کاربرد سنجش‌ازدور در ارزیابی ساختار سیمای سرزمین شهری مناطق خشک (مطالعه موردی: شهر یزد، ایران)

محورهای موضوعی : منابع طبیعی و مدیریت زیست محیطی

مهدیه ابوالحسنی ¹ , احد ستوده ² , پرستو پریور ³

1 - دانش آموخته کارشناسی ارشد علوم محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی و کویر شناسی، دانشگاه یزد، ایران
2 - استادیار گروه محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی و کویرشناسی، دانشگاه یزد، یزد، ایران
3 - استادیار گروه محیط زیست، دانشکده منابع طبیعی و کویرشناسی، دانشگاه یزد، یزد، ایران

تاریخ دریافت : 1399/03/16 تاریخ پذیرش : 1399/05/08 تاریخ انتشار : 1399/07/01

کلید واژه: مناطق خشک, تجزیه‌وتحلیل مکانی, سنجه‌های سیمای سرزمین, سیمای سرزمین,

چکیده مقاله :

پیشینه و هدف رشد جمعیت و گسترش شهرنشینی سبب تغییرات زیاد پوشش و کاربری اراضی شده که به‌طور گسترده‌ای بر ساختار، عملکرد و خدمات اکوسیستم تأثیر می‌گذارد. از سال 2008 بیش از نیمی از جمعیت جهان در مناطق شهری زندگی می کنند که طبق پیش‌بینی سازمان ملل تا سال 2050، 80 درصد جمعیت جهانی شهری خواهد شد و این افزایش مداوم موجب گسترش سریع مناطق شهری می شود. اکثر این شهرها در کشورهای درحال‌توسعه، به‌ویژه در آسیا و آفریقا واقع‌شده‌اند که بخش قابل‌توجهی از آن ها، کشورهای خشک و نیمه‌خشک هستند. برآوردها نشان می دهد که 85 درصد از کل اراضی ایران تحت تأثیر شرایط خشک و نیمه‌خشک هستند. مناطق خشک با اقلیم خشک، پوشش گیاهی تنک، کمبود آب، بارش محدود و محیط زیست بسیار شکننده مشخص می شوند. این ویژگی ها باعث شکننده شدن اکوسیستم های شهری می شوند. با توجه به اینکه عملکرد و کارکردهای محیطی به ترکیب و توزیع عناصر ساختاری آن‌ها بستگی دارد، برای درک بهتر پویایی سیمای سرزمین، بررسی تغییرات الگوهای مکانی ضروری است. اطلاعات تغییرات کاربری‌ها درگذر زمان می‌تواند تغییرات آتی را پیش‌بینی کرده و همچنین در شناخت توان و استعداد اراضی کاربرد دارند که می‌تواند در دستیابی به برنامه‌ریزی و طراحی اصولی و پایدار کمک کرده و روند نامناسب تغییرات اراضی را تعیین و از گسترش آن جلوگیری کرد. برای شناسایی این الگوی مکانی و تغییرات آن از سنجه‌های سیمای سرزمین می‌توان استفاده کرد. کمی سازی تغییرات در سیمای سرزمین با استفاده از سنجه‌های سیمای سرزمین صورت می‌پذیرد و برای تحلیل و برنامه‌ریزی کاربری‌ها مورداستفاده قرار می گیرد. سنجه‌ها ابزار مناسبی برای طراحی و یافتن ارتباط دقیق بین ساختار و عملکرد کاربری‌های سیمای سرزمین هستند. بر همین اساس در این پژوهش سعی شده است تا با بررسی و اندازه‌گیری تغییرات ساختار سرزمین شهری شهر یزد با استفاده از سنجه‌های سیمای سرزمین در طی سه دهه در این منطقه از تخریب و تکه‌تکه شدن الگوهای طبیعی جلوگیری شود و به برنامه ریزان و سیاست‌گذاران برای جهت‌گیری توسعه پایدار شهری کمک کند. هدف این مطالعه کمی سازی و اندازه‌ گیری تغییرات الگوهای مکانی پوشش اراضی شهر یزد با استفاده از سنجه‌های سیمای سرزمین در دو سطح طبقه و سیمای سرزمین در طی دوره 27 سال است. همچنین توزیع و ترکیب الگوی فضایی پوشش اراضی در دو سطح لکه های سبز و ساخته‌شده که نقش عمده‌ای بر کارکرد اکوسیستم دارند، موردبررسی قرار گرفت.