Jerzy Lechnio Wydział Geografii i Studiów Regionalnych Uniwersytet Warszawski 00-927 Warszawa ul. Krakowskie Przedmieście 30 Użytkowanie terenu w strefie oddziaływania PZM-P w okresie 1987-1999 Wstęp W badaniach nad strukturą środowiska przyrodniczego, a szczególnie nad zmiennością użytkowania terenu, coraz częściej obok analizy danych statystycznych stosowane są techniki teledetekcyjne i komputerowa obróbka danych. Ułatwia to uchwycenia dynamiki zjawisk i pozwala na przyśpieszenie prowadzonych prac. Obrazy satelitarne i zdjęcia lotnicze oraz techniki cyfrowe służące do ich obróbki wykorzystywane są zwłaszcza wtedy, gdy dane odnoszące się do struktury użytkowania ziemi służyć mają do parametryzacji procesów i zjawisk biogeochemicznych. Porównanie obrazów pochodzących z różnych okresów pozwala bowiem na jednoznaczne stwierdzenie zaistniałych zmian i ich tendencji (Lambin et al. 1994, Sedlák 2002, Wrbka et al. 2004). Warunkiem analizy zmian przy zastosowaniu technik fotogrametrycznych i teledetekcyjnych jest posiadanie co najmniej dwóch obrazów tego samego terenu pochodzących z różnych okresów. Obrazy te powinny mieć tę samą rozdzielczość terenową, i powinny być wykonane w tym samym sezonie. Wymagana jest też odpowiednia rozdzielczość spektralna i radiometryczna (Croissant 2004, Hall et al. 1991, Li et al. 2004, MSCP Habitat Monitoring,. W niniejszym opracowaniu wykorzystane zostały dwie sceny z Landsata TM pochodzące z lat 1987 i 1999. Do interpretacji różnic pomiędzy tymi zdjęciami wykorzystane zostały mapy topograficzne i tematyczne w skali 1:25000 i 1:50000 oraz publikowane przez GUS dane statystyczne i materiały udostępnione przez były Urząd Wojewódzki w Płocku. Duże znaczenie miało również rozpoznanie terenowe. Metoda Opracowanie niniejsze dotyczyło w zasadzie dwóch zagadnień. Pierwszym była ocena stanu użytkowania terenu w okresie 12 lat, drugim analiza zróżnicowania struktury mozaiki użytkowania jako elementu zróżnicowania krajobrazu. Przedmiotem podstawowych analiz były dwie sceny satelitarne wykonane przez Satelitę Landsat TM (Landsat TM5: p189r23_5t19970823 z 23 sierpnia 1987 roku oraz Landsat TM7: p189r23_5t19990731 z 31 lipca 1999 roku),
90 J. Lechnio udostępnione przez Earth Science Data Interface (ESDI) at the Global Land Cover Facility (http://glfc.umiacas.com). W badaniach wykorzystano oprogramowania ERDAS Imagine, ARCGIS 9.1., STATISTICA 7.1. Ze względu na dużą fragmentację terenu, a także względnie małą rozdzielczość posiadanych scen (30 m), w badaniach posłużono się kilkoma technikami. Jak wiadomo, Landsat wykonuje zdjęcia multispektralne, przy czym 6 pasm ma rozdzielczość 30x30 m, zaś pasmo 6 podczerwone 120 x 120 m. Pierwsze trzy pasma leżą w zakresie światła widzialnego (Sedlák 2002). Dodatkowo, należy podkreślić, że sensory zastosowane w kolejnych generacjach satelity mają odmienne charakterystyki spektralne, co może mieć wpływ na uzyskiwany obraz i wyniki przetwarzania (Vogelmann et al. 2001). Biorąc powyższe pod uwagę, a także uwzględniając fakt, iż każde z pasm charakteryzuje się innymi właściwościami detekcyjnymi, w dalszych analizach zastosowano kompozycję składającą się z 6 pasm: od 1 do 5 oraz 7. Do wstępnej klasyfikacji wykorzystano kompozycje w zakresie widzialnym (RGB pasma 123) oraz RGB 432 (pseudokolor). Pozwoliło to na wyodrębnienie zasadniczych typów użytkowania i pokrycia terenu (dużych płatów). Ze względu na mały kontrast obrazu nie było natomiast możliwe precyzyjne określenie zasięgu gruntów pozbawionych pokrywy roślinnej i terenów o zwartej zabudowie ze znaczącym udziałem powierzchni zielonych oraz przestrzeni