Earth Observation based Monitoring of Urbanizationand Environmental Impact in Kigali, Rwanda

QC 20211206

Abstract

Urbaniseringen är en av de stora utmaningarna på 2000-talet. Trots att städerna är en motor för den globala ekonomin förbrukar de 78 % av världens energi och släpper ut mer än 60 % av utsläppen av växthusgaser. Städer i Afrika söder om Sahara, t.ex. Kigali, kännetecknas av snabb befolkningstillväxt och accelererande förändringar i markanvändning och marktäcke. Genomförandet av strategier och bestämmelser som katalysator för en hållbar urbanisering hindras dock av bristfälliga och fragmenterade uppgifter om rumsliga mönster för markanvändning och marktäcke samt befolkningsförändringar. Den insamlade statistiken är oftast föråldrad eller geografiskt aggregerad till stora heterogena administrativa enheter, vilket bedöms vara meningslöst för ett välgrundat beslutsfattande. Det finns därför ett behov av aktuella och tillförlitliga uppgifter och verktyg för att övervaka urbaniseringens rumsliga och tidsmässiga mönster och dess miljöpåverkan för ett välgrundat och hållbart beslutsfattande.

Målen för denna avhandling är i) att undersöka användningen av multi-temporala och multiupplösta jordobservationsdata för att kartlägga och övervaka urbaniseringsmönster och trender i Kigali, Rwanda, ett komplext stadsområde som kännetecknas av ett subtropiskt höglandskli- mått, och ii) att analysera urbaniseringens miljöpåverkan med hjälp av integrering av information om marktäcke som klassificerats från jordobservationsdata med landskapsmetriker och ekosystemtjänster. Med hjälp av satellitbilder från 1984 till 2021 undersöktes och analyserades rumsliga mönster och tidstrender för urbaniseringen i Kigali. Optiska satellitbilder med medelhög till mycket hög upplösning, dvs. Landsat TM/ETM+/OLI med 30 m upplösning, Sentinel-2 MSI med 10-20 m upplösning och WorldView-2 med 2 m rumslig upplösning, användes för kartläggning av markanvändning och marktäcke och analys av förändringar. Olika bildbehandlingstekniker, inklusive texturanalys med hjälp av Gray level Co-occurrence matrix, pan-skärpning och framställning av olika biofysiska index, användes för att förbättra klassificering och analys av markanvändning och marktäcke. Olika metoder för klassificering av markanvändning och marktäcke användes, bland annat pixel- och objektbaserad super- portvektormaskinklassificering, Google Earth Engine-LandTrendr cloud computing och en hybridram som kombinerar mellanliggande klassificeringsresultat från både random forest-klassificering och U-Net djupa neurala nätverk. Klasserna för markanvändning/markbeläggning användes sedan inte bara för att ta fram index som karakteriserar rums- och tidsrelaterade förändringar i stadslandskapets sammansättning och konfiguration, utan också för att analysera effekterna av förändringar i markanvändning/markbeläggning på ekosystemtjänster. Områden som tillhandahåller ekosystemtjänster utvärderades med avseende på förändringar i landskapsfläckarnas rumsliga attribut och struktur.  De mest framträdande ekosystemtjänsterna i undersökningsområdet, uppdelade i tre grupper - försörjande, reglerande och stödjande tjänster - analyserades vidare med hjälp av en matris som rumsligt kopplar samman landskapsenheter med budgetar för utbud och efterfrågan av tjänster. I en av studierna tillämpades en monetär värderingsmetod för att bedöma den tids- och rumsmässiga förändringen i värdet av utvalda ekosystemtjänster. 

