Методы анализа спутниковых изображений для исследования урбанизации и землепользования в период с 1975 по 2015 г. в г. Самаре

Городская застройка считается неэффективным путём городского развития из-за высокой плотности размещения построек по сравнению с сельской местностью [1, 2]. Только 3 % поверхности Земли покрыты городской застройкой [3], но из-за урбанизации, роста численности населения, экономического развития застройка является основной причиной экологических и социальных проблем в современных городах. Городская застройка сталкивается с отличительными «системными» проблемами, связанными с её уникальными социальными, экологическими и экономическими характеристиками [4]. Среди них наиболее важными являются риски для здоровья, вызванные загрязнением воздуха, дорожно-транспортными происшествиями, пищевыми отравлениями и социальными изменениями [5]. В ряду проблем также присутствует снижение объёма растительности, сельскохозяйственных земель, количества водных ресурсов [6]. Всё это приводит к снижению качества жизни в городской среде.

В развивающихся городах информация о незапланированных постройках часто недоступна, поэтому крайне важно правильно разработать план роста городов, прежде чем вводить определение процесса урбанизации [7, 8].

Для исследования пространственных закономерностей роста города Самары и прилегающих земель за рассматриваемый период времени предлагается подход, заключающийся в систематизации имеющейся информации и отображении всех доступных данных, полученных со спутниковых снимков, на карту местности. Такой способ исследований помогает выявить зоны роста города и определить вред, наносимый окружающей среде и природным ресурсам, а также предложить возможные пути развития города.

Материалы и методы

Для проведения исследований были использованы космические снимки Landsat MSS (мультиспектральный сканер) для получения данных за 1975 год, Landsat ТМ (тематические карты) – за 1985–1995 годы, Landsat ETM+ (расширенные тематические карты) – за 2005– 2015 годы. Цифровая обработка изображений выполнялась при помощи программного обеспечения ArcGIS. Для исследований были выбраны откалиброванные сцены с корректной геометрической привязкой, снятые при схожих условиях (время года, погодные условия). В качестве метода предварительной обработки применялось контрастирование изображения, основанное на выравнивании гистограммы. Также в данной работе были использованы некоторые дополнительные опорные данные: цифровые топографические карты в масштабе 1:50000, которые применялись для геопривязки снимков в целях построения карты землепользования и повышения точности общей получаемой оценки.

После предобработки авторами был применён алгоритм кластеризации для разбиения изображений по четырём основным классам землепользования. На следующем этапе был использован алгоритм классификации на основе метода максимального правдоподобия (ММП) из состава доступных алгоритмов в пакете ArcGIS 10.1.

ММП является одним из наиболее популярных методов классификации, который используется для обработки данных дистанционного зондирования в целях классификации типов земной поверхности. В ряде сложных случаев проводилась ручная корректировка – неправильно классифицированные области исправлялись с помощью специальной функции в ArcGIS.

Для оценки точности классификации были использованы матрица ошибок и метод Kappa. Для анализа были выделены четыре типа землепользования на территории исследования: застройка, лес, сельскохозяйственные поля, водные ресурсы.

Для оценки интенсивности темпа роста города (annual urban growth rate, AGR) использовалось следующее выражение:

AGR = UAn+i -UAi -100%, (1) nTAn+i где nTAn+1 – общая площадь исследуемой области в момент времени n+i, UAn+1 и UAi – площадь жилой застройки в моменты времени n+i и i соответственно, а n – временной интервал (в годах), за который проводились вычисления.

Результаты

Точность оценки площади землепользования составляет более 90 % для всех обработанных изображений. Эти данные показывают (рис. 1), что в 2015 году более 31,38 % (616,14 км2) Самарской области были покрыты лесом, 36,85 % (723,49 км2) – полями, 8,30 % (162,91 км2) – водоёмами и 23,47 % (460,87 км2) – постройками.

Рис. 1. Землепользование и результаты классификации территории города Самары в 1975 (а), 1985 (б), 1995 (в), 2005 (г) и 2015 (д) г.г. Застройка – красный, лес – зелёный, сельскохозяйственные поля – болотный, водные ресурсы – синий

В 1975 году площади по этим категориям земель были следующие: около 31,81 % (624,56 км2) были заняты лесом, 44,03 % (864,50 км2) – полями, 7,17 % (140,85 км2) – водоёмами и 16,99% (333,50 км2) – постройками (табл. 1).

Табл. 1. Площадь землепользования в км ²

	Застр.	Лес	Поля	Водн. рес.
1975	334	865	625	141
1985	336	793	674	160
1995	529	629	463	343
2005	280	929	601	153
2015	461	723	616	163

Первый рост площади застройки был отмечен до 1995 года, затем последовало уменьшение, но позже снова территория стала расти ввиду демографического роста. Анализируя площадь леса, следует отметить, что первоначально она уменьшалась, а затем был отмечен рост в связи с началом активной охраны природных ресурсов государством. Самым большим по площади типом землепользования является класс сельскохозяйственных полей – рост площади отмечается вплоть до 2005 года, но на данный момент приостановился. Класс водных ресурсов стабилен, и за период исследования отмечено лишь небольшое изменение.

