pobierz

Jerzy Lechnio
Wydział Geografii i Studiów Regionalnych
Uniwersytet Warszawski
00-927 Warszawa
ul. Krakowskie Przedmieście 30
Użytkowanie terenu w strefie
oddziaływania PZM-P w okresie 1987-1999
Wstęp
W badaniach nad strukturą środowiska przyrodniczego, a szczególnie
nad zmiennością użytkowania terenu, coraz częściej obok analizy danych
statystycznych stosowane są techniki teledetekcyjne i komputerowa obróbka
danych. Ułatwia to uchwycenia dynamiki zjawisk i pozwala na przyśpieszenie
prowadzonych prac. Obrazy satelitarne i zdjęcia lotnicze oraz techniki cyfrowe
służące do ich obróbki wykorzystywane są zwłaszcza wtedy, gdy dane odnoszące
się do struktury użytkowania ziemi służyć mają do parametryzacji procesów
i zjawisk biogeochemicznych. Porównanie obrazów pochodzących z różnych
okresów pozwala bowiem na jednoznaczne stwierdzenie zaistniałych zmian i
ich tendencji (Lambin et al. 1994, Sedlák 2002, Wrbka et al. 2004).
Warunkiem analizy zmian przy zastosowaniu technik fotogrametrycznych i
teledetekcyjnych jest posiadanie co najmniej dwóch obrazów tego samego terenu
pochodzących z różnych okresów. Obrazy te powinny mieć tę samą rozdzielczość
terenową, i powinny być wykonane w tym samym sezonie. Wymagana jest też
odpowiednia rozdzielczość spektralna i radiometryczna (Croissant 2004, Hall
et al. 1991, Li et al. 2004, MSCP Habitat Monitoring…,.
W niniejszym opracowaniu wykorzystane zostały dwie sceny z Landsata TM
pochodzące z lat 1987 i 1999. Do interpretacji różnic pomiędzy tymi zdjęciami
wykorzystane zostały mapy topograficzne i tematyczne w skali 1:25000 i 1:50000
oraz publikowane przez GUS dane statystyczne i materiały udostępnione przez
były Urząd Wojewódzki w Płocku. Duże znaczenie miało również rozpoznanie
terenowe.
Metoda
Opracowanie niniejsze dotyczyło w zasadzie dwóch zagadnień. Pierwszym
była ocena stanu użytkowania terenu w okresie 12 lat, drugim analiza
zróżnicowania struktury mozaiki użytkowania jako elementu zróżnicowania
krajobrazu.
Przedmiotem podstawowych analiz były dwie sceny satelitarne wykonane
przez Satelitę Landsat TM (Landsat TM5: p189r23_5t19970823 z 23 sierpnia
1987 roku oraz Landsat TM7: p189r23_5t19990731 z 31 lipca 1999 roku),
90
J. Lechnio
udostępnione przez Earth Science Data Interface (ESDI) at the Global Land
Cover Facility (http://glfc.umiacas.com).
W badaniach wykorzystano oprogramowania ERDAS Imagine, ARCGIS 9.1.,
STATISTICA 7.1.
Ze względu na dużą fragmentację terenu, a także względnie małą rozdzielczość
posiadanych scen (30 m), w badaniach posłużono się kilkoma technikami.
Jak wiadomo, Landsat wykonuje zdjęcia multispektralne, przy czym 6 pasm
ma rozdzielczość 30x30 m, zaś pasmo 6 – podczerwone 120 x 120 m. Pierwsze
trzy pasma leżą w zakresie światła widzialnego (Sedlák 2002). Dodatkowo,
należy podkreślić, że sensory zastosowane w kolejnych generacjach satelity
mają odmienne charakterystyki spektralne, co może mieć wpływ na uzyskiwany
obraz i wyniki przetwarzania (Vogelmann et al. 2001).
Biorąc powyższe pod uwagę, a także uwzględniając fakt, iż każde z pasm
charakteryzuje się innymi właściwościami detekcyjnymi, w dalszych analizach
zastosowano kompozycję składającą się z 6 pasm: od 1 do 5 oraz 7.
Do wstępnej klasyfikacji wykorzystano kompozycje w zakresie widzialnym
(RGB – pasma 123) oraz RGB – 432 (pseudokolor). Pozwoliło to na
wyodrębnienie zasadniczych typów użytkowania i pokrycia terenu (dużych
płatów). Ze względu na mały kontrast obrazu nie było natomiast możliwe
precyzyjne określenie zasięgu gruntów pozbawionych pokrywy roślinnej i
terenów o zwartej zabudowie ze znaczącym udziałem powierzchni zielonych
oraz przestrzeni pozbawionych roślinności. Wpływ na to miała również tekstura
obrazu (mozaikowo zróżnicowane użytkowanie w terenach rolnych). Uwidacznia
to materiał zamieszczony w załączniku 4 i 5.