pozbawionych roślinności. Wpływ na to miała również tekstura obrazu (mozaikowo zróżnicowane użytkowanie w terenach rolnych). Uwidacznia to materiał zamieszczony w załączniku 4 i 5. W następnym etapie analizowano kompozycję 3 pasm z zakresu widzialnego (2, 3 i 4) i odnoszono ją do obrazu zróżnicowania wskaźnika NDVI (normalized difference vegetation index), który został określony za pomocą dostępnej funkcji w programie ERDASS. Częstotliwość uwzględnionych pasm pozwala bowiem na dokładne wyróżnienie granic typów pokrycia. Dzieje się tak za sprawą znacznych zdolności dyskryminacyjnych w stosunku do takich charakterystyk roślinnych jak zawartość chlorofilu, wielkość biomasy i kondycja roślinności. Analiza prowadzona była w granicach czterech tzw. powierzchni treningowych charakteryzujących 4 różne obszary o znanym typie użytkowania i pokrycia. Następnie, przy użyciu edytora sygnatur, w stosunku do każdej powierzchni określono charakterystyki spektralne (podstawowe typy użytkowania) dla dwóch momentów czasowych. Wyróżnione typy pokrycia zestawione zostały w dwóch grupach. Pierwsza obejmowała cztery podstawowe: tereny z zabudową, tereny pokryte roślinnością, tereny rolnicze i wody. W drugiej grupie znalazły się wydzielenia uszczegółowiające, takie jak: lasy iglaste, lasy liściaste, lasy mieszane, łąki, łąki z zadrzewieniami i zaroślami oraz grunty uprawne (tereny orne, ścierniska, tereny zajęte przez uprawy). Analiza w granicach powierzchni testowych pozwoliła na przeprowadzenie tzw. klasyfikacji nadzorowanej. Została ona wykonana w dwóch krokach odpowiadających przyjętemu wcześniej podziałowi struktury pokrycia. W pierwszym wydzielono tereny o charakterystyce spektralnej odpowiadającej zestawowi głównych typów pokrycia, stosując zasadę największego
użytkowanie terenu... 91 podobieństwa (maximum likehood decision rule). Następnie uzyskane obrazy, zawierające wyróżnienia zawarte w czterech uprzednio wymienionych klasach, były dekodowane za pomocą funkcji RECODE pakietu ERDAS w celu uzyskania tzw. maski dla każdej z klas głównych. W drugim kroku wykonano powtórnie klasyfikacje nadzorowaną, tym razem wykorzystując bardziej szczegółowy zestaw charakterystyk spektralnych. W efekcie uprzednio wydzielone typy pokrycia zostały rozdzielone na mniejsze płaty. W konsekwencji uzyskano dwa obrazy użytkowania ziemi odpowiadające sytuacji w roku 1987 i roku 1999 (zał. 6 i 7). Materiał ten wykorzystano następnie do oceny zmian pokrycia terenu. W tym celu nałożono na siebie obrazy z lat 1987 i 1999 i zbadano różnice zasięgu poszczególnych typów pokrycia. Dodatkowych informacji dostarczyła również interpretacja przestrzennego rozkładu wskaźnika NDVI. Wyniki W granicach badanego terenu dominują obszary zajęte pod uprawę. Zgodnie z danymi statystycznymi stanowią one blisko 85% powierzchni. W strukturze upraw podstawowe znaczenie odgrywają zboża oraz rośliny okopowe. Na powierzchnie leśne przypada około 15% terenu, zaś na łąki i pastwiska niecałe 13 % Strukturę użytkowania terenu oraz jej zmiany przedstawia Tabela 1. Jak z powyższego wynika tylko niewielka część terenu badanego charakteryzuje się względnie stałym typem pokrycia terenu. Pozostałe powierzchnie wykazują wyraźną zmienność odpowiadającą sezonowej różnorodności upraw. Podobny efekt przyniosła ocena udziału typów użytkowania w zasięgu wariantów krajobrazu (por. Richling, Malinowska, Lechnio, ibidem) patrz Ryc. 1. Na rysunku tym zaznacza się wyraźna dominacja gruntów ornych nad kierunkami użytkowania o bardziej stałej strukturze pokrycia w kolejnych sezonach, chociaż zwraca uwagę duża liczba jednostek zajętych