Данные, содержащие изменения во времени по результатам классификации, также представлены в табл. 2 и на рис. 1. Площадь застройки занимала 333,5 км2 в 1975 году и 336,59 км2 в 1985 году, в то время как поля располагались на площади 792 км2 в 1985 и 629,68 км2 в 1995 году. 383,83 км2 лесного фонда в 1995 году сохранились и в 2005 году.

В табл. 2 представлен анализ изменений землепользования, произошедших в ходе урбанизации города Самары. Значения, находящиеся на пересечении разных типов землепользования, соответствуют площади земли, перешедшей из одного типа в другой за этот промежуток времени.

Табл. 2. Изменение землепользования с 1975 по 2015 г

2005–2015
КЛАСС	Застр.	Лес	Поля	Водн.	Всего
Застр.	245,14	5,00	18,41	10,32	278,87
Лес	60,50	496,84	42,42	0,32	600,08
Поля	149,10	115,29	662,95	4,16	931,49
Водн.	5,56	0,40	0,00	146,78	152,74
Всего	460,30	617,53	723,77	161,58	1963,19
1995–2005
КЛАСС	Застр.	Лес	Поля	Водн.	Всего
Застр.	216,68	88,07	224,33	1,16	530,25
Лес	4,36	383,83	74,63	0,04	462,86
Поля	26,17	51,46	551,93	0,20	629,76
Водн.	31,49	76,83	80,71	151,34	340,37
Всего	278,71	600,19	931,60	152,74	1963,24
1985–1995
КЛАСС	Застр.	Лес	Поля	Водн.	Всего
Застр.	227,05	15,53	52,54	42,26	337,37
Лес	114,36	385,95	62,90	111,00	674,22
Поля	187,79	61,34	514,24	29,13	792,51
Водн.	1,04	0,04	0,00	157,98	159,06
Всего	530,25	462,86	629,68	340,37	1963,16
1975–1985
КЛАСС	Застр.	Лес	Поля	Водн.	Всего
Застр.	151,21	20,51	157,05	4,28	333,05
Лес	31,93	526,99	60,97	4,66	624,55
Поля	145,54	120,89	573,31	24,87	864,60
Водн.	7,92	4,89	0,92	127,14	140,87
Всего	336,59	673,28	792,25	160,95	1963,07

С 2005 по 2015 годы 149,10 км2 полей и 60,50 км2 лесов были подвержены застройке. За тот же период 115,29 км2 полей были переведены в лесную зону.

В течение последних четырёх десятилетий площадь сельскохозяйственных полей снизалась с 864,50 км2 в 1975 году до 723,49 км2 в 2015 году, что соответствует уменьшению на 19,49 % от площади данного класса в 2015 г. Площадь леса незначительно снизилась с 624,56 км2 в 1975 году до 616,14 км2 в 2015 году, что соответствует снижению на 1,36 % от площади леса в 2015 г. Площадь территории застройки увеличилась с 333,50 км2 в 1975 году до 460,87 км2 в 2015, что в среднем составляет 0,69 км2/год или 27,63 % от площади данного вида территории в 2015 г. Площадь водных ресурсов выросла со 140,85 км2 в 1975 году до 162,91 км2 в 2015 году. Это изменение соответствует 13,54 % от площади водных ресурсов 2015 г.

В табл. 3 показано относительное изменение в площади землепользования с 1975 по 2015 годы. Значения, находящиеся на пересечении разных типов землепользования, соответствуют отношению площади земли, перешедшей из одного типа в другой за этот промежуток времени, к общей площади земли данного типа.

Заключение и выводы

Данная исследовательская работа была направлена на изучение и анализ роста города Самары и его прилегающих территорий с использованием данных дистанционного зондирования и статистических данных. Предложенный в работе подход позволяет провести мониторинг динамики некоторых изменений, вызванных процессом урбанизации. Возможно, рост города Самары обусловлен наличием рек Самара и Волга, а также социальными факторами, такими как демографический рост, миграция населения и развитие экономики. Преобразование земель из сельскохозяйственных полей в территории застройки является относительно недавним процессом. Основным типом землепользования остаются именно сельскохозяйственные поля. Площадь под ними снизилась на 7,66 % (149,43 км2) за счёт увеличения леса с 1975 по 2015 г. Вторым крупным классом землепользования является территория застройки, которая выросла на 6,48 % (127,37 км2) за счёт территорий леса и сельскохозяйственных полей.

Табл. 3. Относительное изменение землепользования с 1975 по 2015 г.

Изменения за периоды, %	Застр.	Лес	Поля	Водн.
1975 – 1985	1,05	7,23	-9,13	12,47
1985 – 1995	36,37	-45,66	-25,85	53,26
1995 – 2005	-90,25	22,88	32,40	-122,84
2005 – 2015	39,14	2,82	-28,69	5,47

Таким образом, данное исследование показывает, что дистанционное зондирование и ГИС являются важными технологиями пространственно-временного анализа и могут успешно применяться в качестве средств количественной оценки происходящих территориальных изменений, которые крайне трудоёмко провести при помощи наземных методов исследования.

Работа выполнена за счёт гранта Российского научного фонда (проект №14-31-00014).