W następnym etapie analizowano kompozycję 3 pasm z zakresu widzialnego
(2, 3 i 4) i odnoszono ją do obrazu zróżnicowania wskaźnika NDVI (normalized
difference vegetation index), który został określony za pomocą dostępnej funkcji
w programie ERDASS.
Częstotliwość uwzględnionych pasm pozwala bowiem na dokładne
wyróżnienie granic typów pokrycia. Dzieje się tak za sprawą znacznych
zdolności dyskryminacyjnych w stosunku do takich charakterystyk roślinnych
jak zawartość chlorofilu, wielkość biomasy i kondycja roślinności. Analiza
prowadzona była w granicach czterech tzw. powierzchni treningowych
charakteryzujących 4 różne obszary o znanym typie użytkowania i pokrycia.
Następnie, przy użyciu edytora sygnatur, w stosunku do każdej powierzchni
określono charakterystyki spektralne (podstawowe typy użytkowania) dla dwóch
momentów czasowych.
Wyróżnione typy pokrycia zestawione zostały w dwóch grupach.
Pierwsza obejmowała cztery podstawowe: tereny z zabudową, tereny pokryte
roślinnością, tereny rolnicze i wody. W drugiej grupie znalazły się wydzielenia
uszczegółowiające, takie jak: lasy iglaste, lasy liściaste, lasy mieszane, łąki,
łąki z zadrzewieniami i zaroślami oraz grunty uprawne (tereny orne, ścierniska,
tereny zajęte przez uprawy).
Analiza w granicach powierzchni testowych pozwoliła na przeprowadzenie
tzw. klasyfikacji nadzorowanej. Została ona wykonana w dwóch krokach
odpowiadających przyjętemu wcześniej podziałowi struktury pokrycia. W
pierwszym wydzielono tereny o charakterystyce spektralnej odpowiadającej
zestawowi głównych typów pokrycia, stosując zasadę największego
użytkowanie terenu...
91
podobieństwa (maximum likehood decision rule). Następnie uzyskane obrazy,
zawierające wyróżnienia zawarte w czterech uprzednio wymienionych klasach,
były dekodowane za pomocą funkcji RECODE pakietu ERDAS w celu uzyskania
tzw. maski dla każdej z klas głównych. W drugim kroku wykonano powtórnie
klasyfikacje nadzorowaną, tym razem wykorzystując bardziej szczegółowy
zestaw charakterystyk spektralnych. W efekcie uprzednio wydzielone typy
pokrycia zostały rozdzielone na mniejsze płaty. W konsekwencji uzyskano dwa
obrazy użytkowania ziemi odpowiadające sytuacji w roku 1987 i roku 1999 (zał.
6 i 7).
Materiał ten wykorzystano następnie do oceny zmian pokrycia terenu. W
tym celu nałożono na siebie obrazy z lat 1987 i 1999 i zbadano różnice zasięgu
poszczególnych typów pokrycia. Dodatkowych informacji dostarczyła również
interpretacja przestrzennego rozkładu wskaźnika NDVI.
Wyniki
W granicach badanego terenu dominują obszary zajęte pod uprawę. Zgodnie
z danymi statystycznymi stanowią one blisko 85% powierzchni. W strukturze
upraw podstawowe znaczenie odgrywają zboża oraz rośliny okopowe. Na
powierzchnie leśne przypada około 15% terenu, zaś na łąki i pastwiska niecałe
13 % Strukturę użytkowania terenu oraz jej zmiany przedstawia Tabela 1. Jak
z powyższego wynika tylko niewielka część terenu badanego charakteryzuje
się względnie stałym typem pokrycia terenu. Pozostałe powierzchnie wykazują
wyraźną zmienność odpowiadającą sezonowej różnorodności upraw.
Podobny efekt przyniosła ocena udziału typów użytkowania w zasięgu
wariantów krajobrazu (por. Richling, Malinowska, Lechnio, ibidem) – patrz
Ryc. 1. Na rysunku tym zaznacza się wyraźna dominacja gruntów ornych nad
kierunkami użytkowania o bardziej stałej strukturze pokrycia w kolejnych
sezonach, chociaż zwraca uwagę duża liczba jednostek zajętych przez lasy. Są
to jednak w większości niewielkie lasy prywatne.
