Количественная оценка спрола городских территорий Санкт-Петербурга с использованием изображений Landsat
|
Аннотация 3
Введение 4
Глава 1. Теоретико-методологические основы исследования пространственного расширения крупнейших городов 6
1.1 Спрол городов как феномен в отечественной и зарубежной социально-экономической географии 6
1.2. Инструментарий исследования пространственного расширения крупнейших городов 10
1.3. Область исследования и роль планировочных документов 13
1.4. Методика исследования 18
Глава 2. ГИС-комплексы в исследовании пространственного развития и расширения городов 24
2.1. Значение аэрокосмических материалов для изучения динамики городских территорий 24
2.2. ГИС-комплексы при исследовании пространственного каркаса города 26
2.3. Аэрокосмические снимки и коррекция снимков Landsat 29
2.4. Дешифрирование снимков 33
3. Количественная оценка спрола городских территорий Санкт-Петербурга 38
3.1. Векторизация и классификация снимков 38
3.2. Изменение динамики городской застройки за период 1990-2015 гг. 44
3.3. Перспективы развития города 49
Заключение 51
Список литературы 53
Приложения 58
Введение 4
Глава 1. Теоретико-методологические основы исследования пространственного расширения крупнейших городов 6
1.1 Спрол городов как феномен в отечественной и зарубежной социально-экономической географии 6
1.2. Инструментарий исследования пространственного расширения крупнейших городов 10
1.3. Область исследования и роль планировочных документов 13
1.4. Методика исследования 18
Глава 2. ГИС-комплексы в исследовании пространственного развития и расширения городов 24
2.1. Значение аэрокосмических материалов для изучения динамики городских территорий 24
2.2. ГИС-комплексы при исследовании пространственного каркаса города 26
2.3. Аэрокосмические снимки и коррекция снимков Landsat 29
2.4. Дешифрирование снимков 33
3. Количественная оценка спрола городских территорий Санкт-Петербурга 38
3.1. Векторизация и классификация снимков 38
3.2. Изменение динамики городской застройки за период 1990-2015 гг. 44
3.3. Перспективы развития города 49
Заключение 51
Список литературы 53
Приложения 58
Урбанизация, являясь следствием экономического развития и роста населения и характеризующаяся площадью и численностью населения, стала основной темой развития в большинстве стран и регионов мира. Плотность застройки становится больше, пространства более тесными, а площади зеленых земель сокращаются. Мониторинг и грамотное управление развитием города является приоритетной задачей властей.
Чтобы лучше понять законы спрол городов, исследователи по всему миру активно используют технологии дистанционного и спутникового зондирования, дающие бесценные данные, которые сложно получить иным путем. Спрол городов довольно новое веяние среди российских ученых, наряду с методологией дешифрирования урбанизированных территорий по аэрофотоснимкам, поэтому исследование является новым и актуальным для российских городов. Объектом исследования являются городские территории Санкт-Петербурга.
Предмет исследования: оценка пространственного расширения городских территорий Санкт-Петербурга с использованием изображений Landsat.
Целью работы является оценка спрол городских территорий Санкт-Петербурга за период 1990-2015 годов по аэрофотоснимкам Landsat
Для реализации сформулированной цели поставлены следующие задачи:
1) Актуализировать теоретико-методологический инструментарий исследования пространственного расширения крупнейших городов;
2) Привести обзор литературы по исследуемой тематике;
3) Сформировать многослойную базу данных снимков Landsat с изображением Санкт-Петербурга за 1990-2015 гг.;
4) Откорректировать аэрофотоснимки;
5) Разработать собственную методику исследования;
6) Создать интегральную картосхему динамики изменения урбанизированных территорий города;
7) Рассчитать плотность и выявить направления разрастания города Санкт-Петербург;
8) Выявить дальнейшие перспективы развития города;
В первой главе работы рассматривается понятие "спрол", также представлен обзор теоретических исследований, определена область исследования и инструментария оценки спрола городов. Рассматривается опыт зарубежных исследований и методов оценки расширения городов, а также подробно описано собственная методика исследования.
Во второй главе рассмотрены теоретические вопросы автоматизированной обработки космических данных, описаны основные методы и алгоритмы компьютерных технологий, дан обзор и описание программных пакетов, используемых для проведения автоматической обработки снимков. Также выявлена целесообразность и актуальность использования данных ДДЗ для оценки динамики застраиваемых территорий. Дан обзор основных систем получения космических снимков и описание космических спутников с помощью которых были получены используемые в работе снимки Landsat.
В третьей главе подробно описаны результаты всех этапов обработки снимков и извлечения необходимой информации для построения картосхем. Описаны качественно и количественно полученные данные – выявлены зоны роста в каждый период и оценены темпы прироста урбанизированных территорий.
Теоретической базой исследования послужили труды ученых, изучающих рост городов, спрол и методы его изучения, а именно Дохов и Синицин, Харви, Готтман, Салариан, Боленс, Эвинг, Пайдар, Джонсон, Исмаэль, Хендерсон и Ариндам, Франц, Бругманн и многие другие.
Источниками данных для исследования стали аэрофотоснимки Landsatс сайта Геологической службы США, также открытые данные OpenStreetMapи Цифровой генеральный план.
Методика исследования основана на создании многослойной базы данных снимков территории Санкт-Петербурга и оценке спрола с помощью сравнительно-географического анализа, картографического, а также статистического методов на основе анализа и обобщения литературы по данной тематике.
