مطالعات علوم محیط زیست

مطالعات علوم محیط زیست

بررسی قابلیت برآورد سطح فضای سبز شهری با استفاده از تصاویر با قدرت تفکیک مکانی بالا (مطالعه موردی: منطقه دو شهر یزد)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 مهندسی فضای سبز شهری، موسسه آموزش عالی مازیار رویان مازندران ، ایران
2 برنامه ریزی شهری، دانشگاه رضوانشهر ، ایران
10.22034/jess.2024.459253.2259
چکیده
شناسایی و تفکیک پوشش‌های اراضی مختلف با استفاده از علم سنجش از دور اهمیت بالایی دارد. تصاویر ماهواره‌ای به دلیل قدرت تفکیک مکانی کم، قابلیت تفکیک دقیق پوشش‌های اراضی مختلف در مناطق شهری را ندارد به همین دلیل در این پژوهش از تصاویر با قدرت تفکیک مکانی بالا استفاده شده است. برآورد سطح فضای سبز شهری در علوم برنامه ریزی محیطی به منظور اتخاذ تصمیمات مدیریتی مانند مکانیابی احداث فضای سبز جدید، از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در پژوهش حاضر روش‌های مختلف طبقه‌بندی شی‌گرا شامل BAYES، SVM، KNN، درخت تصمیم‌گیری و جنگل تصادفی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج این روش‌ها یا استفاده از ضریب کاپا و صحت کلی ارزیابی شد و نتایج نشان داد که روش BAYES نسبت به سایر روش‌ها دقت بالاتری نشان داده است ضریب کاپا در این روش 83/0 و صحت کلی 87 درصد می‌باشد. در نقشه پوشش اراضی نیز این روش قابلیت تفکیک پوشش‌های مختلف اراضی را داشته است. روش SVM و KNN بعد از آن به ترتیب ضریب کاپای 78/0 و 76/0 را نشان دادند. در میان روش‌های طبقه‌بندی شی‌گرا روش درخت تصمیم‌گیری و جنگل تصادفی با ضرایب کاپای 70/0 و 71/0 کمترین دقت را نشان دادند. به ترتیب از بیشترین دقت تا کمترین دقت روش‌های شی‌گرا شامل روش BAYES، SVM، KNN، درخت تصمیم‌گیری و جنگل تصادفی می‌باشد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Investigating the ability to estimate the level of urban green space using images with high spatial resolution(Case study: Region Two Of Yazd City)

نویسندگان English

mohammad hadi dehghani 1
nasrin salem 2
1 urban green space engineering, Maziar Royan Institute of Higher Education, Mazandaran , Iran
2 Urban Planning, Razvanshahr University , Iran
چکیده English

