Remote sensing application for urban landscape assessment in arid regions (Case study: Yazd city, Iran)
Subject Areas : Natural resources and environmental management
Mahdieh Abolhassani
1
,
Ahad Sotoudeh
2
,
Parasto Parivar
3
1 - MSc. Graduated of Environmental Science, Faculty of Natural Resources & Desert Studies, Yazd University, Yazd, Iran
2 - Assistant Professor, Department of Environmental Science, Faculty of Natural Resources & Desert Studies, Yazd University, Yazd, Iran
3 - Assistant Professor, Department of Environmental Science, Faculty of Natural Resources & Desert Studies, Yazd University, Yazd, Iran
Keywords: Dry regions, Spatial analysis, Landscape, Landscape metrics,
Abstract :
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.
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.
_||_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.
کاربرد سنجش از دور در ارزیابی ساختار سیمای سرزمین شهری مناطق خشک (مطالعه موردی: شهر یزد-ایران)
چکیده
افزایش جمعیت و توسعه شهرنشینی منجر به تغییرات پوشش زمین و به وجود آمدن مشکلات محیط زیستی بهویژه در مناطق خشکشده است. تحلیل و کمی سازی ساختار سیمای سرزمین شهری و تغییرات آن، به برنامه ریزان شهری کمک میکند تا استراتژیهای متناسب برای پایداری شهر ارائه دهند. شهر یزد با اقلیم خشک و توان محدود سرزمین، طی سه دهه گذشته، تغییرات ساختاری چشمگیری را تجربه کرده است. در این مطالعه ابتدا با استفاده از تصاویر ماهواره لندست مربوط به سالهای 1370 و 1397 نقشه پوشش اراضی شهر یزد با استفاده از روش طبقهبندی نظارتشده در سه طبقه اراضی بایر، پوشش گیاهی و پوشش شهری تهیه شد و سپس با استفاده از سنجههای مختلف NP، PLAND، AREA، GYRATE، ENN و CONTAGION در دو مقیاس کلاس و سیمای سرزمین به تحلیل ساختار سیمای سرزمین، ترکیب و توزیع فضایی ساختار سیمای سرزمین شهری و تغییرات آن طی دوره مورد مطالعه (1370 تا 1397) مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان میدهد که طی دوره مورد مطالعه مساحت لکههای سبز و باز که منشأ خدمات اکولوژیک شهری به شمار میرفتند، بهشدت کاهشیافته است، این نوع لکهها خرد دانه شده و پیوستگی آنها نیز کاهشیافته است. درنتیجه تغییرات ساختاری سیمای سرزمین، کارکردهای اکولوژیک آنها نیز تغییریافته و باعث افت کیفیت محیطزیست شهر یزد طی دوره موردمطالعه شده است.
واژههای کلیدی: شهر یزد، سیمای سرزمین، سنجههای سیمای سرزمین، مناطق خشک
مقدمه
شهرنشینی فرایند پیچیدهای از تبدیل سیمای سرزمین روستایی یا طبیعی به الگوهای شهری است که تأثیرات مخربی بر ساختار، عملکرد و پویایی اکوسیستمها میگذارد (22) همچنین علت اصلی تغییر کاربری و پوشش اراضی است (9). از سال 2008 بیش از نیمی از جمعیت جهان در مناطق شهری زندگی میکنند، مطابق با پیشبینی سازمان ملل تا سال 2050، 80 درصد جمعیت جهان شهرنشین خواهند شد (23). افزایش شهرنشینی مستلزم فرایندهای پیچیده تغییر کاربری اراضی در مقیاسهای محلی، منطقهای و جهانی است که بهنوبه خود پیامدهای شدیدی را برای سیمای سرزمین و محیطزیست به همراه میآورد. در حال حاضر، حدود 5 درصد از اراضی جهان به مناطق شهری تبدیلشدهاند (20). اکثر این شهرها در کشورهای درحالتوسعه، بهویژه در آسیا و آفریقا واقعشدهاند که بخش قابلتوجهی از آنها (15)، حدود 3/41 درصد از سطح زمین تقریباً یکسوم جمعیت جهان در کشورهایی با اقلیم خشک و نیمهخشک زندگی میکنند (21). برآوردها نشان میدهد که 85 درصد از کل اراضی ایران تحت شرایط خشک و نیمهخشک هستند (2).
مناطق خشک با اقلیم خشک، پوشش گیاهی تنک، کمبود آب، بارش محدود و محیطزیست بسیار شکننده مشخص میشوند. این ویژگیها باعث شکننده بودن اکوسیستمهای شهری میشوند (14). ازاینرو، برنامه ریزان، مهندسین و تصمیمگیرندگانی که برای برنامهریزی سرزمینهای خشک فعالیت میکنند، نیازمند اتخاذ راهکارهایی برای طراحی و برنامهریزی شهر متناسب با شرایط آب و هوایی در راستای ایجاد شهرهای پایدار و قابل زیست هستند (3).
اولین گام مهم برای درک تأثیرات شهرنشینی بر فرایندهای اکولوژیک تعیین الگوی تغییرات فضایی و زمانی سیمای سرزمین شهری است (24). تجزیهوتحلیل الگوی سیمای سرزمین، به بررسی اجزای سیمای سرزمین و الگوی فضایی آنها میپردازد (16). در اغلب مطالعات بهمنظور توصیف و شبیهسازی فرایند تغییر، از روشهای مدلسازی فضایی- زمانی استفاده میکنند (19). سنجش توزیع فضایی عناصر ساختاری و تغییرات آن، روشی برای تعیین درجه ازهمگسیختگی و ناهمگونی1 فضایی سیمای سرزمین است (7). ازاینرو تجزیه و تحلیل تغییرات الگوی سیمای سرزمین، نقش مهمی در درک سرزمین و تغییرات آن در آینده دارد. همچنین این فرایند میتواند به درک بهتر ارتباط بین فعالیتهای انسانی و تغییرات سیمای سرزمین کمک کرده و برای برنامهریزی مناسب کاربری اراضی (10)، به تصمیمگیری مناسب سیاستگذاران برای توسعه پایدار کمک کند (26). همچنین بررسی این رابطه میتواند مدیریت اکولوژیک شهری را پشتیبانی کند (8)؛ بنابراین توانایی سنجش الگوهای فضایی در یک سرزمین، پیشنیاز پیشبینی عملکرد و تغییرات سرزمین و دستیابی به پایداری در برنامهریزی و توسعه فضایی آن است (7).
