Földrajzi konferencia, Szeged 2001.
FÖLDHASZNOSÍTÁS-ELEMZÉS TÁVÉRZÉKELÉSI ÉS TEREPI ADATOK ÖSSZEVETÉSE ALAPJÁN Szabó Gergely1 I. Bevezetés, célkitűzés A térinformatika és az űrfelvételek alkalmazása a mezőgazdasági alkalmazásokban is mind elfogadottabbá válik napjainkban. E munkában ezek alkalmazásának néhány problémás pontját és előnyét próbáltuk bemutatni. Alapvetően két célt tűztünk ki: egyrészt módszertani leírást adni az űrfelvételek ilyen irányú feldolgozásáról egy GIS-szoftverben (IDRISIben), másrészt egy mintaterületen e módszerek alkalmazásának kipróbálása. A mezőgazdasági műveléságak közül az erdő képviseli a legnagyobb biomasszát, ezért az űrfelvételeken ezek foltjai jelentik a legbiztosabb támpontokat. Másrészt ezek tekinthetők a leghosszabb ideig fennmaradóknak is. Ezért a két űrfelvételen az erdők foltjainak azonosítását jelöltük meg másik célnak. A vizsgált térség a Nyírség középső részén terül el és hozzávetőlegesen a Nyírbátor – Hodász - Mátészalka – Nagyecsed – Bátorliget – Nyírbátor települések által közrezárt terület 18 települése alkotja. Határai nem természetesek, hanem a kiválasztott területen elhelyezkedő települések külterületi határvonalait követi. A választás azért esett erre a térségre, mert a statisztikai adatsorok is településenként tartalmazzák az adatokat, melyeket így lehetett összevetni az űrfelvételekkel. II. Anyag és módszer 1. Vizsgálataink során egyrészt statisztikai adatokat, másrészt az űrfelvételek adatbázisait használtuk fel. Ezeket az IDRISI for Windows 2.0-s szoftverben kapcsoltuk össze. Ebben a térinformatikai szoftverben ugyanis (hasonlóan más GIS szoftverekhez) lehetőség van az adatok és a térbeli objektumok összekapcsolására és együttes feldolgozására, így vizsgálatuk egy új aspektusból is lehetséges. A mintaterületről két űrfelvétel állt rendelkezésre. Az egyik 1987 július 1-én (1.ábra), a másik 1996 június 7-én készült. Mindkettőt az amerikai LANDSAT műhold készítette. Térbeli felbontásuk körülbelül 30 méteres (Lóki J.,1996). Az űrfelvételek nemcsak a felszíni objektumról készült felvételek, hanem egyben adatbázisok is, melyek a műhold felbontásától függő részletességgel adnak tájékoztatást a felszín egyes pontjainak intenzitás-értékéről. A felbontóképesség az érzékelő szenzor elemi képegységén, a pixelen múlik. Ezek a kis képpontok jelentenek egy-egy értéket, melyek összessége képezik a felvételt. A pixelek értékei elemző szoftverek segítségével (pl. IDRISI) kiolvastathatók, vagy meg is változtathatók, így a felvételből feldolgozás után közvetlenül készíthetünk tematikus térképeket, vagy adatbázisokat. A nyers űrfelvételek a légkör zavaró hatása, a különböző torzítások és a reflektanciaeltérések miatt sok, de javítható hibát tartalmaznak (Lóki J.,1996). Ezeket jórészt a disztribútor kiszűri, de az általunk megkívánt vetületi rendszerbe illesztést nekünk kell elvégezni. A rendelkezésre álló két LANDSAT-felvételt EOV vetületi rendszerbe illesztettük. Az EOV rendszer egyben megfeleltethető egy kilométer - hálózatnak is, mely méterben határozza meg az egyes pontok koordinátáit, így ezt alkalmazva az űrfelvételre, azon 1
Szabó Gergely doktorandusz hallgató Debreceni Egyetem Természetföldrajzi Tanszék
1
Szabó Gergely: Földhasznosítás-elemzés távérzékelési…
mozogva méteres pontosság vált elérhetővé. Ez természetesen csak elvi lehetőség, hiszen a felvétel eleve kb. 30 méteres felbontású, tehát ennél pontosabb pozicionálásra nincs lehetőség. A táj foltjainak területére vonatkozó számításokhoz viszont ez a módszer tűnt előnyösnek. (Például az IDRISI eleve a méteres értékeket ajánlja fel). A vetületi rendszerbe illesztést az IDRISI RESAMPLE moduljával végeztük el. Egy ún. „Correspondence” file segítségével meg kell adni mintapontok régi és EOV koordinátáit, majd a négy sarokpont EOVkoordinátáit is. E pontok alapján a szoftver elvégzi az újramintavételezést, és a felvétel már az új vetületi rendszerbe helyezve kezelhető. A területről készített két felvétel újramintavételezéséhez a viszonylagosan kis terület miatt elegendőnek tartottuk 19 pont koordinátáit megadni. 1. ábra. A mintaterület a LANDSAT műhold 1987-es felvételén (BGR-245).
