αποκόπηκαν στα προκαθορισμένα όρια των περιοχών μελέτης για επεξεργασία. Αρχικά εκτελέσθηκε επιβλεπόμενη ταξινόμηση με τη μέθοδο της μέγιστης πιθανοφάνειας στο λογισμικό Erdas Imagine για όλους τους τομείς της μελέτης. Ο αλγόριθμος της μέγιστης πιθανοφάνειας υποθέτει ότι οι πιθανότητες είναι ίσες για όλες τις κλάσεις της ταξινόμησης, τα κανάλια εισόδου είναι ομοιόμορφα κατανεμημένα και τα δεδομένα κατανέμονται κανονικά σε κάθε κανάλι της ταξινόμησης. Για την ταξινόμηση δημιουργήθηκαν συνολικά 24 αρχεία φασματικών υπογραφών για όλες τις περιοχές μελέτης σε όλα τα έτη ανάλυσης. Οι θεματικές κατηγορίες ήταν αστική περιοχή, αστικό πράσινο (περιοχές σε κτίρια με κήπους και πυκνούς θάμνους), περιαστικό πράσινο (περιοχές που καλύπτονται από βλάστηση - θάμνοι και δάση που βρίσκονται εκτός της αστικής περιοχής), γυμνό έδαφος (έρημος και βουνά) και υδάτινες επιφάνειες.

Στη συνέχεια, με σκοπό τη σύγκριση των αποτελεσμάτων εφαρμόστηκε στις περιοχές μελέτης επιβλεπόμενη ταξινόμηση και με τη μέθοδο της φασματικής γωνίας στο Semi-Automatic Classification pluggin του ανοιχτού λογισμικού Qgis. Αυτή η μέθοδος βασίζεται στην αναγνώριση του φάσματος των εικονοστοιχείων μόνο μέσω των γωνιακών πληροφοριών τους. Το μήκος του διανύσματος αυξάνεται ή μειώνεται ανάλογα με το συνολικό φωτισμό (λόγω παρουσίας ηλιακού φωτός ή σκιάς), ενώ ο γωνιακός προσανατολισμός παραμένει σταθερός. Ο αλγόριθμος αυτός αναγνωρίζει και ταιριάζει δύο χαρακτηριστικά της εικόνας αν η γωνία είναι μικρότερη από μια καθορισμένη τιμή ανοχής.

Έπειτα δημιουργήθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης ως ένα πρόσθετο εργαλείο για τον καλύτερο εντοπισμό περιοχών πρασίνου στην πόλη Άκαμπα της Ιορδανίας, επειδή η συγκεκριμένη πόλη έχει περιορισμένες εκτάσεις πρασίνου με αδύναμη βλάστηση, οι οποίες δεν είναι ευδιάκριτες. Έτσι υπολογίσθηκε στην R ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης (NDVI), που περιλαμβάνει τιμές εύρους -1 έως 1, συναρτήσει του κόκκινου (RED) και του εγγύς υπέρυθρου (NIR) καναλιού των δορυφορικών εικόνων, όπως περιγράφεται στον παρακάτω τύπο:

NDVI=(NIR-RED)/(NIR+RED)

Ο συγκεκριμένος δείκτης χρησιμοποιεί την υψηλή ανακλαστικότητα της βλάστησης στο μήκος κύματος του εγγύς υπέρυθρου κανάλιου δίνοντας υψηλές θετικές τιμές στις περιοχές πυκνής βλάστησης, χαμηλότερες σε περιοχές αραιής και αρνητικές σε περιοχές που δεν έχουν καθόλου βλάστηση, όπως στο γυμνό έδαφος, βουνά, νερό, κλπ.

Τέλος, για τον εντοπισμό των αλλαγών εφαρμόστηκε σύγκριση των ταξινομήσεων βασιζόμενη στην επικάλυψη δύο η περισσοτέρων ανεξάρτητων παραγόμενων φασματικών ταξινομημένων αποτελεσμάτων, όπου οι περιοχές αλλαγής προσδιορίζονται μεταξύ των εικόνων που λαμβάνονται σε διαφορετικές εποχές. Πραγματοποιήθηκε ανάλυση της διασταυρούμενης πινακοποίησης για την προβολή τη μεταμόρφωση της γης σε κάθε πόλη. Η ακρίβεια των ταξινομημένων χαρτών προσδιορίστηκε από τους συντελεστές Kappa και την ολική ακρίβεια.

6. Αποτελέσματα

Και στις τέσσερις πόλεις οι περιαστικές περιοχές πρασίνου συρρικνώθηκαν ή μετατοπίστηκαν λόγω της αυξημένης επέκτασης της αστικής – δομημένης περιοχής. Οι μεγαλύτερες μειώσεις των περιαστικών περιοχών πρασίνου παρατηρήθηκαν για το Αμμάν και το Λούξορ, οι οποίες μειώθηκαν κατά 122,4 km2 και 17,2 km2, αντίστοιχα, κατά την περίοδο μελέτης. Για το Κάιρο, υπήρξε αύξηση της περιαστικής περιοχής πρασίνου κατά 29 km2, αλλά η θέση των περιοχών πρασίνου μετατοπίστηκαν τις τελευταίες πέντε δεκαετίες λόγω της αστικής επέκτασης. Το 2018, οι περιοχές πρασίνου (αστικές και περιαστικές) ήταν 4,6, 12, 91 και 142 m2 ανά κάτοικο για την Άκαμπα, Κάιρο, Αμμάν και Λούξορ, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα απεικονίζονται στους χάρτες των εικόνων 3 και 4.

7. Επίλογος

Οι αλλαγές κάλυψης γης αντανακλούσαν κρίσιμα πολιτικά γεγονότα όπως το λεγόμενο «Αραβ Άνοιξη», διεθνείς συνθήκες, πρόσφατα μεταναστευτικά κύματα και πληθυσμιακή αύξηση. Η ταχεία αύξηση της αστικής οικοδόμησης στην περιοχή μελέτης ασκεί πίεση στους σπάνιους πόρους γης και υδάτων στις περιαστικές παρυφές, οδηγώντας έτσι δυνητικά σε περιβαλλοντικό στρες. Απαιτείται αποτελεσματικός σχεδιασμός πόλης για την αντιμετώπιση των πολλαπλών προκλήσεων και τον ανταγωνισμό στα συμφέροντα των αστικών και περιαστικών περιβαλλόντων.