شهر یزد با مشکلات و مسائل زیستمحیطی ازجمله اقلیم خشک، کمبود فضای سبز، کمآبی، آلودگی، طوفانهای گردوغبار مواجه است. شواهد حاکی از آن است که طی دهههای اخیر، این شهر علیرغم توان اکولوژیک و محدودیتهای سیستم پشتیبان حیات بهویژه آب، با رشد فیزیکی و جمعیتی قابلتوجهی روبرو بوده است. بهطوریکه جمعیت آن از 275298 در سال 1370 به 529673 در سال 1397 رسیده است؛ بنابراین با توجه به آثار منفی ناشی از استفاده نامناسب از سرزمین و توسعه کالبدی بدون برنامهریزی، استفاده از روشها و تجزیه وتحلیل تغییرات کاربری اراضی بهمنظور ارزیابی و نظارت پویایی پوشش زمین برای شناخت تغییرات سیمای سرزمین، ارزیابی اثرات محیط زیستی، پیشبینی تغییرات سیمای سرزمین، ارزیابی نتایج مدیریت و برنامهریزی ضروری است. ازاینرو در این پژوهش تغییرات سیمای سرزمین شهر یزد در سه دهه موردبررسی قرار گرفت. همچنین پراکنش الگوی فضایی پوشش اراضی در دو طبقه پوشش گیاهی و پوشش شهری تحلیل شد.
در تحقیقی که بیکر و همکاران (4) در شهر فینیکس آریزونا انجام دادهاند، پیامدهای محیطزیستی ناشی از گسترش سریع شهرنشینی در مناطق خشک و گرم، مورد مطالعه قرارگرفته است. بررسیها نشان داده گسترش شهرنشینی اثرات منفی روی سیستم پشتیبان حیات منطقه داشته، بهطوریکه شوری آب و خاک افزایش و بهطورکلی پایداری کاهشیافته است. یاوری و همکاران (25) در شهر تهران به مطالعه کیفیت ساختار سیمای سرزمین شهری پرداختهاند. در این مطالعه با استفاده از 4 سنجه NP، CAP، MPS و MNN سیمای سرزمین شهری بررسیشده است. بر اساس ارزیابی ساختار سیمای سرزمین، شهر به پهنههای همگن طبقهبندیشده و استراتژیهای پایداری برای هر پهنه در نظر گرفتهشده است. داسگاپتا و همکاران (5) سیمای سرزمین شهری را با استفاده از سنجههای فضایی مورد تجزیهوتحلیل قرار دادهاند. در این مطالعه شهر بنگلر در 4 کلاس ساختوساز، پوشش گیاهی، آب و فضاهای باز طبقهبندیشده است. بر اساس نتایج، شهر فشردهتر شده و کاربری فضای باز کاهشیافته است. تیان و شا (17) در پژوهش خود به آنالیز تغییرات مکانی -زمانی الگوی سیمای سرزمین شهری در منطقه کلانشهر فینیکس پرداختهاند. در این پژوهش، پوشش اراضی به چهار طبقه: شهری، زمینهای کشاورزی، زمینهای بیابانی و تفریحی پهنهبندی شده است. نتایج نشان داده که زمینهای بیابانی بزرگترین سطح پوشش زمین در فینیکس هستند، اما در حال کاهش میباشند؛ این در حالی است که منطقه شهری و پیچیدگی شکل آن در حال افزایش است. اراضی کشاورزی بهشدت در حال تغییر کاربری هستند. از سوی دیگر، زمینهای تفریحی تحت تأثیر توسعه شهری قرارگرفتهاند. در مطالعهی لینگ و همکاران (10) بهمنظور سنجش تغییرات کاربری اراضی و ازهمگسیختگی سیمای سرزمین در شهر دان انگ ویتنام از 9 سنجه در سطح کلاس و سیمای سرزمین استفاده کردهاند. نتایج نشان داده، کاهش چشمگیری در اراضی جنگلی، بوتهزار، کشاورزی و بایر ایجادشده است، درحالیکه مناطق شهری گسترشیافتهاند. در این مطالعه با تجزیهوتحلیل سنجههای سیمای سرزمین دریافتند، ساختار سیمای سرزمین شهر دان انگ بیشتر تقسیم و ناهمگن شده است. لئو و ونگ (11) به تجزیهوتحلیل تغییرات کاربری اراضی ناشی از شهرنشینی در شهر ايندياناپوليس با استفاده از سنجههای سیمای سرزمین پرداختهاند. در پژوهشی که در منطقه بیابانی ایالت چيواوا در مکزیک انجامشده سیمای سرزمین پوشش گیاهی با توجه به تغییرات کاربری اراضی طی سالهای 1990 تا 2012 موردبررسی قرارگرفته است. در این پژوهش از سنجههای سیمای سرزمین استفادهشده است و نتایج آن حاکی از افزایش تعداد لکهها است که این تغییر نشاندهنده روند تخریب اکوسیستم میباشد. شاخص سیمسون و شانون بهطور واضح ازهمگسیختگی سیمای سرزمین را نشان دادند (12). همچنین جعفری و همکاران (6) در مطالعهی خود به ارزیابی سیمای سرزمین شهر جاجرود با استفاده از سنجشازدور و سنجههای سیمای سرزمین طی سالهای 1986 تا 2010 پرداختهاند. در این مطالعه نتایج حاکی از افزایش طبقه شهری است که به دلیل تبدیل مراتع و باغات به این طبقه میباشد.
با توجه به پیشینه تحقیق ارائهشده در زمینه ارزیابی تغییرات ساختار سیمای سرزمین مطالعات محدودی انجامشده است؛ بنابراین هدف از انجام این مطالعه، بررسی الگوی سیمای سرزمین شهری و تغییرات آن در شهر یزد است.