A mintaterületről a LANDSAT műhold öt csatornájának (elektromágneses hullámtartományának) felvétele állt rendelkezésre (1-től 5-ig), melyekből kompozitokat készítettünk 3-3 csatorna felhasználásával. A kompozitok összehasonlításával döntöttük el, hogy melyik három csatorna és azok mely alapszínekhez rendelése adja a vegetáció térbeli
2
Földrajzi konferencia, Szeged 2001.
foltjainak vizsgálatához a legjobb együttest. Ezeket a kész kompozitokat először érdemes „vizuálisan” is megvizsgálni. A két, különböző időpontban készült felvételen a 9 év alatt lezajlott változások számos jelét tapasztalhatjuk. A szántóterületek vegetációjában, alakjában beállt változások követése nagyon nehéz és bizonytalan, mert az erre vonatkozó feljegyzések hiányosak, vagy nincsenek, az erdőterületek változását viszont jól nyomon lehet követni. Ahhoz, hogy pontos értéket kapjunk ezekről a változásokról, el kellett különíteni a felvételen a különböző területhasználati típusokat. Ezt az IDRISI szoftver osztályozóival végeztük el (PIPED és MINDIST). Végül kiszűrtük minden olyan osztályt, mely nem az erdőterületeket mutatta. Miután ezt mindkét felvétellel elvégeztük, az erdőterületek elemi képpontjaihoz az 1987-es felvételen 2-es értéket rendeltünk, az 1986-oson pedig 3-mast, az összes többi terület képpontja pedig mind az 1987-es, mind az 1996-os felvételen 1-es értéket kapott. Az erdőterület változásának térbeli mintázatát végül a két felvételt kivonva egymásból kaptuk meg. A települések külterületét kijelölő poligonokat, az utakat, valamint a nagyobb települések belterületeit vektoros formátumban vettük fel (digitalizáltuk ). Következő lépésben ezeket ráhelyeztük a raszterképekre (az űrfelvételre, vagy az abból vonatkoztatott raszteres térképekre). Az így kapott együttes adta az alapot a későbbiekben a további vizsgálatokhoz (2. ábra). 2. ábra. A mintaterület a LANDSAT műhold 1987-es felvételén (BGR-245) és a vektoros térkép.
3
Szabó Gergely: Földhasznosítás-elemzés távérzékelési…
2. Az erdőterületek változásának település-szintű meghatározása Az erdő részesedése a földterületből Lóki J. (1999) statisztikai elemzése alapján a XIX. század végén és a XX. század első felében 5 százalék körül mozgott. Az 1923-mas törvény, mely előírta az Alföld fásítását erre a területre is hatással volt. Az erdőterület növelésétől egyrészt a faanyag utánpótlását, másrészt a szél elleni védelmet, valamint az éghajlati viszonyok javulását is várták. A hatvanas évektől gyorsan emelkedett az erdőterület a privatizációig. Ekkor újra a csökkenés vált jellemzővé. A privatizáció időszakában zajló változások kimutatása az 1987-es és 1996-os űrfelvételekkel az alábbiakban kíséreltük megvalósítani. A települések külterületi határvonalait tartalmazó vektoros térkép segítségével lehetőség van az IDRISI-ben arra, hogy egy térbeli adatbázisból - jelen esetben űrfelvételekből - az egyes településekre vonatkoztatható következtetéseket vonjunk le. Első lépésben a vektoros településhatáros térkép raszteresítését végeztük el. Ez a legtöbb térinformatikai szoftver számára nem jelent problémát. Az IDRISI-ben az POLYRAS parancs segítségével készíthetünk poligonos vektortérképből raszteres térképet, ahol az új raszterképen az egy-egy poligonon belül a raszterértékek pontosan megegyeznek egymással. A rasztertérképen az egyes poligonokhoz a szoftver a vektoros állomány poligon-értékeit (attribútumait) rendeli hozzá. Mivel ez a legtöbb esetben nem felel meg a mi elvárásainknak, érdemes minden raszteres poligon pixeleinek értékét új értékre (pl. valamilyen ID-re, azaz jelölő sorszámra) lecserélni. Erre több módszert is választhatunk az IDRISI-ben. Itt a foltok újrasorszámozása tűnt a legpraktikusabbnak, melyben a szoftver minden egyes poligonhoz tartozó attribútum-értékeket egy, az egész adott poligont leíró sorszámra cserél (J.R.Eastman, 1997). A következő lépésben el kell készíteni azt az adatbázist, melyből adatokat rendelhetünk az elkészült térképekhez. A mezőgazdasági földterületek művelésági megoszlásáról települések szintjére lebontva találhatunk statisztikai adatokat a kataszteri felmérések táblázataiban 1895-ből, 1913-ból, 1935-ből, 1962-ből, és 1966-ból, valamint 1999-ből. A szükséges települések adatait