مواد و روش ها در این پژوهش از تصاویر ماهواره‌ای لندست 5 به تاریخ 1371 و لندست 8 به تاریخ 1397 استفاده‌ شد. پس از انجام تصحیحات لازم بر روی تصاویر ماهواره‌ای، طبقه‌بندی نظارت‌شده به روش حداکثر احتمال انجام شد. با توجه به تنوع پوشش‌های موجود در منطقه، سه‌طبقه شامل اراضی بایر، پوشش گیاهی و شهری مورد شناسایی و طبقه‌بندی قرار گرفت. به‌منظور بررسی دقت طبقه‌بندی تصاویر، از ماتریس خطا و محاسبه پارامترهای آماری ضریب کاپا و صحت کلی استفاده شد. ضریب کاپا و صحت کلی تصاویر طبقه‌بندی‌شده سال 1370 و 1397 به ترتیب 0.83، 96 درصد و 0.81، 90 درصد به دست آمد. با استفاده از نرم‌افزار فرگاستات Fragstats برای محاسبه‌ی سنجه های سیمای سرزمین استفاده شد. در مطالعه حاضر با توجه به هدف تحقیق، سنجه های مساحت لکه (CA)، تعداد لکه (NP)، درصد مساحت لکه (PLAND)، میانگین اندازه لکه (AREA)، فشردگی لکه (GYRATE)، نزدیک ترین فاصله اقلیدسی (ENN)، و پیوستگی (CONTAGE) در سطح کلاس و سیمای سرزمین انتخاب و مورداندازه ‌گیری قرار گرفتند.نتایج و بحث در این مطالعه با بررسی سنجه های مختلف در دو مقیاس کلاس و سیمای سرزمین استنباط شد که سیمای سرزمین در طبقه اراضی بایر و پوشش گیاهی در حال خرد شدن و گسستگی بیشتر در طی دوره زمانی موردبررسی است. درحالی‌که پوشش شهری در طی این مدت یکپارچه تر و مساحت بیشتری را در برگرفته است که نشان‌دهنده آثار مخرب فعالیت های انسانی بر محیط زیست است. طی دوره موردمطالعه بیشترین افزایش مساحت نسبت به سایر طبقه ها، متعلق به طبقه پوشش شهری است، در این مطالعه بیشترین تعداد لکه نسبت به سایر طبقه ها را طبقه پوشش گیاهی داشته است. تعداد لکه های پوشش گیاهی طی دوره مطالعه افزایش و تعداد لکه های اراضی بایر و پوشش شهری کاهش‌یافته است. نتایج حاصل از این سنجه در کنار سنجه مساحت، نشان‌دهنده پدیده خرد دانه شدن پوشش گیاهی در شهر یزد است. تغییر کاربری های کشاورزی و باغداری به مناطق مسکونی باعث ازهم‌گسیختگی لکه های پوشش گیاهی شده است. متوسط اندازه لکه در کلاس پوشش شهری افزایش و در دوطبقه پوشش گیاهی و اراضی بایر کاهش‌یافته که نشان می دهد سطح نفوذناپذیر در شهر موردمطالعه افزایش‌یافته و سطح به هم پیوست ه ای را به وجود آورده اند. سنجه میانگین فاصله هر سلول در لکه با مرکز ثقل در دو کلاس اراضی بایر و پوشش گیاهی کاهش‌یافته و بیشترین کاهش مربوط به کلاس پوشش گیاهی است که نشان‌دهنده کاهش فشردگی این لکه ها است. سنجه نزدیک‌ترین فاصله اقلیدسی لکه ها در تمامی کاربری ها افزایش‌یافته است که بیشترین میزان مربوط به اراضی بایر است.نتیجه گیری نتایج حاصل از بررسی تغییرات سنجه مساحت کلاس نشان‌دهنده این است که مساحت کاربری اراضی شهری طی دوره موردبررسی به میزان 4346.82 هکتار افزایش‌یافته است. دلیل این امر، افزایش جمعیت شهر یزد است. در سال 1370 جمعیت این شهر 275298 نفر بوده و در سال 1397 به 529673 نفر رسیده است؛ یعنی به میزان 254375 نفر افزایش جمعیت داشته است؛ بنابراین به فضای بیشتری جهت رشد و گسترش شهر نیاز است که سبب توسعه فیزیکی کاربری ساخت‌وساز می‌شود. در اثر گسترش فضایی شهر، حدود 1667.61 هکتار از اراضی کشاورزی و باغات موجود در شهر یزد از بین رفته و در محدوده خدماتی شهر ادغام‌شده و به زیرساخت‌های شهری تبدیل‌شده است. افزایش زیرساخت و فعالیت‌های انسانی بدون توجه به ظرفیت و توان اکولوژیکی این منطقه، می‌تواند مشکلات زیست ‌محیطی بسیاری را به دنبال داشته باشد. ازاین‌رو برای جلوگیری از تخریب بیشتر محیط‌زیست و کاهش کیفیت آن لازم است برنامه های پایش و ارزیابی الگوهای پراکنش کاربری اراضی به‌طور مداوم اندازه گیری شود تا بتوانند به‌عنوان راهنمایی برای ارزیابی وضعیت موجود اکوسیستم شهری کاربردی باشند.