روش تحقیق
منطقه موردمطالعه
شهر یزد؛ در بخش مرکزی فلات ايران واقعشده است. وسعت این شهر 3/107 کیلومتر مربع میباشد که مرکز شهر در مختصات 31 و 54 عرض شمالی و 23 و 54 طول شرقی قرار دارد. این منطقه به سبب موقعیت جغرافیایی، دارای اقلیم گرم و خشک بیابانی است. به علت کمبود بارندگی در این منطقه، منابع آب سطحی بسیار محدود است (1). مدیران شهری برای جبران کمبود آب در این شهر از سیستم انتقال آب بین حوضهای استفاده میکنند. از سوی دیگر با توسعه سریع شهر، ساختار سیمای سرزمین شهری بهشدت در حال تغییر است. بهطوریکه لکههای پوشش گیاهی (باغات و فضاهای سبز) و اراضی بایر در این شهر جای خود را به پوشش و زیرساخت شهری دادهاند. ازاینرو تحلیل روند این تغییرات و بررسی ترکیب و توزیع فضایی انواع پوشش زمین در این شهر اهمیت دارد. در شکل 1 حدود و موقعیت شهر یزد نشان دادهشده است.
Fig 1. Location of the study area
روش پژوهش
در این پژوهش در مرحله نخست روند تغییرات پوشش زمین در شهر یزد در دو تاریخ 1370، 1397 ارزیابی شد. سپس در مرحله بعد ترکیب و توزیع فضایی سیمای سرزمین شهر یزد در سال 1370 و 1397 مورد ارزیابی قرار گرفت. در جدول 1 مشخصات تصاویر ماهوارهای مورداستفاده در این تحقیق نشان دادهشده است.
جدول 1. مشخصات تصاویر ماهوارهای
Table 1. Specifications of satellite images
ماهواره Satellite | سنجنده Sensor | منبع source | تقویم میلادی Acquisition Data |
Landsat8 | OLI | USGS | 2018Jun12 |
Landsat5 | TM | USGS | 1991Jun18 |
بهمنظور تهیه نقشه پوشش اراضی از تصاویر ماهوارههای لندست مربوط به سالهای 1370 و 1397 از نرمافزار Erdas imagine به شیوه طبقهبندی نظارتشده استفادهشده است. نقشههای پوشش اراضی در سه طبقه اراضی بایر (زمینی که رهاشده و فاقد پوشش گیاهی و زیرساختهای شهری)، پوشش گیاهی (تمامی اراضی کشاورزی، باغات، فضاهای سبز و پارکها) و پوشش شهری (کاربریهای مسکونی، تجاری و زیرساخت شهری)، با روش حداکثر احتمال تهیه شدند. برای ارزیابی صحت طبقهبندی انجامشده، نتایج حاصل با تصاویر نرمافزار Google Earth تطبیق و مورد بررسی قرار گرفت. ضریب کاپا و صحت کلی تصاویر طبقهبندیشده سال 1397 به ترتیب 81/0، 90 درصد و سال 1370 83/0، 96 درصد به دست آمد. نقشههای پوشش کاربری اراضی در اشکال 3 و 4 نمایش دادهشده است. با استفاده از نرمافزار Fragstats 4.1 سنجههای سیمای سرزمین در سطح طبقه و سیمای سرزمین محاسبه شد.
در مطالعه حاضر با توجه به هدف تحقیق، مجموعهای از سنجهها انتخاب و مورداندازهگیری قرار گرفتند. سنجه CA (سنجه مساحت طبقه)، PLAND (سنجه درصد سیمای سرزمین) بهعنوان سنجش اساسی ترکیب سیمای سرزمین هستند و نشان میدهند چه مقدار از سیمای سرزمین از یک نوع لکه خاص تشکیلشده است. AREA (سنجه میانگین اندازه لکه) مساحت هر لکه که مهمترین و مفیدترین اطلاعات موجود در سیمای سرزمین است را مشخص میکند. با استفاده از سنجه GYRATE (سنجه فشردگی) گستردگی لکه اندازهگیری میشود و مشخص میشود یک لکه تا چه اندازه در سیمای سرزمین گسترشیافته است هر چه لکه بزرگتر و کشیدهتر باشد شعاع گستردگی بیشتر میشود. ENN (سنجه نزدیکترین فاصله اقلیدسی) سادهترین سنجه نشاندهنده جدایی لکهها میباشد. نزدیکترین فاصله همسایگی اقلیدسی بهعنوان کوتاهترین فاصله مستقیم بین لکه کانونی تا نزدیکترین همسایه همان طبقه است و CONTAGE (سنجه سرایت) این سنجه بر اساس سلولهای مجاور نه لکه است. سنجه سرایت هم پراکندگی انواع لکه (مخلوط انواع لکههای مختلف) و هم پراکندگی لکه (توزیع مکانی یک لکه) را در سطح سیمای سرزمین اندازهگیری میکند (13). در جدول 2 مشخصات سنجهها نشان دادهشده است.