przez lasy. Są to jednak w większości niewielkie lasy prywatne. Stwierdzone prawidłowości potwierdzają obrazy uzyskane z klasyfikacji zdjęć satelitarnych. Zarówno obraz z roku 1987, jak i z roku 1999, uwidaczniają strukturę pokrycia typową dla terenów o tradycyjnym rolnictwie. Wyraźnie wyodrębniają się obszary wysoczyznowe, o dominującym udziale upraw polowych. Są one w większości związane z 6 typami krajobrazu: równinnymi wysoczyznami z pokrywą piasków wodnolodowcowych i lodowcowych, równinnymi wysoczyznami gliniastymi, równinnymi wysoczyznami zbudowanymi z iłów i mułków, wysoczyznami falistymi i pagórkowatymi zbudowanymi z piasków wodnolodowcowych i lodowcowych, wysoczyznami falistymi i pagórkowatymi gliniastymi, wysoczyznami falistymi i pagórkowatymi z iłami i mułkami (zał. 4, 5, 6 i 7). Z kolei powierzchnie leśne odpowiadają krajobrazom równinnym wyższych poziomów tarasowych z piaskami wodnolodowcowymi i lodowcowymi oraz eolicznymi. Przeważają lasy iglaste, a w niższych położeniach lasy mieszane. Mniejsze powierzchnie leśne występują również w granicach krajobrazów równinnych wysoczyzn z piaskami wodnolodowcowymi i lodowcowymi oraz równin w dnach dolin i obniżeń z torfami i namułami organicznymi, a także
92 J. Lechnio Tabela 1. Struktura użytkowania terenu* Użytkowanie 1990 1991 1994 1995 Średnia % Użytki rolne 84,8 84,7 84,9 84,9 84,8 sady 2,5 2,5 2,4 2,3 2,4 pastwiska 6,2 6,3 6,4 6,4 6,3 łąki 6,5 6,5 6,4 6,4 6,4 zasiewy ogółem 82,9 83,9 80,3 84,3 82,8 w tym zboża 49,8 51,4 52,0 54,2 51,9 w tym pszenica 29,3 30,0-27,7 29,0 żyto 29,8 30,2-33,8 31,3 owies 5,9 5,4-10,4 7,3 jęczmień 11,5 11,2-4,9 9,2 pozostałe 23,4 23,3-23,1 23,3 strączkowe 1,3 1,3 0,8 0,8 1,0 ziemniaki 10,2 10,4 9,4 9,5 9,9 przemysłowe 7,4 5,7 6,6 7,6 6,8 w tym buraki cukrowe 6,0 4,6 5,2 4,9 5,2 pastewne 11,7 11,1 6,6 6,4 8,9 w tym motylkowe 5,5 7,0 2,5 2,8 4,4 pozostałe 2,6 4,1 5,0 5,8 4,4 w tym warzywa 2,0 2,2 3,0 3,6 2,7 Lasy 15,2 15,3 15,1 15,1 15,2 Opracowano na podstawie danych GUS za lata 1990 1996 oraz Wydziału Rplnictwa UP w Płocku. * - zestawienie obejmuje okres 1990-1995 ze względu na zmianę granic podziału administracyjnego i wynikającą stąd nieporównywalność późniejszych danych równin z aluwiami piaszczystymi. Dominują wtedy lasy mieszane oraz lasy liściaste. Lasy stanowią również dominujący typ pokrycia w przypadku krajobrazów stromych zboczy piaszczysto-żwirowych i gliniasto-ilastych oraz wzgórz i pagórków eolicznych występujących w dolinie Wisły, a także w obrębie moren czołowych na terenie wysoczyzn lodowcowych (zał. 6, 7). Trwałe użytki zielone (łąki i pastwiska) oraz łąki z zadrzewieniami i zaroślami koncentrują się natomiast w dnach dolin i obniżeń z podłożem torfowym i namułami organicznymi oraz z aluwiami piaszczystymi (zał. 6, 7). Porównanie map użytkowania terenu uzyskanych z istniejących materiałów kartograficznych (zał. 8) z opracowaniami stanowiącymi efekt cyfrowej obróbki zdjęć satelitarnych (zał. 6, 7) pozwala na stwierdzenie, że pojawiają się między nimi znaczne różnice. Układ przestrzenny jest porównywalny tylko w przypadku dużych powierzchni lasów oraz łąk (terenów o ustalonym, dominującym charakterze pokrycia). Jednak i wtedy na mapach tradycyjnych uwidacznia się wpływ generalizacji. Mapy cyfrowe charakteryzują się dużym zróżnicowaniem tekstury. Na ich podstawie możliwe staje się jednoznaczne rozdzielenie terenów