چکیده انگلیسی:

Background and ObjectivePopulation growth and urbanization have caused many changes in land use and land cover that has been greatly affected by the structure, function and service of the ecosystem. Since 2008, more than half of the world's population has lived in urban areas, which, according to the United Nations, 80 percent of the world's population will be urban by 2050, and this continuous increase will lead to the rapid expansion of urban areas. Most of these cities are located in developing countries, especially in Asia and Africa, where a considerable part of them are arid and semi-arid countries. Estimates show that 85 percent of total Iran's lands are under arid and semiarid conditions climate. Arid areas with dry climate, poor vegetation, lack of water, limited rainfall and very fragile environment are identified. These characteristics cause the vulnerability of urban ecosystems. Considering that the function and performance of the environment depended on the composition and distribution of their structural elements, to better understand the dynamics of land, it is necessary to study the changes in spatial patterns. Information on land use changes over time can predict future changes and also be used to identify land a principled and sustainable design and planning,  also to determine the improper process of land change and prevent its spread. Landscape metrics can be used to identify this spatial pattern and it's change.  Applicability of landscape metrics is for the Quantifying of the landscape change and also it's used for analysis and planning of land uses. Metrics is a useful tool for designing and finding exact relationships between the structure and function of landscape functions. Accordingly, this study has tried to study and measure changes in landscape structure of Yazd city by using landscape metrics for three decades in this region from destruction and fragmentation of natural patterns and help planners and policymakers for the orientation of sustainable urban development. The aim of this study is to quantify and measure changes in spatial patterns of land use in Yazd city by using landscape metrics in two levels of class and landscape during the period of 27 years. Also, the distribution and composition of spatial patterns of land use have been investigated in two levels of green and built-up patches that have a major role in ecosystem function. Materials and Methods In this study, Landsat 5 at 1991 and Landsat 8 at 2017 satellite images have been used. After performing the necessary corrections on the satellite images, the classification was done using the maximum likelihood method. according to the diversity of vegetation in the area, three categories including bare land, vegetation and built-up were identified and classified. In order to investigate the accuracy of classification, error matrix and statistical parameters of the kappa coefficient and overall accuracy were used. The kappa coefficient and overall accuracy of the classification images for 2017  and 1991 are 0.81, 90%, 0.83 96%, respectively. The Fragstats 4.1 software was used to calculate the landscape metrics. In the present study, according to the aim of the study, Class Area (CA), Number of patches (NP), Percentage of Landscape (PLAND), AREA, Radius of Gyration (GYRATE), Euclidean Nearest Neighbor Distance (ENN), and Contagion landscape metrics (CONTAGE) were selected and evaluated at the class and landscape level. Results and Discussion In this research, by studying different metrics in the two scales of class and landscape, it was inferred that the landscape in open land and green spaces are being crushed and discrete over a period. While built-up has become more integrated and more expansive over the period, it shows the destructive effects of human activities on the environment. During the studied period, the highest increase in area to other classes belongs to the built-up class. In this study, the maximum number of patches is related to other classes of a green space class. The number of vegetation patches increased and the number of patches opens land and urban class decreased. The results of this metric along with area metrics show the phenomenon of fragmented in Yazd city. Changes in agricultural and gardening land use to residential areas cause disintegration of vegetation patches. The mean patch size of the built-up class has increased and in two vegetation and open land decreased. It shows that the impervious area in the studied city has increased. The average distance metric of each cell in the patches with the center of gravity in two classes of open land and vegetation decreased and the largest reduction is in the green space class. The Euclidean nearest-neighbour distance metric of patches in all uses has been increased which is related to open land. Conclusion The results of the study of metrics changes in the class area show that the built-up has increased by 4346.82 ha in the studied period. The reason for this is the increase in the population of Yazd city, which in 1991 and 2017 were 275298 and 529673  respectively. Therefore, more space is needed for the growth and expansion of the city, which causes the physical development of the construction. Due to the spatial expansion of the city, about 1667.61 ha of the agricultural lands and gardens in Yazd city has been destroyed and integrated into urban infrastructures. Increasing human infrastructure and activities without considering the capacity and ecological capability of this area can cause many environmental problems. Therefore, in order to prevent further degradation of the environment and reduce its quality. Monitoring and evaluation of land use patterns should be measured continuously so that they can be used as a guide to assess the current status of the urban ecosystem.