táblázatkezelőben katasztrális holdról hektárrá alakítottuk az egységes kezelhetőség érdekében. Az adatbázisba beszerkesztettük az űrfelvételekből kapott erdőterületekre vonatkozó eredményeket is, így 1987-es és 1996-os oszlopokkal bővült még az adatsor. Megjegyzendő, hogy ez utóbbiak sok esetben jelentős eltéréseket mutatnak a statisztikai táblázatok adataitól. Az 1996-os űrfelvételt összehasonlítva az 1999-es statisztikai adatokkal megállapítható, hogy az értékek a települések egy részénél kevésbé, másoknál jobban eltérnek a várható értékektől. Ennek okát abban látjuk, hogy a LANDSATfelvételeken magas a bizonytalanság foka (többek között) bizonyos fajta erdőterületek meghatározásában. Például egy néhány éve felhagyott, és a vegetációs szukcesszió előrehaladottabb fázisában járó (pl. bokros, cserjés terület) parcellát sokszor nehéz elkülöníteni egy gyümölcsöstől, vagy ültetett nyarastól. Másik oldalról pedig a statisztikai adatok sem biztos, hogy tökéletesen fedik a valóságot. A későbbiekben ezért szükséges a módszer tökéletesítése, a statisztikai adatok – terepi megfigyelések – űrfelvételek hármas rendszerének minél jobb összehangolása (például jobb felbontású űrfelvételek felhasználásával). A kívánt statisztikai pontosság elérése teheti lehetővé az erdőterületek mellett a többi művelésági típus parcelláinak elemzését is. Az űrfelvételek összehasonlítását viszont mindenképpen megtehetjük, hiszen az azonos műholddal, azonos frekvenciákon készített felvételekről nagy valószínűséggel ugyanazok a folttípusok fognak erdőnek látszani. Miután az előbbiekben leírt módon elvégeztük az erdőterületek kiszűrését, lebontottuk a területértékeket települések szintjére. Ehhez a településhatáros, sorszám-attribútumokkal ellátott rasztertérképet használtuk fel. Az 1987-es űrfelvétel elemi képpontjait (rasztereit) úgy módosítottuk, hogy azon az erdőt ábrázolók értéke –1 legyen, a többi érték pedig nulla. Az
4
Földrajzi konferencia, Szeged 2001.
1996-os felvételen szintén nulla az egyéb kategória, az erdőterületek viszont +1-es értéket kaptak. A kettőt fedettük egymással majd településenként kiírattuk az átlagértékeket egy táblázat oszlopába. Ahol az átlag negatív érték volt, ott csökkent az erdők területe az említett időszakban. A pozitív értékek az erdősültség növekedését mutatják. Végül az adatokat hozzárendeltük a sorszámozott település-poligonokat tartalmazó raszterképhez (3. ábra). 3. ábra. Az erdőterület LANDSAT űrfelvételen 1897 és 1996 között.
Az adatbázis alapján az egyes településeken az erdőterületek elterjedésének százalékos értékeit is ábrázolhatjuk (4.ábra). 4. ábra. Az erdőterület aránya a mintaterületen 1895 és 1999. között.
5
Szabó Gergely: Földhasznosítás-elemzés távérzékelési…
III. Eredmények, következtetések Az űrfelvételek vizuális kiértékelésekor első látásra kirajzolódnak a táj foltszerű és vonalas objektumai egyaránt (1.ábra). Foltokat adnak a mezőgazdasági tájhasznosítás parcellái és az állóvizek. A különböző módon hasznosított parcellák más-más „színekben” látszanak a felvételen. A vonalas objektumok közül a vízfolyások, a fasorok, és az utak a leggyakoribbak. Bár ezek gyakran nem érik el az űrfelvétel elméleti felbontóképességét, mégis jól kivehetők, mert anyaguk jelentősen eltérhet a környékétől, másrészt sok esetben parcellahatárt is jelentenek, harmadrészt sok esetben nemcsak maga az objektum adja a sávot, hanem tartozik hozzá egy változó szélességű kísérősáv is (pl. az utak esetében az árokpart). Külön kategóriaként írhatók le a települések, melyek a kis belterületi telkekből (foltok) és a köztük húzódó utakból (vonalas objektumok) állnak. A mintaterület erdeinek változására vonatkozó vizsgálatok eredményeként a következők mondhatók el: ∉8 A Nyírség területén az elmúlt száz év alatt jelentősen nőtt az erdők kiterjedése. Ez a XX. század második felében volt a legnagyobb arányú és a századforduló 5 százalékáról a 1990-es évek elején egyes területeken a 30 százalékot is elérte (Lóki J.,1999.). Az általunk vizsgált mintaterületen a statisztikai és űrfelvételes adatok vizsgálata alapján az emelkedés kimutatható, de az utolsó dekád eleji csökkenés nem. Helyette egy enyhe növekedés figyelhető meg ebben az időszakban is (3., 5., 6. ábrák).