جدول 2. سنجههای استفادهشده در تحلیل سیمای سرزمین شهر یزد
Table 2. Landscape metrics utilized for landscape pattern characterization
سنجه Metric | علامت اختصاری Abbreviation | واحد Unit | دامنه Range | فرمول محاسباتی Algorithm | ||
مساحت لکه Class area | CA | هکتار | CA>0 |
| ||
درصد مساحت لکه Percentage of landscape | PLAND | درصد | PLAND≤100 0<
|
| ||
تعداد لکه Number of patches | NP | ندارد | NP ≥ 1 |
| ||
فشردگی لکهها Radius of Gyration | GYRATE | متر | GYRATE ≥ 0 |
| ||
نزدیکترین فاصله اقلیدسی Euclidean nearest neighbour distance | ENN | متر | ENN > 0 |
| ||
پیوستگی سیمای سرزمین Contagion | CONTAG | متر | 0 <CONTAG ≤ 100 |
|
نرخ سالیانه | درصد تغییرات | سطح | 1397 | 1370 |
|
23/99- | 4/80- | 3/2679- | 57/654 | 87/3333 | اراضی بایر Open land |
76/61- | 63- | 61/1667- | 36/981 | 97/2648 | پوشش گیاهی Vegetation |
99/160+ | 81/89+ | 82/4346 | 84/9186 | 02/4840 | پوشش شهری Built-up |
محاسبه تغییرات پوشش زمین در مقیاس طبقه – شهر یزد
نتایج محاسبه سنجه درصد مساحت لکه در سطح طبقه نشان داده که بیشترین تغییرات منفی را اراضی بایر داشته است و از 53/16 درصد 3334 هکتار در سال 1370 به 22/3 درصد در سال 1397 کاهش پیداکرده است. بیشترین تغییرات مثبت متعلق به پوشش شهری است بهطوریکه از 24 درصد 4840 هکتار در سال 1370 به 55/45 درصد 5/9186 هکتار افزایشیافته است. بر اساس نتایج جدول 4 در طول سالهای 1370 تا 1397، تعداد لکههای اراضی بایر و پوشش شهری کاهشیافتهاند، درحالیکه تعداد لکههای پوشش گیاهی از 249 لکه در سال 1370 به 433 لکه در سال 1397 افزایشیافته است. بر اساس نتایج محاسبه سنجه متوسط اندازه لکه (جدول 4)، بزرگترین متوسط اندازه لکه متعلق به پوشش شهری است که در سالهای 1370 و 1397 به ترتیب 6/4092 و 5/9030 از سطح سیمای سرزمین را تشکیل میدهد. همانطور که در جدول 4 نشان دادهشده است در سال 1370 فشردگی اراضی بایر 7/1324 متر بوده و در سال 1397 این فاصله به 820 متر رسیده که بیانگر کاهش فشردگی این نوع لکه است. بر اساس نتایج میانگین فاصله اقلیدسی، مقدار این سنجه برای پوشش شهری کاهش محسوسی از سال 1370 تا 1397 داشته است بهطوریکه از 64 متر در سال 1370 به 60 متر در سال 1397 رسیده است. در مقابل میانگین فاصله از لکههای هم نوع در اراضی بایر و پوشش گیاهی افزایشیافته است. بر اساس نتایج سنجه فشردگی، در هر دو مقطع زمانی بیشترین مقدار این سنجه متعلق به کاربری پوشش شهری است و کمترین مقدار مربوط به پوشش گیاهی است.
جدول 4. نتایج محاسبه سنجههای سیمای سرزمین
Table 4. The result of calculating landscape
ENN_AM | GYRATE_AM | AREA_AM | NP | PLAND | کاربری | سال |
58/68 | 7/1324 | 1045 | 117 | 53/16 | بایر | 1370 |
88/63 | 44/983 | 64/427 | 249 | 13/13 | پوشش گیاهی | |
21/64 | 4/3036 | 6/4092 | 173 | 24 | پوشش شهری | |
7/434 | 59/819 | 4/308 | 53 | 224/3 | بایر | 1397 |
49/87 | 27/259 | 42/31 | 433 | 5 | پوشش گیاهی | |
17/60 | 8/3937 | 5/9030 | 60 | 45.55 | پوشش شهری |
محاسبه تغییرات پوشش زمین در مقیاس سیمای سرزمین – شهر یزد
جدول 5 نتایج محاسبه سنجههای تعداد لکه، متوسط اندازه لکه، فشردگی لکه، نزدیکترین فاصله اقلیدسی و پیوستگی سیمای سرزمین را در مقیاس سیمای سرزمین نشان میدهد. بر اساس نتایج تعداد لکه در سطح سیمای سرزمین از 539 در سال 1370 به 549 لکه در سال 1397 رسیده است که تعداد لکهها 7 افزایشیافته است که نشاندهنده روند اختلال و تخریب سیمای سرزمین در طول مدت مطالعه است. افزایش میانگین اندازه سیمای سرزمین نشاندهنده روند افزایش سطح نفوذناپذیر و یکپارچگی لکههای انسانساخت است که منجر به توقف فرایندهای طبیعی و درنتیجه تنوع زیستی مورد تهدید قرار میگیرد. سنجه میانگین فاصله هر سلول در لکه با مرکز ثقل در سطح سیمای سرزمین نیز روند افزایشی داشته است. نزدیکترین فاصله همسایگی اقلیدسی در سال 1370، 5/65 متر که در سال 1397 به 85 متر رسیده است، این نتایج بیانگر آن است که افزایش لکههای انسانساخت در یک سیمای سرزمین فاصله بین لکههای طبیعی را افزایش میدهد. از سال 1370 تا 1397 سنجه سرایت افزایشیافته که نشان میدهد اتصال لکههای شهری در طی این 27 سال افزایشیافته است زیرا لکههای شهری رشد و توسعهیافتهاند. بهطورکلی طی دوره موردمطالعه در شهر یزد، برنامه ریزان با افزایش تعداد لکهها، افزایش میانگین اندازه سیمای سرزمین، کاهش فشردگی، کاهش پیوستگی و اتصال بین لکهها که نشاندهنده خردشدگی سیمای سرزمین است، مواجهه هستند.
جدول 5: وضعیت سنجهها در سطح سیمای سرزمین
Table 5. Changes of landscape-level metrics
CONTAG | ENN_AM | GYRATE_AM | AREA_AM | NP | سال |
37 | 5/65 | 2007 | 2257 | 539 | 1370 |
5/66 | 3/85 | 3416 | 7687 | 546 | 1397 |
7/29 | 8/19 | 1409 | 5430 | 7 | تغییرات (1397-1370) |
بررسی تغییرات ترکیب و توزیع فضایی لکههای پوشش شهری در شهر یزد
الف) وضعیت سنجه CAP پوشش شهری
همانطور که در شکلهای 4 و 5 نشان دادهشده است. در سال 1397، تقریباً 92 درصد مساحت شهر در کمترین نسبت مساحت پوشش شهری بین 77 تا 100 قرارگرفته است. این در حالی است که در سال 1370 42 درصد مساحت شهر در کمترین نسبت مساحت ساز و ساز بین 0 تا 11 و 39 درصد مساحت در بالاترین نسبت مساحت ساز و ساز بین 77 تا 100 قرار داشته است.
شکل 4: نقشه وضعیت سنجه CA ساختوساز در سال 1397 شکل 5: نقشه وضعیت سنجه CA ساختوساز در سال 1370
Fig 5. CA of Built-up patches—Yazd 1991 Fig 4.CA of Built-up patches—Yazd 2018
ب) وضعیت سنجه LSI پوشش شهری
کمیت سنجهی شکل سیمای سرزمین پوشش شهری باگذشت زمان به ترتیب 14/20 و 40/12 بوده است و روند کاهشی را طی کرده است. با توجه به شکل 6 و 7 شکل سیمای پوشش شهری طی مدت 27 سال یکپارچهتر و فشردهتر شده است.