منابع و مأخذ:

Arekhi S, Komaki B. 2015. Detecting and Assessing Desertification using Landscape Metrics in GIS Environment (Case Study: Ain-e-khosh Region, Iran). Environmental Resources Research, 3(2): 122-138. doi:https://dx.doi.org/10.22069/ijerr.2015.2709.

Armour T, Armour S, Hargrave J, Revell T. 2014. Cities alive: Rethinking green infrastructure. Arup: London, UK, 1-15.

Baker LA, Brazel A, Westerhoff P. 2004. Environmental consequences of rapid urbanization in warm, arid lands: case study of Phoenix, Arizona (USA). WIT Transactions on Ecology and the Environment, 72: 155-164. doi:https://dx.doi.org/10.2495/SC040701.

Dasgupta A, Kumar U, Ramachandra T. 2009. Urban Landscape analysis through spatial metrics. In: Proceedings of International Conference on Infrastructure, Sustainable Transportation and Urban Planning,(CISTUP@ CiSTUP), Indian Institute of Science, Bangalore, India, 18-20 October. pp 18-20.

Jaafari S, Sakieh Y, Shabani AA, Danehkar A, Nazarisamani A. 2016. Landscape change assessment of reservation areas using remote sensing and landscape metrics (case study: Jajroud reservation, Iran). Environment, Development and Sustainability, 18(6): 1701-1717. doi:10.1007/s10668-015-9712-4.

Lafortezza R, Corry RC, Sanesi G, Brown RD. 2008. Visual preference and ecological assessments for designed alternative brownfield rehabilitations. Journal of Environmental Management, 89(3): 257-269. doi:https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2007.01.063.

Li H, Chen W, He W. 2015. Planning of green space ecological network in urban areas: an example of Nanchang, China. International Journal of Environmental Research and Public Health, 12(10): 12889-12904. doi:https://doi.org/10.3390/ijerph121012889.

Li H, Peng J, Yanxu L, Yi’na H. 2017. Urbanization impact on landscape patterns in Beijing City, China: A spatial heterogeneity perspective. Ecological Indicators, 82: 50-60. doi:https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2017.06.032.

Linh N, Erasmi S, Kappas M. 2012. Quantifying land use/cover change and landscape fragmentation in Danang City, Vietnam: 1979-2009. In: International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XXXIX-B8, 2012, XXII ISPRS Congress, 25 August – 01 September 2012, Melbourne, Australia, 501-506.