Med hjälp av multitemporala jordobservationsdata med flera upplösningar har sju till tolv klasser för markanvändning/markbeläggning tagits fram med en total noggrannhet som överstiger 83 % och med Kappa-koefficienter över 0,8. Den mest framträdande förändringen var omvandlingen av åkermark till bebyggda områden. Som ett resultat av detta ökade de bebyggda områdena från 2,13 km2 till 100,17 km2 mellan 1984 och 2016. Resultaten visade att urbaniseringen mellan 1987 och 1998 kännetecknades av en långsam utveckling, med en årlig tillväxttakt på mindre än 2 %. Perioden efter konflikten (1995 och framåt) kännetecknades av en accelererande urbanisering, med en årlig tillväxttakt på 4,5 %. Från och med 2004 främjades urbaniseringen på grund av migrationstryck och investeringsfrämjande åtgärder inom byggsektorn. Analysen av femårsintervallet från 1990 till 2019 visade att de ogenomträngliga ytorna ökade från 4233,5 till 12116 hektar, med en genomsnittlig årlig tillväxttakt på 3,7 %. För att kartlägga detaljerad markbeläggning i städerna, i synnerhet områden med statsbrist, t.ex. informella bosättningar, förvärvades mycket högupplösta bilder från WorldView-2 och analyserades med hjälp av objekt- och regelbaserad klassificering. Urban markbeläggning i fin skala kunde kartläggas med en total noggrannhet på över 85 % (kappa: över 0.8). MSI-data från Sentinel-2 med flera tidpunkter visade sig vara fördelaktiga för att övervaka rumsliga och tidsmässiga trender i stadsutvecklingen och för att producera tillförlitliga grunddata för analysen av förändringar i stadslandskapet på hela stadens skala med tillräcklig detaljrikedom. 

Under den 37-åriga studieperioden kunde landskapsfragmentering observeras, särskilt när det gäller skog och åkermark. Indexen för landskapskonfiguration visar att landskapsbilden i allmänhet förblev stabil för åkermark, men att den förändrades kraftigt för bebyggda områden. De uppskattade förändringarna i ekosystemtjänsterna uppgår till en förlust på 69 miljoner US-dollar på grund av att åkermark försämras till förmån för stadsområden och till en vinst på 52,5 miljoner US-dollar inom stadsområden mellan 1984 och 2016. De flesta av ekosystemtjänstpaketen visar att bebyggda områden har ett stort behov av ekosystemtjänster, medan grönområden och blåa områden bidrar starkt till att tillhandahålla ekosystemtjänster. Studien visade att multitemporala jordobservationsdata med flera upplösningar och avancerad bildbehandling ger stora möjligheter att kvantifiera urbaniseringen och analysera dess miljöpåverkan med hjälp av landskapsmetriker och variabler för ekosystemtjänster. Data med medelhög upplösning, Landsat och Sentinel-2 MSI, visade sig vara användbara för global årlig urban tillväxt och miljökonsekvensanalys på hela stadsskalan. Satellitdata med mycket hög upplösning är fortfarande endast tillgängliga till en hög kostnad. Därför bör kartläggning av markanvändning och marktäcke baserad på data med mycket hög upplösning endast göras vid särskilda tillfällen på grundval av en kostnads-nyttoanalys. Samtidigt konstaterades det att en politik för öppna data och fri tillgång till molndatasystem som Google Earth Engine också är kostnadseffektiva och användbara för kontinuerlig övervakning av den komplexa dynamiken hos markanvändning och marktäcke i städer, särskilt i områden där kostnaden för jordobservationsdata är begränsande av budgetskäl och i regioner där det är ont om data. 

Avhandlingen bidrar till utvecklingen av metoder för kartläggning och övervakning av stadsutveckling och tillhörande miljöpåverkan i länderna söder om Sahara genom att utforska potentialen och begränsningarna hos fjärranalysdata med flera upplösningar. Metodiska ramar för produktion av markbeläggning i städerna baserade på avancerad maskininlärning, djupinlärning och analys av stora datamängder från jordobservationer har genomförts och testats. Denna avhandlingsforskning visade att jordobservationsdata med öppen tillgång är en kostnadseffektiv datakälla för övervakning av urbanisering och för att undersöka effekterna av förändringar i den rumsliga strukturen på fördelningen och mönstren av ekosystemtjänstpaket. De ramar som utvecklats i denna forskning kan lätt överföras till andra städer söder om Sahara.

Framtida forskning kommer att utforska integrationen av data från flera källor, dvs. jordobservationsdata, befolkningsstatistik och andra typer av data för att upptäcka och kartlägga stadsbrist och miljökänsliga områden. Slutligen kommer kombinationen av optiska och radarbaserade fjärranalysdata och användningen av metoder för maskininlärning och djupinlärning i en molndatormiljö att undersökas ytterligare för att utveckla en dynamisk ram för kontinuerlig övervakning av förändringar av markanvändning och marktäcke i städer.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-305527