Introduction
In recent decades, the growth of cities and the development of urbanization have intensified in different countries, including Iran. The importance of the city and urban planning from the point of view of improving the environment in the context of a healthy city has been considered more than ever. In particular, urban green spaces play a role in environmental and ecological functions such as controlling air pollution, regulating microclimate, reducing heat island effects, purifying water quality, and increasing urban resilience in response to environmental and climate changes.
In the past, land cover maps were done using ground mapping and spending a lot of time and money, but today, despite satellite images and drones, it is possible to prepare these maps with high accuracy. Based on recent advances such as high spatial resolution imagery, remote sensing provides a valuable set of tools that can minimize the need for field surveys even in highly heterogeneous and complex urban environments. The aim of the current research is to use images with high spatial resolution in the preparation of urban green space level maps. The studies that were reviewed in the resource review section mostly used Landsat and Sentinel satellite images with spatial resolution of 30 and 10 meters to separate urban land cover, while considering the small area of urban green space, especially in desert cities like the study area, it causes an error. Therefore, in this study, in order to improve previous studies, images with high spatial resolution were used to prepare urban green space maps. The results of this study will be useful for planners and policy makers in the field of metropolitan decisions and green spaces. It can also be used in locating and building new green spaces.
Methodology
In the current research, Landsat 8 satellite images and high spatial resolution images prepared by airplanes from the study area were used. The resolution of Landsat 8 spectral images is 30 m and images with high spatial resolution is 10 cm. Landsat 8, which was launched on February 11, 2013, has 2 sensors, OLI and TIRS, and performs imaging with a 16-day sequence. OLI includes 9 spectral bands that are used for environmental monitoring studies
Classification methods are conventionally divided into supervised and unsupervised classification. Supervised methods require basic information such as the number of classes, their characteristics, as well as known examples of each class. On the other hand, unsupervised methods are more automatic, which do not need known samples and make decisions about their classification based on the values of the pixels themselves. The use of object-oriented methods in processing satellite images has increased the potential of the applicability of environmental remote sensing research. In general, object-oriented classification has three stages: 1) image segmentation 2) classification 3) classification accuracy evaluation. A segment means a group of neighboring pixels within an area whose similarity (such as numerical value and texture) is the most important common criterion. Classification is done in object-oriented methods using different algorithms including: random forest, decision tree, support vector machine, KNN and Bayes.
Conclusion
To better compare the accuracy of object-oriented classification methods in all methods, the number of training samples was considered the same in different land covers. The accuracy of different methods is different and it shows the importance of comparing the accuracy of these methods in order to choose the optimal method. In the decision tree method, a large part of the area is wrongly considered as road cover, which mostly includes vegetation and shadow of buildings. In the random forest method, a part of the wrong area is covered by green areas, while the shadow is residential areas. The presence of shadows in images with high spatial resolution is a big problem for classification. In order to solve the shadow problem in the images, it is necessary to take the imaging exactly at the local noon hour with half an hour increase and decrease, but because it is not possible to take pictures in large areas in this limited time frame, and if the imaging is done on different days at this time in addition to being time-consuming, the existence of different weather conditions causes errors. In some studies, shade is considered as a separate land cover, which has been rejected in many studies and is not practical. Comparison of the object-oriented land cover image using KNN and SVM methods with the original image shows that in these two methods, in some cases, roads are considered as unbuilt land and these areas are mostly in newly built areas and land cover is changing. It is to the building. In these parts of the studied area, the road is partially covered by the soil of the adjacent barren lands and has a different reflection than other pixels with road coverage, which these methods were not able to distinguish.
Kappa coefficients and overall accuracy were used to compare object-oriented classification methods in the preparation of land cover maps of urban areas using images with high spatial resolution. These methods are estimated by comparing classified maps and ground reality, and the closer to one, the higher the accuracy of the method. The results of comparing the kappa coefficients and the overall accuracy of the object-oriented methods are shown in Table 1. The comparison of the kappa coefficients in the object-oriented methods showed that the BAYES method showed higher accuracy than other methods, the kappa coefficient in this method was 0.83 and the overall accuracy It is 87 percent. In the land cover map, this method has the ability to separate different land covers. After that, SVM and KNN methods showed kappa coefficient of 0.78 and 0.76, respectively. Among the object-oriented classification methods, the decision tree method and random forest showed the lowest accuracy with kappa coefficients of 0.70 and 0.71. In order from the most accurate to the least accurate, object-oriented methods include BAYES, SVM, KNN, decision tree and random forest. The results of this research can be used for planners and decision makers in urban science and urban green space.