شکل 6: نقشه وضعیت سنجه LSI ساختوساز در سال 1397 شکل 7: نقشه وضعیت سنجه LSI ساختوساز در سال 1370
Fig 7. LSI of Built-up patches—Yazd 1991 Fig 6. LSI of Built-up patches—Yazd 2018
ج) وضعیت سنجه MNN پوشش شهری
بررسی وضعیت سنجه فاصله همسایگی بین لکههای ساختوساز با توجه به نقشه نشان میدهد که در شهر یزد، متوسط فاصله بین لکههای پوشش شهری مجاور تقریباً کمتر از 62 متر است؛ یعنی فاصله بین لکههای پوشش شهری در اکثر محدوده شهر یزد کم است و این مناطق به هم فشردهاند.
شکل 8: نقشه وضعیت سنجه MNN ساختوساز در سال 1397 شکل 9: نقشه وضعیت سنجه MNN ساختوساز در سال 1370
Fig 8. MNN of Built-up patches—Yazd 2018 Fig 9. MNN of Built-up patches—Yazd 1991
بررسی تغییرات ترکیب و توزیع فضایی لکههای پوشش گیاهی در شهر یزد
الف) وضعیت سنجه CAP پوشش گیاهی
پهنهبندی سنجه CAP پوشش گیاهی در سال 1397 نشان میدهد، تقریباً 5 درصد مساحت شهر در بالاترین نسبت مساحت فضای سبز بین 77 تا 100 درصد قرارگرفته است. این در حالی است که در سال 1370 تقریباً 20 درصد مساحت شهر در حداکثر مساحت بین 77 تا 100 قرارگرفته است که نشاندهنده کاهش پوشش گیاهی طی این سه دهه است.
شکل 10: نقشه وضعیت سنجه CA پوشش گیاهی در سال 1397 شکل 11: نقشه وضعیت سنجه CA پوشش گیاهی در سال 1370
Fig 11. CAP of green patches—Yazd 1991 Fig 10. CAP of green patches—Yazd 2018
ب) وضعیت سنجه LSI پوشش گیاهی
کمیت سنجهی شکل سیمای سرزمین پوشش شهری در کلاس پوشش گیاهی از 22 در سال 1370 به 30 در سال 1397 رسیده که روند افزایشی داشته است. با توجه به نقشهها بررسی وضعیت سنجه LSI نشان میدهد که در شهر یزد، بیشترین شکل سیمای پوشش گیاهی بین 0-1 قرارگرفته است که نشاندهنده کاهش لکههای پوشش گیاهی در سیمای سرزمین شهر یزد است.
شکل 12: نقشه وضعیت سنجه LSI پوشش گیاهی در سال 1397 شکل 13: نقشه وضعیت سنجه LSI پوشش گیاهی در سال 1370
Fig 13. LSI of green patches—Yazd 1991 Fig 12. LSI of green patches—Yazd 2018
ج) وضعیت سنجه MNN پوشش گیاهی
در طی این 27 سال تقریباً کل گستره مطالعاتی فاصله نزدیکترین لکههای فضای سبز در طبقه بین 0 تا 62 متر است؛ بنابراین میتوان نتیجه گرفت فاصله بین لکههای پوشش گیاهی کم است و لکهها در مجاور یکدیگر قرار دارند و پراکنده نیستند.
شکل 14: نقشه وضعیت سنجه MNN پوشش گیاهی در سال 1397 شکل 15: نقشه وضعیت سنجه MNN پوشش گیاهی در سال 1370
Fig 15. MNN of green patches—Yazd 1991 Fig 14. MNN of green patches—Yazd 2018
بحث روی یافتهها
با توجه به روند تغییرات سنجههای سیمای سرزمین در مقیاس طبقه (جدول 6) درصد مساحت کلاس اراضی بایر به میزان 37/80 کاهشیافته، درحالیکه پوشش شهری با روند افزایشی 81/89 روبهرو بوده است. از سوی دیگر، وسعت پوشش گیاهی به میزان 95/62 کاهشیافته است. کاهش وسعت پوشش گیاهی و روند افزایشی پوشش شهری بیانگر جایگزینی و تبدیل پوشش طبیعی منطقه به زیرساختهای شهری است. نتایج حاصل از بررسی سنجه مساحت در مقیاس طبقه نشان میدهد که تحت تأثیر افزایش جمعیت شهر یزد، بیشترین مساحت تشکیلدهنده شهر در طی دوره مطالعه مربوط به طبقه پوشش شهری است. تعداد لکه در دو کاربری اراضی بایر و پوشش شهری به ترتیب 55 و 65 کاهشیافتهاند، پوشش گیاهی در طی دوره مطالعاتی با روند افزایشی 9/73 روبهرو است. افزایش تعداد لکهها نشانه تجزیه و کاهش پیوستگی است؛ بنابراین با توجه به این سنجه طبقه پوشش گیاهی خرد دانه و تکهتکه شده است. تغییر کاربریهای کشاورزی و باغداری به مناطق مسکونی، تجاری و زیرساختهای شهری باعث ازهمگسیختگی لکههای پوشش گیاهی شده است. کلاس با متوسط اندازه لکه کوچکتر، تخریبشدهتر تلقی میشود. با توجه به نتایج بیشترین روند افزایشی 7/92 در طبقه پوشش گیاهی است درحالیکه پوشش شهری 7/120 کاهشیافته است. افزایش تعداد لکهها و کاهش میانگین مساحت نشان از تخریب و ازهمگسیختگی پوشش گیاهی میباشد که در اثر افزایش ساخت و ساز و تأثیر خشکسالیهای اخیر است. شاخص میانگین فاصله هر سلول در لکه با مرکز ثقل در دو کلاس اراضی بایر و پوشش گیاهی به ترتیب 13/38 و 6/73 روند کاهش و بیشترین کاهش مربوط به طبقه پوشش گیاهی میباشد که نشاندهنده کاهش فشردگی این لکهها است. کلاس پوشش شهری در این شاخص 68/29 افزایشیافته است. متریک نزدیکترین فاصله اقلیدسی لکهها میزان تکهتکه شدگی لکهها در یک طبقه را نشان میدهد که بیشترین روند این متریک 8/533 مربوط به اراضی بایر است و کلاس پوشش شهری روند کاهشی در طول دوره مطالعه داشته که مفهوم آن این است که اراضی بایر نسبت به سایر طبقات یکپارچگی کمتری داشتهاند. با بررسی سنجههای مختلف در مقیاس کلاس بهطورکلی 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 یکپارچهتر و مساحت بیشتری را در برگرفته است که نشاندهنده آثار مخرب فعالیتهای انسانی بر محیطزیست است؛ بنابراین نتایج بهدستآمده بیانگر روند درحال توسعه تخریب ساختار سیمای سرزمین در منطقه، به دلیل سوء مدیریت و عدم برنامهریزیهای طولانیمدت برای دستیابی به پایداری شهری است.