Stwierdzone prawidłowości potwierdzają obrazy uzyskane z klasyfikacji zdjęć
satelitarnych. Zarówno obraz z roku 1987, jak i z roku 1999, uwidaczniają
strukturę pokrycia typową dla terenów o tradycyjnym rolnictwie. Wyraźnie
wyodrębniają się obszary wysoczyznowe, o dominującym udziale upraw
polowych. Są one w większości związane z 6 typami krajobrazu: równinnymi
wysoczyznami z pokrywą piasków wodnolodowcowych i lodowcowych, równinnymi
wysoczyznami gliniastymi, równinnymi wysoczyznami zbudowanymi z iłów
i mułków, wysoczyznami falistymi i pagórkowatymi zbudowanymi z piasków
wodnolodowcowych i lodowcowych, wysoczyznami falistymi i pagórkowatymi
gliniastymi, wysoczyznami falistymi i pagórkowatymi z iłami i mułkami (zał. 4,
5, 6 i 7).
Z kolei powierzchnie leśne odpowiadają krajobrazom równinnym wyższych
poziomów tarasowych z piaskami wodnolodowcowymi i lodowcowymi oraz
eolicznymi. Przeważają lasy iglaste, a w niższych położeniach lasy mieszane.
Mniejsze powierzchnie leśne występują również w granicach krajobrazów
równinnych wysoczyzn z piaskami wodnolodowcowymi i lodowcowymi oraz
równin w dnach dolin i obniżeń z torfami i namułami organicznymi, a także
92
J. Lechnio
Tabela 1. Struktura użytkowania terenu*
Użytkowanie
Użytki rolne
sady
pastwiska
łąki
zasiewy ogółem
w tym zboża
w tym pszenica
żyto
owies
jęczmień
pozostałe
strączkowe
ziemniaki
przemysłowe
w tym buraki
cukrowe
pastewne
w tym motylkowe
pozostałe
w tym warzywa
Lasy
1990
1991
84,8
2,5
6,2
6,5
82,9
49,8
29,3
29,8
5,9
11,5
23,4
1,3
10,2
7,4
84,7
2,5
6,3
6,5
83,9
51,4
30,0
30,2
5,4
11,2
23,3
1,3
10,4
5,7
1994
%
84,9
2,4
6,4
6,4
80,3
52,0
0,8
9,4
6,6
6,0
4,6
11,7
5,5
2,6
2,0
15,2
11,1
7,0
4,1
2,2
15,3
1995
Średnia
84,9
2,3
6,4
6,4
84,3
54,2
27,7
33,8
10,4
4,9
23,1
0,8
9,5
7,6
84,8
2,4
6,3
6,4
82,8
51,9
29,0
31,3
7,3
9,2
23,3
1,0
9,9
6,8
5,2
4,9
5,2
6,6
2,5
5,0
3,0
15,1
6,4
2,8
5,8
3,6
15,1
8,9
4,4
4,4
2,7
15,2
Opracowano na podstawie danych GUS za lata 1990 – 1996 oraz Wydziału Rplnictwa UP w Płocku.
* - zestawienie obejmuje okres 1990-1995 ze względu na zmianę granic podziału administracyjnego i
wynikającą stąd nieporównywalność późniejszych danych
równin z aluwiami piaszczystymi. Dominują wtedy lasy mieszane oraz lasy
liściaste.
Lasy stanowią również dominujący typ pokrycia w przypadku krajobrazów
stromych zboczy piaszczysto-żwirowych i gliniasto-ilastych oraz wzgórz i
pagórków eolicznych występujących w dolinie Wisły, a także w obrębie moren
czołowych na terenie wysoczyzn lodowcowych (zał. 6, 7).
Trwałe użytki zielone (łąki i pastwiska) oraz łąki z zadrzewieniami i zaroślami
koncentrują się natomiast w dnach dolin i obniżeń z podłożem torfowym i
namułami organicznymi oraz z aluwiami piaszczystymi (zał. 6, 7).
Porównanie map użytkowania terenu uzyskanych z istniejących materiałów
kartograficznych (zał. 8) z opracowaniami stanowiącymi efekt cyfrowej obróbki
zdjęć satelitarnych (zał. 6, 7) pozwala na stwierdzenie, że pojawiają się między
nimi znaczne różnice. Układ przestrzenny jest porównywalny tylko w przypadku
dużych powierzchni lasów oraz łąk (terenów o ustalonym, dominującym
charakterze pokrycia). Jednak i wtedy na mapach tradycyjnych uwidacznia się
wpływ generalizacji. Mapy cyfrowe charakteryzują się dużym zróżnicowaniem
tekstury. Na ich podstawie możliwe staje się jednoznaczne rozdzielenie terenów
użytkowanie terenu...