کلیدواژه‌ها English

Urban green space
Remote sensing
Vegetation
Satellite images
1.      بزی, خدارحم, خسروی, سمیه, & حسین‌نژاد, مجتبی. (1391). بررسی وضع موجود و مکانیابی فضای سبز مورد نیاز شهر زابل با استفاده از GIS. برنامه ریزی فضایی, 1(4), 39-74.
2.      تیموری, فقهی, جهانگیر, & شریفی. (2008). برآورد سرانه فضای سبز با استفاده از تصاویر IKONOS. تحقیقات جنگل و صنوبر ایران, 16(2), 303-292.
3.      باقری, مهشاد, انصاری, کاظمی, آزاده, بیات, ... & احمدلو. (2022). برآورد و بررسی سرانه پارک‌ها و فضای سبز شهر خمین با استفاده از سنجش از دور و تصاویر ماهواره‌ای. علوم و تکنولوژی محیط زیست, 24(3), 85-98.
4.      لایقی قلعه سوخته, زین العابدین, ریاحی بختیاری, حمیدرضا, & جعفری, علی. (1398). بررسی کمی و کیفی فضای سبز شهری با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای کوئیک برد (مطالعه موردی: منطقه یک شهرداری شهرکرد). پژوهش های محیط زیست, 10(20), 247-258.
5.      رمضانی کیاسج محله, رؤیا, اسماعیلی علویجه, الهام, & امیری, محمد جواد. (1399). مکان‌یابی فضای‌ سبز شهری با استفاده از روش‌های ارزیابی چند معیاره مطالعه موردی: منطقه 4 تهران. فصلنامه علمی پژوهش های بوم شناسی شهری, 11(22), 13-28. doi: 10.30473/grup.2021.7618
6.      خزائی, مرضیه, زارع, محمد, مختاری, محمدحسین, رشتیان, آناهیتا, & عربی علی‌آباد, فهیمه. (1398). مقایسه دقت انواع روش‌های طبقه‌بندی در تهیه نقشه کاربری اراضی (مطالعه موردی: شهر یزد). کاوش های جغرافیایی مناطق بیابانی, 7(1), 165-178.
7.      دهقانی, تهمینه, احمدپری, هدیه, & امینی, عطا. (1402). ارزیابی تغییرات کاربری اراضی با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای چند طیفی و شبکه عصبی مصنوعی. مدل سازی و مدیریت آب و خاک, 3(2), 18-35. doi: 10.22098/mmws.2022.11279.1114
8.      دلگرم, سعید, گنجعلیخانی, معین, & بختیاری, بهرام. (1402). بررسی تغییرات کاربری اراضی با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای در شهرستان زرند-کرمان. هواشناسی کشاورزی, 11(1), 64-74. doi: 10.22125/agmj.2023.320893.1128
9.      کرم, امیر& حجه فروش نیا, شیلا. (1391). کاربرد GISو سنجش از دور در برنامه ریزی فضای سبز شهری (مطالعه موردی: منطقه 6 شهراصفهان). جغرافیا و مطالعات محیطی, 1(2), 67-78.
10.  خوانین زاده, علیرضا, سرباز, محمد, & احمدیان, شادی. (1396). بررسی روند تغییرات فضای سبز در سه دهة گذشته با استفاده از سنجش از دور (مطالعه موردی: شهر یزد). جغرافیا و توسعه فضای شهری, 4(2), 99-115. doi: 10.22067/gusd.v4i2.61887
11.  غفاری گیلانده, عطا, پورنصرت, عزیزی, & ایمانی. (1400). ارزیابی پویایی فضای سبز شهری با استفاده از تکنیک سنجش از راه دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی (مطالعه موردی: شهر اردبیل). علوم و تکنولوژی محیط زیست, 23(3), 253-266.
12.  علیپور, عباس, باقری, میلاد, چارکانه, خالق, محمودی چناری, حبیب, & خداداد, مهدی. (1398). تجزیه‌ و تحلیل کیفیت و اثرات محیط زیستی فضاهای سبز شهری (مطالعه‌ موردی: منطقه 10 شهرداری تهران). توسعه پایدار محیط جغرافیایی, 1(1), 33-42. doi: 10.52547/sdge.1.1.33
13.  جوزی, سید علی, & نیکورزم, یاسمن. (1394). بررسی تغییرات کمی و کیفی فضای سبز شهری با استفاده از مدل مارکوف و شاخص NDVI (مطالعه موردی: منا طق 18 ، 19 و 21 شهرداری تهران). فصلنامه علمی پژوهش های بوم شناسی شهری, 6(11), 59-78.
14.  روستائی, شهرام, مختاری, داوود, ولیزاده کامران, خلیل, & خدائی قشلاق, لیلا. (1398). مقایسه روش پیکسل پایه ( بیشترین شباهت ) و شی‌گراء ( ماشین بردار پشتیبان ) در طبقه بندی کاربری اراضی ( منطقه اهر ورزقان ). پژوهشهای ژئومورفولوژی کمّی, 8(1), 118-129.
15.  عابدینی, موسی, پاسبان, امیرحسام, & نظافت تکله, بهروز. (1402). ارزیابی و تهیه نقشه کاربری اراضی حوضه آبخیز نیرچای با استفاده از روش شیءگرا. جغرافیا و روابط انسانی, 5(4), 318-328. doi: 10.22034/gahr.2023.393602.1849
16.   Lee, J. W., Lee, S. W., Kim, H. G., Jo, H. K., & Park, S. R. (2023). Green Space and Apartment Prices: Exploring the Effects of the Green Space Ratio and Visual Greenery. Land, 12(11), 2069.
17.   Wood, E.; Harsant, A.; Dallimer, M.; Cronin de Chavez, A.; McEachan, R.R.C.; Hassall, C. Not all green space is created equal: Biodiversity predicts psychological restorative benefits from urban green space. Front. Psychol. 2018, 9, 2320.
18.   Nowak, D.J.; Crane, D.E.; Stevens, J.C. Air pollution removal by urban trees and shrubs in the United States. Urban for. Urban Green. 2006, 4, 115–123.
