Satellite Monitoring of Urbanization and Indicator-based Assessment of Environmental Impact

Tid: Fr 2019-12-06 kl 09.00

Plats: Visualization Studio VIC, 4451, Lindstedtsvägen 5, Stockholm (English)

Ämnesområde: Geodesi och geoinformatik Geoinformatik

Respondent: Dorothy Furberg , Geoinformatik, Geoinformatics

Opponent: Professor Xiaojun Yang, Florida State University, USA

Handledare: Professor Yifang Ban, Geoinformatik

Abstract

År 2050 förväntas 68 % av världens befolkning bo i urbana områden, jämfört med dagens 55 % (FN 2018). Stockholmsregionen utgör inget undantag i urbaniseringstrenden: befolkningen i Stockholms stad har ökat med 28 % sedan år 2000. En av de största följderna av urbanisering är markförvandling från lantliga och naturliga miljöer till bebyggda ytor, ämnade för olika former av mänskligt aktivitet. Förvandlingen påverkar lokal geologi, klimat, hydrologi, flora, fauna och ekosystemtjänster som bidrar till att understödja mänskligt liv. Kartläggning och analys av förändringar av marktäcket i urbana regioner och att hålla deras miljöpåverkan under uppsikt är därför kritiskt för att kunna utvärdera politiskt alternativ för framtida tillväxt och stödja hållbar storstadsutveckling.Det övergripande målet med denna forskning är att undersöka urbaniseringens utbredning och dess potentiella miljöpåverkan i regioner i och omkring utvalda storstäder i Nordamerika, Europa och Asien, genom förändringsanalys av relevanta miljöindikatorer, från lokal till regional nivå. De utvalda urbana regionerna är Toronto och dess omgivning i Kanada (Greater Toronto Area), Stockholms stad, region och län i Sverige och Shanghai i Kina. Analyserna baseras på klassificeringar av optiska satellitbilder (Landsat TM/ETM+, SPOT 1/5, Sentinel-2A MSI och Quickbird-2/WorldView-2) från mellan 1985 och 2018. Olika klassificeringstekniker (”maximum likelihood” klassificering under urbana/agrar maskeringar, objektorienterad analys med regelbaserad eller stödvektormaskin klassificering) användes med kombinerade spektral-, form- och texturdrag som indata för att höja noggrannheten. Miljöindikatorer så som landskapsnyckeltal, urbaniseringsindex, buffer-/kant-/närhetsanalys, ekosystemtjänstvärdering eller försöjningsgrupperingar och habitatnätverkskonnektivitet har beräknats baserad på klassificeringarna och har använts för att uppskatta urbaniseringens miljöpåverkan.Resultaten visar olika grader av urban tillväxt och miljöpåverkan i varje studieområde. Urbana områden i den Greater Toronto Area (GTA) växte närmare 40 % mellan 1985 och 2005. Förändring i beräknade landskapsnyckeltal och urbana täthetsindikatorer visar att glest bebyggda områden växte betydligt i GTA mellan 1985 och 2005, på bekostnad av agrara områden. Majoriteten av de betydelsefulla ekologiska områdena omringades allt mer av urbana områden, vilket bidrog till deras isolering från andra naturliga områden. Jämförelsens studie mellan Shanghai och Stockholms län visade att urbana områden växte tio gånger mer i Shanghai än i Stockholm, med 120 % respektive 12 %. Landskapsfragmentering i båda studieområdena skedde på grund av tätbebyggda områdens tillväxt i tidigare mer naturliga miljöer, medan utbredningen av glest bebyggda områden skedde främst i direkt anslutning till redan existerande sådana. Tillväxten av urbana områden ledde till en värderingsförlust i ekosystemtjänster av ungefär 445 miljoner amerikanska dollar i Shanghai, mest på grund av en minskning i naturliga kustvåtmarker, medan ekosystemtjänsters värdering i Stockholm förändrades väldigt lite. Fjärranalysdatan i dessa studier hade samma upplösning (30 m) på ungefär samma rumsliga uträckning, vilket tillät jämförelser av regional urbanisering och miljöförändringstrender.Analys av klassificeringar av SPOT data på 20/10 m upplösning indikerade att