نتایج بهدستآمده از کاربرد سنجههای مورد استفاده در تحقیق بیانگر کارایی سنجهها در بررسی و تحلیل تغییرات سیمای سرزمین است که با یافتههای مطالعات داسگاپتا و همکاران (5)، تیان و شا (17)، لینگ و همکاران (10)، لئو و ونگ (11)، وو و همکاران (24) ستوده و پریور (18) و جعفری و همکاران (6) که ازهمگسیختگی و روند تخریب سیمای سرزمین و همچنین کاهش مساحت اراضی کشاورزی و باغات و تبدیلشدن این کاربریها به سطوح غیرقابل نفوذ را اذعان کردهاند، مطابقت دارد. همانطور که مشخص شد رشد شهرنشینی، ساختار و عملکرد الگوهای سیمای سرزمین را تغییر داده که سبب تغییر در ارائه خدمات اکوسیستم شهری و پیامدهای منفی برای ساکنان شهری میشود.
جدول 6: درصد تغییرات افزایش یابنده (+) و کاهش یابنده (-) سنجههای سیمای سرزمین
Table 6. Percentage of incremental (+) and reduction (-) changes of the landscape metrics
طبقه سرزمین |
| اراضی بایر | پوشش گیاهی | پوشش شهری |
درصد تغییرات متریکهای سرزمین | PLAND | 37/80- | 95/62- | 81/89+ |
NP | 7/54- | 9/73+ | 3/65- | |
AREA_AM | 5/70- | 7/92- | 7/120+ | |
GYRATEAM | 13/38- | 6/73- | 68/29+ | |
ENN_AM | 8/533+ | 97/36+ | 3/6- |
نتیجهگیری
امروزه شهرها با سونامی افزایش جمعیت روبهرو هستند که این امر باعث توسعه فیزیکی شهرها و تغییر الگوی رشد شهرها میگردد. توسعه فیزیکی شهرها جدای از مزیت تأمین مسکن و سایر نیازهای انسانی، در طولانی مدت اثر منفی و جبرانناپذیری بر محیطزیست انسانی و طبیعی میگذارد. ازجمله آثار منفی توسعه شهری میتوان به آلودگی خاک، هوا و آب، از بین رفتن اراضی کشاورزی، کاهش فضای سبز مورد نیاز شهروندان اشاره کرد. شهر یزد 54/54 درصد از جمعیت شهرنشینی و رتبه نخست توسعه شهری در استان را دارد و با توجه به امکانات و تسهیلات موجود در این شهر، جمعیت مهاجر روستایی و همچنین شهرهای توسعهنیافته استان را در خود متمرکز کرده است. رشد و توسعه شهرنشینی و به دنبال آن رشد و توسعه کالبدی شهرها مسائلی را در شهرها به وجود میآورند که نهتنها ساکنین، بلکه محیطزیست آن را تحت تأثیر عوارض ناشی از آن قرار میدهند.
با توجه به نتایج میتوان بیان داشت که افزایش رشد جمعیت و شهرنشینی در منطقه طی دوره موردبررسی باعث شده مساحت لکههای انسانساخت در این فاصله افزایش یابد. با رشد و توسعه شهرها، درصد اراضی بدون پوشش کاسته شده است. همچنین مساحت لکههای پوشش گیاهی و بایر تغییرات زیادی کرده و افزون بر این، سبب نابودی و از بین رفتن زمینهای کشاورزی و باغات در محدوده شهری شده است؛ که دلیلی بر ریزدانه شدن ساختار سیمای سرزمین و تغییر ترکیب و توزیع سیمای سرزمین شهری است. افزایش لکهها و افزایش فاصلهی بین آن سبب افزایش اتصال و پیوند بین لکههای شهری شده است؛ بنابراین با توجه به یافتههای پژوهش میتوان گفت که ترکیب و شکل سیمای سرزمین در یزد بهشدت تغییریافته است و طی دورهی موردبررسی تخریب و تبدیل پوشش اراضی روند افزایشی داشته است؛ بنابراین تجزیهوتحلیل سیمای سرزمین بیانگر آثار فعالیتهای انسانی بر تغییر سیمای سرزمین است، ازاینرو برای جلوگیری از تخریب بیشتر محیطزیست و کاهش کیفیت آن لازم است برنامههای پایش و ارزیابی الگوهای پراکنش کاربری اراضی بهطور مداوم اندازهگیری شوند تا بتوانند بهعنوان راهنمایی برای ارزیابی وضعیت موجود اکوسیستم شهری برای آگاهی از وضعیت موجود کاربردی باشند.
از نتایج بهدستآمده از بررسی روند تغییرات سیمای سرزمین میتوان در راستای سیاستهای مرتبط با کاربری سرزمین، در پیشبینی وضعیت کاربری اراضی در آینده، همچنین در برنامهریزی و مدیریت یکپارچه در منطقه بهمنظور بهرهبرداری مناسب و منطقی از منابع طبیعی و کاهش تخریب منابع استفاده کرد.
منابع
1. (2007) Comprehensive plan of yazd urban status studies (regional study, penetration field, city recognition). Housing and urban development of provice Yazd. (In Persion)
2. 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, 122-138.
3. Arup. (2018). Cities Alive Rethinking Cities in Arid Environments. Arup Co.
4. Baker, L. A., Brazel, A. T., & Westerhoff, P. (2004). Enviromental consequences of rapid urbanization in warm, arid land: case study of phoenix, Arizona(USA). WIT Transactions on Ecology and the Enviroment.