19.   Norton, B.A.; Coutts, A.M.; Livesley, S.J.; Harris, R.J.; Hunter, A.M.; Williams, N.S.G. Planning for cooler cities: A framework to prioritise green infrastructure to mitigate high temperatures in urban landscapes. Landsc. Urban Plan. 2015, 134, 127–138.
20.   Wolch, J.; Wilson, J.P.; Fehrenbach, J. Parks and park funding in Los Angeles: An equity-mapping analysis. Urban Geogr. 2005, 26, 4–35.
21.   Kabisch, N.; Haase, D. Green justice or just green? Provision of urban green spaces in Berlin, Germany. Landsc. Urban Plan. 2014, 122, 129–139.
22.   Parmehr, E.G., Amati, M., Taylor, E.J., Livesley, S.J., 2016. Estimation of urban tree canopy cover using random point sampling and remote sensing methods. Urban Forestry & Urban Greening 20, 160-171.
23.   Shojanoori, R., Shafri, H.Z.M., Mansor, S., Ismail, M.H., 2018. Generic rule-sets for automated detection of urban tree species from very high-resolution satellite data. Geocarto International 33, 357-374.
24.   Dash, P., Sanders, S. L., Parajuli, P., & Ouyang, Y. (2023). Improving the accuracy of land use and land cover classification of landsat data in an agricultural watershed. Remote Sensing, 15(16), 4020.
25.   ED Chaves, M., CA Picoli, M., & D. Sanches, I. (2020). Recent applications of Landsat 8/OLI and Sentinel-2/MSI for land use and land cover mapping: A systematic review. Remote Sensing, 12(18), 3062.
26.   Richards, JA., 1995, Remote Sensing Digital Image Analysis, An Introduction 2nd Edition, Springer, ISBN. 0-387-8.
27.   Banjade, S. S., Subedi, B., & Rai, N. (2023). Comparison of supervised classification algorithms using a hyperspectral image for land use land cover classification.
28.   Längkvist, M., Kiselev, A., Alirezaie, M., & Loutfi, A. (2016). Classification and segmentation of satellite orthoimagery using convolutional neural networks. Remote Sensing, 8(4), 329.
29.   Mahmon, N. A., & Ya'acob, N. (2014, August). A review on classification of satellite image using Artificial Neural Network (ANN). In 2014 IEEE 5th control and system graduate research colloquium (pp. 153-157). IEEE.
30.   Xu, H., 2006, Modification of Normalised Difference Water Index (NDWI) to Enhance Open Water Features in Remotely Sensed Imagery, International Journal of Remote Sensing, 27(14), PP. 3025-3033
31.   Zhang, C. & Xie, Z., 2013, Object-Based Vegetation Mapping in the Kissimmee River Watershed Using HyMap Data and Machine Learning Techniques, Wetlands, 33(2), PP. 233-244.
32.   Senf, C., Hostert, P. & van der Linden, S., 2012, Using MODIS Time Series and Random Forests Classification for Mapping Land Use in South-East Asia, 2012 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, IEEE.
33.   Maxwell, A., Warner, T., Fang, F., 2018. Implementation of machine-learning classifi- cation in remote sensing: An applied review. Int. J. Remote Sens. 39, 2784–2817.
34.   Yuan, Q., Shen, H., Li, T., Li, Z., Li, S., Jiang, Y., Xu, H., Weiwei, T., Yang, Q., Wang, J., Gao, J., Zhang, L., 2020. Deep learning in environmental remote sensing: Achievements and challenges. Remote Sens. Environ. 241, 11171.
35.   Vapnik, V. 2013. The Nature of Statistical Learning Theory Springer Science & Business Media, Tir 8, 1392 AP- Mathematics - 314 pages.
36.   Yousefi, S., Mirzaee, S., Almohamad, H., Al Dughairi, A. A., Gomez, C., Siamian, N., ... & Abdo, H. G. (2022). Image classification and land cover mapping using sentinel-2 imagery: optimization of SVM parameters. Land, 11(7), 993.
37.   Fui J.K. and Fu, K.S. (1980), Automated Classification of Nucleated Blood Cells Using a Binary Tree Classifier, Pattern Analysis and Machine Intelligence, PAMI-2, 429–443.
38.   Prado, P. F., & Duarte, I. C. S. (2020). An Overview and Recent Advances in Fuzzy ARTMAP Classifier Usage for Mapping Purposes Using Remotely Sensed Data. JOURNAL OF ENVIRONMENTAL INFORMATICS LETTERS, 3(2), 86-97.
39.   Wijaya, A.; Budiharto, R.S.; Tosiani, A.; Murdiyarso, D.; Verchot, L.V. Assessment of Large Scale Land Cover Change Classifications and Drivers of Deforestation in Indonesia. Int. Arch. Photogramm. Remote Sens. Spat. Inf. Sci. 2015, 40, 557–573