Liu H, Weng Q. 2013. Landscape metrics for analysing urbanization-induced land use and land cover changes. Geocarto International, 28(7): 582-593. doi:https://doi.org/10.1080/10106049.2012.752530.

Manjarrez-Dominguez C, Pinedo-Alvarez A, Pinedo-Alvarez C, Villarreal-Guerrero F, Cortes-Palacios L. 2015. Vegetation landscape analysis due to land use changes on arid lands. Polish Journal of Ecology, 63(2): 167-174. doi:https://doi.org/10.3161/15052249PJE2015.63.2.001.

McGarigal K, Cushman SA, Neel MC, Ene E. 2015. FRAGSTATS: Spatial pattern analysis program for categorical maps. 2002. Computer software program produced by the authors at the University of Massachusetts, Amherst, Available at the following web site: http://wwwumassedu/landeco/research/fragstats/fragstatshtml.

Ministry of Roads and Urban Development. 2018. Report of Master Plan of Yazd. Yazd, Available at the following web site: https://yazd.mrud.ir. (In Persian)

Pan T, Lu D, Zhang C, Chen X, Shao H, Kuang W, Chi W, Liu Z, Du G, Cao L. 2017. Urban land-cover dynamics in arid China based on high-resolution urban land mapping products. Remote Sensing, 9(7): 730. doi:https://doi.org/10.3390/rs9070730.

Sertel E, Topaloğlu RH, Şallı B, Yay Algan I, Aksu GA. 2018. Comparison of landscape metrics for three different level land cover/land use maps. ISPRS International Journal of Geo-Information, 7(10): 408. doi:https://doi.org/10.3390/ijgi7100408.

Sha M, Tian G. 2010. An analysis of spatiotemporal changes of urban landscape pattern in Phoenix metropolitan region. Procedia Environmental Sciences, 2: 600-604. doi:https://doi.org/10.1016/j.proenv.2010.10.066.

Sotoudeh A, Parivar P. 2016. Applying resilience thinking to select more sustainable urban development scenarios in Shiraz, Iran. Scientia Iranica Transaction A, Civil Engineering, 23(5): 1975. doi:https://dx.doi.org/10.24200/sci.2016.2264.

Sun B, Zhou Q. 2016. Expressing the spatio-temporal pattern of farmland change in arid lands using landscape metrics. Journal of Arid Environments, 124: 118-127. doi:https://doi.org/10.1016/j.jaridenv.2015.08.007.

Tao P, Lu D, Zhang C, Chen X, Shao H, Kuang W, Chi W, Liu Z, Du G, Cao L. 2017. Urban land-cover dynamics in arid China based on high-resolution urban land mapping products. Remote Sensing, 9(7): 730. doi:https://doi.org/10.3390/rs9070730.

Weng Y-C. 2007. Spatiotemporal changes of landscape pattern in response to urbanization. Landscape and Urban Planning, 81(4): 341-353. doi:https://doi.org/10.1016/j.landurbplan.2007.01.009.

Wu J, He C, Huang G, Yu D. 2013. Urban Landscape Ecology: Past, Present, and Future. In: Fu B, Jones KB (eds) Landscape Ecology for Sustainable Environment and Culture. Springer Netherlands, Dordrecht, pp 37-53. https://doi.org/10.1007/1978-1094-1007-6530-1006_1003.

Wu J, Jenerette GD, Buyantuyev A, Redman CL. 2011. Quantifying spatiotemporal patterns of urbanization: The case of the two fastest growing metropolitan regions in the United States. Ecological Complexity, 8(1): 1-8. doi:https://doi.org/10.1016/j.ecocom.2010.03.002.

Yavari A, Sotoudeh A, Pari VP. 2007. Urban environmental quality and landscape structure in arid mountain environment. International Journal of Environmental Research (IJER), 1(4): 325-340. doi:https://doi.org/10.22059/IJER.2010.144.

Zhang F, Tashpolat T, Kung H-t, Ding J. 2010. The change of land use/cover and characteristics of landscape pattern in arid areas oasis: an application in Jinghe, Xinjiang. Geo-spatial Information Science, 13(3): 174-185. doi:https://doi.org/10.1007/s11806-010-0322-x.