5. Dasgupta, A., Kumar, U., & Ramachandra, T. V. (2009). Urban Landscape analysis through spatial metrics. In Proceedings of International Conference on Infrastructure, Sustainable Transportation and Urban Planning (pp. 18-20). Bangalore, India: Indian Institute of Science.
6. Jaafari, S., Sakieh, Y., Shabani, A. A., Danehkar, A., & Nazarisamani, A. A. (2016). Landscape change assessment of reservation areas using remote sensing and landscape metrics (case study: Jajroud reservation, Iran). Environment, development and sustainability.
7. Lafortezza, R., Corry, R. C., Sanesi, G., & Brown, R. D. (1970). Quantitative approaches to landscape spatial planning: clues from landscape ecology. WIT Transactions on Ecology and the Environment, 239-250.
8. Li, H., Peng, J., Liu, Y., & Yi’na, H. (2017). Urbanization impact on landscape patterns in Beijing City, China: A spatial heterogeneity perspective. Ecological Indicators, 50-60.
9. Li, H., Wenbo, C., & Wei, H. (2015). Planning of green space ecological network in urban areas: An example of Nanchang, China. International journal of environmental research and public health, 12889-12904.
10. Linh, N. H., Erasmi, S., & Kappas, M. (2012). Quantifying land use/cover change and landscape fragmentation in Danang City, Vietnam: 1979-2009. International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences.
11. Liu, H., & Weng, Q. (2013). Landscape metrics for analysing urbanization-induced land use and land cover changes. Geocarto International, 582-593.
12. 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, 167-175.
13. McGarigal, K., Cushman, S., Ene, E., & Neel, M. C. (2015). FRAGSTATS: spatial pattern analysis program for categorical maps. 2002. Amherst: Computer software program produced by the authors at the University of Massachusetts.
14. Pan, T., Lu, D., Zhang, C., Chen, X., Shao, H., Kuang, W.,... Cao, L. (2017). Urban land-cover dynamics in arid China based on high-resolution urban land mapping products. Remote Sensing, 730.
15. Portnov, B. A., & Paz, S. (2008). Climate change and urbanization in arid regions. Annals of Arid Zone, 457.
16. Sertel, E., Topaloğlu, R. H., Şallı, B., Yay Algan, I., & Aksu, G. A. (2018). Comparison of landscape metrics for three different level land cover/land use maps. ISPRS International Journal of Geo-Information.
17. Sha, M., & Tian, G. (2010). An analysis of spatiotemporal changes of urban landscape pattern in metropolitan region. Procedia Environmental Sciences, 600-604.
18. Sotoudeh, A., & Parivar, P. (2016). Applying resilience thinking to select more sustainable urban development scenarios in Shiraz, Iran. Scientia Iranica, 1975-1983.
19. Sun, B., & Zhou, Q. (2016). Expressing the spatio-temporal pattern of farmland change in arid lands using landscape metrics. Arid Environments, 118-127.
20. Tao, P., Dengsheng, L., Chi, Z., Xi, C., Hua, S., Wenhui, K.,... Liangzhong, C. (2017). Urban Land-Cover Dynamics in Arid China Based on High-Resolution Urban Land Mapping Products. Remote Sensing, 730.
21. United Nations. (2020, 3 23). Retrieved from https://www.un.org/en/events/desertification_decade/whynow.shtml.
22. Weng, Y.-C. (2007). Spatiotemporal changes of landscape pattern in response to urbanization. Landscape and urban planning, 341-353.
23. Wu, J., He, C., Huang, G., & Yu, D. (2013). Urban landscape ecology: Past, present, and future. Landscape ecology for sustainable environment and culture, 37-53.
24. Wu, J., Jenerette, G. D., Buyantuyev, A., & Redman, C. L. (2011). Quantifying spatiotemporal patterns of urbanization: The case of the two fastest growing metropolitan regions in the United States. Ecological Complexity, 1-8.
25. Yavari, A. R., Sotoudeh, A., & Parivar, P. (2007). Urban environmental quality and landscape structure in Arid Mountain environment. 325-340.
26. 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, 174-185.
Remote Sensing Application for Urban Landscape Assessment in Arid Regions (case study: Yazd City-Iran)
Abstract
Population growth and urbanization have led to changes in land cover and environmental problems, especially in arid areas. Analyzing and quantifying the structure of urban land and its changes will help urban planners to provide appropriate strategies for urban sustainability. The city of Yazd, with its arid climate and limited land capability, has undergone significant structural changes over the past three decades. In this study, Landsat satellite images taken in 1991 and 2018 were used to prepare land cover of Yazd urban area using the supervised classification method. Then, using the indicators of landscape structure, spatial composition and configuration of urban land structure and its changes during the period under study (1991 to 2018) were analyzed. The results show that during the period under study, the area of green and open spaces that were the source of urban ecological services has severely decreased, these types of spaces have been fragmented and their connectivity has also decreased. As a result of the structural changes in the landscape, ecological functions have also changed and the environmental quality of Yazd city has decreased during the study period.
Keywords: Yazd city, landscape, landscape metrics, arid region
ارزیابی ساختار سیمای سرزمین شهری در مناطق خشک (مطالعه موردی: شهر یزد-ایران)
چکیده مبسوط
طرح مسئله: 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 میکنند که طبق پیشبینی سازمان ملل تا سال 2050، 80 درصد جمعیت جهانی شهری خواهد شد و این افزایش مداوم موجب گسترش سریع مناطق شهری میشود. اکثر این شهرها در کشورهای درحالتوسعه، بهویژه در آسیا و آفریقا واقعشدهاند که بخش قابلتوجهی از آنها، کشورهای خشک و نیمهخشک هستند. برآوردها نشان میدهد که 85 درصد از کل اراضی ایران تحت تاثیر شرایط خشک و نیمهخشک هستند. مناطق خشک با اقلیم خشک، پوشش گیاهی تنک، کمبود آب، بارش محدود و محیطزیست بسیار شکننده مشخص میشوند. این ویژگیها باعث شکننده شدن اکوسیستمهای شهری میشوند. 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 میگیرند. 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: هدف این مطالعه کمی سازی و اندازهگیری تغییرات الگوهای مکانی پوشش اراضی شهر یزد با استفاده از سنجههای سیمای سرزمین در دو سطح طبقه و سیمای سرزمین در طی دورهی 27 سال میباشد. همچنین توزیع و ترکیب الگوی فضایی پوشش اراضی در دو سطح لکههای سبز و ساختهشده که نقش عمدهای بر کارکرد اکوسیستم دارند، موردبررسی قرار گرفت.