urbana områden i Stockholms region växte med 10 % mellan 1986 och 2006. Resultaten från lansskapsnyckeltalen tyder på att naturliga områden isolerades mer eller krympte medan däremot nya små urbana områden blev till. Större skogsområden i nordöstra delen tappade mest i miljöpåverkans rangordning, medan de mest förbättrade befann sig närmare centrala Stockholm. Marktäckeförändringsanalys i Stockholms län mellan 2005 och 2015, baserad på Sentinel-2 och SPOT-5 data med 10 m upplösning, visade att urbana områden växte med 15 % och att icke urban mark reducerades med 4 %. Denna datas högre upplösning, tillsammans med länstudieområdet, möjliggjorde analys av regionala ecosystemtjänster och den lokala påverkan på grön infrastruktur. En förändring av närliggande skog och glest bebyggda områden hade en påverkan på ekosystemtjänsterna så som temperaturreglering, luftrening och ljudreduktion. Urbana områden nära naturreservat ökade med 16 %, med exempelvis byggnationer längs reservatgränser. Urban utbredning överlappade ädellövnätverkets spridningszoner och gröna kilar/kärnor till en liten men växande grad, ofta i närheten av de redan svaga men dock så viktiga gröna förbindelserna i landskapet. Resultaten från en urban marktäcke förändringsanalys baserad på högupplöst data (1 m) över Stockholms stad mellan 2003 och 2018 visar att den största förändringen skedde genom en expansion av transportnätverket och byggnadsplatser som ökade med 12 %, på bekostnad av öppna gräsfält och barrskog. Undersökningen av urbanisering inom ekologiskt betydelsefulla grön infrastruktur tydde på den största minskningen av markarea skedde inom spridningszonerna, medan största relativa förändringen fanns inom habitat för skyddsvärda arter (14 %). Den högupplösta data möjliggjorde konnektivitetsanalys av habitatnätverk för tofsmesen, representant för barrskogsfåglar i Stockholm. Habitat nätverksanalysen visade att den övergripande sannolikheten för konnektiviteten minskade något till följd av fragmentering och minskning av habitatarea, som i sin tur orsakades av en utbyggnad av vägnätet i utkanten av staden.Den här forskningsavhandlingen visar på användbarheten av urbaniserings- och miljöindikatorer som erhållits från fjärranalysdata för att utvärdera både rumslig och tidsmässig dynamik av urbanisering och dess miljöpåverkan i olika storstadsregioner. Landskapsnyckeltal-baserade grupperingar visade sig vara effektiva för övervakning av ekosystemtjänstförsörjning i en måttligt växande region. Den sparsamt utforskade kombinationen av nätverksanalys av habitat och högupplösta urbana marktäckedatasklassificeringar, gav informativa resultat. Ett tillvägagångssätt med analys på två nivåer var användbart i flera studier. Relevanta indikatorer på landskapsregionalnivå uppskattade övergripande påverkan på ekosystemvärde eller tjänstförsörjning för hela regionen. Mer specifik indikatoranalys på en lokal nivå rörande grön infrastruktur identifierade påverkade ekologiska områden, som representerade lokaliserade uttryck för de regionala trenderna. Dessutom kan en metodik, där en jämförelse av klassificerade urban marktäckedata med administrativa gränser och ekologiskt betydelsefull grön infrastruktur, avslöja gränsöverskridande problemområden med negativ miljöpåverkan. Kring dessa områden kan det behöva göras vidare studier och koordinerade miljöskyddsinsatser. De olika resultaten för Stockholm möjliggör jämförelse av klassificeringar med olika rumslig upplösning över samma rumsliga utsträckning, och belyser fördelar och utmaningar med satellitbaserad kartläggning av urban marktäckedata för uppskattning av miljöpåverkan.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-263845

Innehållsansvarig:infomaster@abe.kth.se
Tillhör: Skolan för arkitektur och samhällsbyggnad (ABE)
Senast ändrad: 2019-11-18