5. ábra. Az erdőterület aránya az összterületből 1895 és 1999 között.
6
Földrajzi konferencia, Szeged 2001.
6. ábra. Az erdőterület változása 1895 és 1999 között.
∉8 A két űrfelvétel készítése között eltelt kilenc év alatt jelentős volt az erdők területváltozásának aránya; hozzávetőlegesen az erdőterületek felén volt fakivágás vagy ültetés (3. ábra). E magas arányt részben indokolja a területen az ipari nyarasok magas aránya, másrészt a felhagyott termőföldeken felnövő bokros - cserjés bozót is sok esetben erdőnek látszik a felvételen. A gyümölcsösök telepítése – kivágása is „belezavarhat” az erdőterületek változásának számításába. A száz év alatt lezajlott területi arányváltozás vizsgálatakor az sem hagyható figyelmen kívül, hogy a települések területe sok esetben változott az elmúlt száz évben. Nyírpilisen például 1913 és 1935 között 47-szeresére (!) nőtt az erdőterület, viszont a település külterülete is több mint kétszerese lett, így összességében az erdőterületek aránya „csak” 20 százalékkal emelkedett (4. ábra). ∉8 Az űrfelvételek összevetéséből kimutatható, hogy 1987 és 1996 között azokon a településeken, ahol kisebb volt az erdők összterülete, növekedés mutatható ki, a nagyobb területű erdővel rendelkező településeken pedig csökkenés volt jellemző. (7. ábra).
7
Szabó Gergely: Földhasznosítás-elemzés távérzékelési…
7. ábra. Az erdőterületek változása településenként űrfelvételek alapján 1987 és 1996 között.
Összefoglalás Űrfelvételeket és statisztikai adatokat próbáltunk meg összehangolni mezőgazdasági területhasználat változásának kimutatására. Ehhez az IDRISI2.0-s szoftvert használtuk. Elmondható, hogy a statisztikai adatok és az űrfelvételek összhangba hozatala – bár nagy figyelemmel és óvatossággal – elvégezhető. Ehhez azonban szükség van az űrfelvételhez időben minél közelebb elvégzett statisztikai felméréshez, valamint törekedni kell a minél jobb felbontású űrfelvétel beszerzésére. Másik fontos módszertani követelmény, hogy az űrfelvétel készítésének időszakából kell rendelkeznünk terepi adatokkal, saját megfigyelésekkel. A terepi megfigyelések szerint a mintaterületen a parcellák mezőgazdasági hasznosítása akár évről évre változhat. Az erdőterületek változása is számottevő, de ezek űrfelvételen történő megfigyelése áll a legjobb összhangban a statisztikai adatokkal. A mintaterületen a vizsgált időszakban az erdők területe folyamatosan emelkedett, és – bár nem érte el a megyére jellemző 30 százalékot a kilencvenes évek elejére, de az azutáni visszaesés sem következett be, csak megtorpant a növekedés az űrfelvételek tanulsága szerint. Azt viszont figyelembe kell venni, hogy az ebben az időszakban parlagon hagyott területeken meginduló szukcesszió bokros-cserjés területei nehezen különíthetők el az erdőterületektől.
8
Földrajzi konferencia, Szeged 2001.
Az űrfelvételek mezőgazdasági változások vizsgálatában történő felhasználása érdekes módszertani feladatnak bizonyult, melynek pontosítására akkor van lehetőségünk, ha több mintaterületen is kipróbáljuk az itt leírt feldolgozási módszereket. Irodalomjegyzék Mezőgazdasági Statisztikai Adatgyűjtemény 1870-1970. Földterület III. Községsoros adatok. Központi Statisztikai Hivatal, Budapest J. Ronald Eastman: IDRISI for Windows – User’s Guide Version 2.0.1997.Worcester Dr Lóki József: Távérzékelés. Debrecen, 1996 Nigel M. W. (ed.) : Térbeli interpoláció in: Goodchild, M. F. – Kemp, K. K. (editors): Térinformatikai alapismeretek (NCGIA). Székesfehérvár, 1994 Lóki József: Szabolcs – Szatmár – Bereg megye mezőgazdasága. KLTE 1999
9