روش تحقیق: در این پژوهش از تصاویر ماهوارهای لندست 5 به تاریخ 1371 و لند ست 8 به تاریخ 1397 استفادهشده است. 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 پوشش 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 1397 به ترتیب 0.81، 90 درصد و سال 1370 0.83، 96 درصد به دست آمد. با استفاده از نرمافزار Fragstats 4.1 برای محاسبهی سنجههای سیمای سرزمین استفاده شد. در مطالعه حاضر با توجه به هدف تحقیق، سنجههای CA، NP،PLAND، AREA، GYRATE، ENN و CONTAGE در سطح کلاس و سیمای سرزمین انتخاب و مورداندازهگیری قرار گرفتند.
نتایج و بحث: در این مطالعه با بررسی سنجههای 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 یکپارچهتر و مساحت بیشتری را در برگرفته است که نشاندهنده آثار مخرب فعالیتهای انسانی بر محیطزیست است.
طی دوره موردمطالعه بیشترین افزایش مساحت نسبت به سایر طبقهها، متعلق به طبقه پوشش شهری است، در این مطالعه بیشترین تعداد لکه نسبت به سایر طبقهها را طبقه پوشش گیاهی داشته است. تعداد لکههای پوشش گیاهی طی دوره مطالعه افزایش و تعداد لکههای 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 کاربریهای کشاورزی و باغداری به مناطق مسکونی باعث ازهمگسیختگی لکههای پوشش گیاهی شده است.
متوسط اندازه لکه در کلاس پوشش شهری افزایش و در دوطبقه پوشش گیاهی و اراضی بایر کاهشیافته که نشان میدهد سطح نفوذناپذیر در شهر موردمطالعه افزایشیافته و سطح به هم پیوستهای را به وجود آوردهاند. 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 میباشد که نشاندهنده کاهش فشردگی این لکهها است. سنجه نزدیکترین فاصله اقلیدسی لکهها در تمامی کاربریها افزایشیافته است که بیشترین میزان مربوط به اراضی بایر است.
نتایج پژوهش حاضر با یافتههای مطالعات داسگاپتا و همکاران، تیان و شا، لینگ و همکاران، لئو و ونگ، وو و همکاران، ستوده و پریور و جعفری و همکاران که ازهمگسیختگی و روند تخریب سیمای سرزمین و همچنین کاهش مساحت اراضی کشاورزی و باغات و تبدیلشدن این کاربریها به سطوح غیرقابل نفوذ را اذعان کردهاند، تطابق دارد. همانطور که مشخص شد رشد شهرنشینی، ساختار و عملکرد الگوهای سیمای سرزمین را تغییر داده که سبب تغییر در ارائه خدمات اکوسیستم شهری و پیامدهای منفی برای ساکنان شهری میشود.
نتیجهگیری: نتایج حاصل از بررسی تغییرات سنجه مساحت کلاس نشاندهندهی این است که مساحت کاربری اراضی شهری طی دورهی 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 محدودهی 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 زیستمحیطی بسیاری را به دنبال داشته باشد. ازاینرو برای جلوگیری از تخریب بیشتر محیطزیست و کاهش کیفیت آن لازم است برنامههای پایش و ارزیابی الگوهای پراکنش کاربری اراضی بهطور مداوم اندازهگیری شود تا بتوانند بهعنوان راهنمایی برای ارزیابی وضعیت موجود اکوسیستم شهری کاربردی باشند.
واژگان کلیدی: شهر، سیمای سرزمین، سنجههای سیمای سرزمین، تجزیهوتحلیل مکانی، مناطق خشک
Remote Sensing Application for Urban Landscape Assessment in Arid Regions (case study: Yazd City-Iran)
Extended Abstract
Statement of the Problem: Population 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 rapid expansion of urban areas. Most of these cities are located in developing countries, especially in Asia and Africa, where considerable part of them are arid and semi-arid countries. Estimates show that 85 percent of the total Iran 's lands are under dry and semiarid conditions. 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 potential and capability that can help to achieve principled and sustainable design and planning, and determine the improper process of land change and prevent its spread. Landscape metrics can be used to identify this spatial pattern and change of it. Quantifying changes in landscape is done using landscape metrics and used for analysis and planning of land uses. Metrics are 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 policy makers for the orientation of sustainable urban development.
Purpose: 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 on ecosystem function.
Methodology: In this study, Landsat 5 at 1991 and Landsat 8 at 2017 satellite images have been used. After performing the necessary corrections on satellite images, the classification was done using maximum likelihood method. according to the diversity of vegetation in the area, three categories including: open land, vegetation and built-up were identified and classified. In order to investigate the accuracy of classification, error matrix and statistical parameters of kappa coefficient and overall accuracy were used. The kappa coefficient and overall accuracy of classification images were compared 2017 0.81, 90% and 1991, 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, CA, NP, PLAND, AREA, GYRATE, ENN, and CONTAGE landscape metrics 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 green space class. The number of vegetation patches increased and the number of patches open 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 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-neighbor distance metric of patches in all uses has been increased which is related to open land.
The results of the present study are in accordance with the findings of Dasgupta et al., sha and tian, linh et al, liu and weng, wu et al., wu et al, Sotoudeh and Parivar and Jaafari et al as it turns out, the growth of urbanization has changed the structure and function of landscape patterns leading to changes in urban ecosystem services and negative consequences for urban residents.
Conclusion: The results of the study of metrics changes in the class area show that the built-up has increased by 4346.82 ha area in the studied period. The reason for this is the increase in the population of yazd city, which in 1991 was 275298 people and in 2017 it reached 529673 people, 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 agricultural lands and gardens in yazd city have 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.
Keywords: city, landscape, landscape metrics, spatial analysis, dry regions
[1] heterogeneity
Related articles
The rights to this website are owned by the Raimag Press Management System.
Copyright © 2021-2024