93
Ryc. 1. Charakterystyka użytkowania terenu w granicach jednostek rangi
wariantu krajobrazu
upraw polowych i użytków zielonych.
Zestawienie różnic użytkowania ziemi pomiędzy rokiem 1987 i 1999 nie
wskazuje na istnienie drastycznych zmian. Niewielkie różnice pokrycia terenu są
widoczne w zasięgu obszarów leśnych i wynikają z faktu prowadzenia wyrębów i
nasadzeń. Poza tym niektóre fragmenty terenu objęte są postępującym procesem
zarastania. Jest to szczególnie widoczne na przykładzie łąk w południowozachodnim fragmencie terenu, pojedynczego płata na zachodniej granicy badań
oraz w zasięgu wysoczyzny usytuowanej na północ od Płocka, a także jednego
płata w granicach dużego kompleksu leśnego Gostynińsko-Włocławskiego
Parku Krajobrazowego (zał. 9).
Uwidaczniają się też obszary dawnych PGR, które powtórnie objęto
uprawą. Zjawisko to jest wyraźnie widoczne na przykładzie kilku dość dużych,
geometrycznych płatów terenu na północny-zachód od Płocka.
Zaistniałe zmiany są też związane z postępującą urbanizacją terenu, co
szczególnie widać w zasięgu Płocka, a zwłaszcza osiedli położonych na północ
od miasta oraz Zakładów Orlen. Stwierdzić można również wzrost gęstości
zabudowy Płocka oraz rozbudowę dróg i chodników.
94
J. Lechnio
Podsumowanie
Wyniki niniejszego opracowania wskazują, że analiza cyfrowa zdjęć
satelitarnych
jest skutecznym narzędziem umożliwiającym rozpoznanie
struktury użytkowania terenu i jej zmian. Uzyskiwane efekty zależą jednak nie
tylko jakości posiadanego materiału (rozdzielczości terenowej i spektralnej zdjęć),
ale również od szczegółowości danych uzyskanych z rozpoznania terenowego,
wykorzystywanych jako materiał referencyjny.
Wprawdzie
rozdzielczość
spektralna zdjęć z Landsata uniemożliwia identyfikację drobnych szczegółów
terenowych, jednak uzyskiwane wyniki wydają się wystarczające dla potrzeb
prowadzonych prac. Uzyskano bowiem tą drogą nie tylko zasięgi określonych
typów pokrycia terenu i ich zmiany, ale również określono cechy odnoszące
się do roślinności, wykorzystywane następnie do parametryzacji procesów
biogeochemicznych i hydrologicznych.
Literatura
Analyzing vector data. University of Alberta, 2004 (www.ualberta.com)
Croissant C., 2004: Landscape patterns and parcel boundaries: an analysis
of composition and configuration of land use and land cover in south-central
Indiana. Agriculture, Ecosystems and Environment 101, pp. 219–232.
Erdas field guid. Sixth edition. Erdas LLC. Atlanta, Gorgia. 2002.
Hall F.G., Strebel D.E., Nickeson J.E., Goetz, S.J. 1991: Radiometric
rectification: Toward a common radiometric response among multi-date, multisensor images. Remote Sensing of the Environment. 35, pp. 11-27.
Li X., Gar-On Yeh A., 2004: Analyzing spatial restructuring of land use
patterns in a fast growing region using remote sensing and GIS. Landscape and
Urban Planning 69, pp. 335–354.
Lambin E.F.; A.H. Strahler. 1994: Indicators of land-cover change for changevector analysis in multitemporal space at coarse spatial scales. International
Journal of Remote Sensing. 15(10), pp. 2099 - 2119.
MSCP Habitat Monitoring: Remote Sensing at San Diego State University.
http://Map.SDSU.EDU/GROUP2001/GROUP7/INDEX.HTM
Sedlák P., 2002: Using Landsat TM data for mapping of the quarternary
deposits in Central Sweden. Geographica 37, pp. 77-82
Vogelmann, J. E., Helderb D., Morfitt R., Choate M. J., Merchant J. W.,
Bulley H., 2001: Effects of Landsat 5 Thematic Mapper and Landsat 7 Enhanced
Thematic Mapper Plus radiometric and geometric calibrations and corrections
on landscape characterization. Remote Sensing of Environment 78 (2001) 55–
70
Wrbka T., Erb K-H., Schulz N. B., Peterseil J., Hahn Ch., Haberlb H., 2004:
Linking pattern and process in cultural landscapes. An empirical study based
on spatially explicit indicators. Land Use Policy 21, pp. 289–306.