użytkowanie terenu... 93 Ryc. 1. Charakterystyka użytkowania terenu w granicach jednostek rangi wariantu krajobrazu upraw polowych i użytków zielonych. Zestawienie różnic użytkowania ziemi pomiędzy rokiem 1987 i 1999 nie wskazuje na istnienie drastycznych zmian. Niewielkie różnice pokrycia terenu są widoczne w zasięgu obszarów leśnych i wynikają z faktu prowadzenia wyrębów i nasadzeń. Poza tym niektóre fragmenty terenu objęte są postępującym procesem zarastania. Jest to szczególnie widoczne na przykładzie łąk w południowozachodnim fragmencie terenu, pojedynczego płata na zachodniej granicy badań oraz w zasięgu wysoczyzny usytuowanej na północ od Płocka, a także jednego płata w granicach dużego kompleksu leśnego Gostynińsko-Włocławskiego Parku Krajobrazowego (zał. 9). Uwidaczniają się też obszary dawnych PGR, które powtórnie objęto uprawą. Zjawisko to jest wyraźnie widoczne na przykładzie kilku dość dużych, geometrycznych płatów terenu na północny-zachód od Płocka. Zaistniałe zmiany są też związane z postępującą urbanizacją terenu, co szczególnie widać w zasięgu Płocka, a zwłaszcza osiedli położonych na północ od miasta oraz Zakładów Orlen. Stwierdzić można również wzrost gęstości zabudowy Płocka oraz rozbudowę dróg i chodników.
94 J. Lechnio Podsumowanie Wyniki niniejszego opracowania wskazują, że analiza cyfrowa zdjęć satelitarnych jest skutecznym narzędziem umożliwiającym rozpoznanie struktury użytkowania terenu i jej zmian. Uzyskiwane efekty zależą jednak nie tylko jakości posiadanego materiału (rozdzielczości terenowej i spektralnej zdjęć), ale również od szczegółowości danych uzyskanych z rozpoznania terenowego, wykorzystywanych jako materiał referencyjny. Wprawdzie rozdzielczość spektralna zdjęć z Landsata uniemożliwia identyfikację drobnych szczegółów terenowych, jednak uzyskiwane wyniki wydają się wystarczające dla potrzeb prowadzonych prac. Uzyskano bowiem tą drogą nie tylko zasięgi określonych typów pokrycia terenu i ich zmiany, ale również określono cechy odnoszące się do roślinności, wykorzystywane następnie do parametryzacji procesów biogeochemicznych i hydrologicznych. Literatura Analyzing vector data. University of Alberta, 2004 (www.ualberta.com) Croissant C., 2004: Landscape patterns and parcel boundaries: an analysis of composition and configuration of land use and land cover in south-central Indiana. Agriculture, Ecosystems and Environment 101, pp. 219 232. Erdas field guid. Sixth edition. Erdas LLC. Atlanta, Gorgia. 2002. Hall F.G., Strebel D.E., Nickeson J.E., Goetz, S.J. 1991: Radiometric rectification: Toward a common radiometric response among multi-date, multisensor images. Remote Sensing of the Environment. 35, pp. 11-27. Li X., Gar-On Yeh A., 2004: Analyzing spatial restructuring of land use patterns in a fast growing region using remote sensing and GIS. Landscape and Urban Planning 69, pp. 335 354. Lambin E.F.; A.H. Strahler. 1994: Indicators of land-cover change for changevector analysis in multitemporal space at coarse spatial scales. International Journal of Remote Sensing. 15(10), pp. 2099-2119. MSCP Habitat Monitoring: Remote Sensing at San Diego State University. http://map.sdsu.edu/group2001/group7/index.htm Sedlák P., 2002: Using Landsat TM data for mapping of the quarternary deposits in Central Sweden. Geographica 37, pp. 77-82 Vogelmann, J. E., Helderb D., Morfitt R., Choate M. J., Merchant J. W., Bulley H., 2001: Effects of Landsat 5 Thematic Mapper and Landsat 7 Enhanced Thematic Mapper Plus radiometric and geometric calibrations and corrections on landscape characterization. Remote Sensing of Environment 78 (2001) 55 70 Wrbka T., Erb K-H., Schulz N. B., Peterseil J., Hahn Ch., Haberlb H., 2004: Linking pattern and process in cultural landscapes. An empirical study based on spatially explicit indicators. Land Use Policy 21, pp. 289 306.