Чтобы лучше понять законы спрол городов, исследователи по всему миру активно используют технологии дистанционного и спутникового зондирования, дающие бесценные данные, которые сложно получить иным путем. Спрол городов довольно новое веяние среди российских ученых, наряду с методологией дешифрирования урбанизированных территорий по аэрофотоснимкам, поэтому исследование является новым и актуальным для российских городов. Объектом исследования являются городские территории Санкт-Петербурга.
Предмет исследования: оценка пространственного расширения городских территорий Санкт-Петербурга с использованием изображений Landsat.
Целью работы является оценка спрол городских территорий Санкт-Петербурга за период 1990-2015 годов по аэрофотоснимкам Landsat
Для реализации сформулированной цели поставлены следующие задачи:
1) Актуализировать теоретико-методологический инструментарий исследования пространственного расширения крупнейших городов;
2) Привести обзор литературы по исследуемой тематике;
3) Сформировать многослойную базу данных снимков Landsat с изображением Санкт-Петербурга за 1990-2015 гг.;
4) Откорректировать аэрофотоснимки;
5) Разработать собственную методику исследования;
6) Создать интегральную картосхему динамики изменения урбанизированных территорий города;
7) Рассчитать плотность и выявить направления разрастания города Санкт-Петербург;
8) Выявить дальнейшие перспективы развития города;
В первой главе работы рассматривается понятие "спрол", также представлен обзор теоретических исследований, определена область исследования и инструментария оценки спрола городов. Рассматривается опыт зарубежных исследований и методов оценки расширения городов, а также подробно описано собственная методика исследования.
Во второй главе рассмотрены теоретические вопросы автоматизированной обработки космических данных, описаны основные методы и алгоритмы компьютерных технологий, дан обзор и описание программных пакетов, используемых для проведения автоматической обработки снимков. Также выявлена целесообразность и актуальность использования данных ДДЗ для оценки динамики застраиваемых территорий. Дан обзор основных систем получения космических снимков и описание космических спутников с помощью которых были получены используемые в работе снимки Landsat.
В третьей главе подробно описаны результаты всех этапов обработки снимков и извлечения необходимой информации для построения картосхем. Описаны качественно и количественно полученные данные – выявлены зоны роста в каждый период и оценены темпы прироста урбанизированных территорий.
Теоретической базой исследования послужили труды ученых, изучающих рост городов, спрол и методы его изучения, а именно Дохов и Синицин, Харви, Готтман, Салариан, Боленс, Эвинг, Пайдар, Джонсон, Исмаэль, Хендерсон и Ариндам, Франц, Бругманн и многие другие.
Источниками данных для исследования стали аэрофотоснимки Landsatс сайта Геологической службы США, также открытые данные OpenStreetMapи Цифровой генеральный план.
Методика исследования основана на создании многослойной базы данных снимков территории Санкт-Петербурга и оценке спрола с помощью сравнительно-географического анализа, картографического, а также статистического методов на основе анализа и обобщения литературы по данной тематике.
Рост и расширение городов — это естественный процесс урбанизации, происходящий во всем мире. В данном исследовании рассматривается понятие спрола, достаточно нового для русскоязычных авторов. Понятие спрола является многогранным и не имеет единообразия понимания. Чаще всего спрол связывают с ростом города и развитием пригородов, как зон субурбанизации, однако иногда термин используется как синоним расползания и расширения, без контекста трансформации сельской местности. В нашей работе как раз второй случай. Споры среди исследователей идут и о степени влияния спрола, одни связывают его лишь с негативными последствиями и уничтожением зеленых насаждений, предлагая различные методы для его остановки. В последние десятилетия расширение городов, вызванное ростом населения и миграцией, привело к незапланированному строительству, изменениям в пространственных структурах и особенно к развитию пригородов вокруг городов. Другие - отмечают неизбежность и естественность данного процесса, упоминая необходимость не остановить разрастание городов, а уменьшить его негативные последствия для обеспечения устойчивого развития. Для этого необходимо разрабатывать методики извлечения пространственно-временной информации, ее обработки и аналитики, что в дальнейшем может позволить вести мониторинг и прогнозировать дальнейшее развитие городов с учетом множества характеристик территории.
Среди множества методов исследования спрола особенно выделяется достаточно новый способ получения пространственной информации - дешифрирование аэрофотоснимков. В данном исследовании проведена оценка динамики изменений урбанизированных территорий Санкт-Петербурга путем интерпретации снимков дистанционного зондирования Landsat с 1990 по 2015 годы. Аэрофотоснимки, полученные с базы данных Геологической службы США, оказались достаточно эффективны для распознавания городских районов, голых земель и растительных регионов. В целом данный метод вполне может быть применим и для других городов России, особенно это актуально в связи со сложностью доступа к пространственной информации, ведь статистика преимущественно дает «голые» цифры. А благодаря техническому прогрессу и новым научным достижениям стало возможно анализировать территорию во временном и пространственном аспектах одновременно. Разумеется, у метода есть ряд ограничений и недостатков в виде ограниченной разрешающей способности снимка и сходным спектральным характеристикам объектов. Но со временем будут улучшаться и приборы регистрирующие излучения, и программное обеспечение п их обработке. Поэтому при исследовании разрастания городов не стоит упускать из вида данную методику. В данном направлении еще много неизученных возможностей для дальнейших исследований и поиска наилучших методов. Использование нескольких синтезов каналов и классификаторов значительно повысило точность классификации изображений дистанционного зондирования. В результате были сформированы картосхемы по классам поверхности, которые позволили выделить урбанизированные территории и разработать интегральную картосхему пространственно-временного спрола Санкт-Петербурга.
По картосхеме выделены некоторые крупные территории расползания города, а также математически выявлены общие темпы прироста площади городских территорий. За 25 лет урбанизированные зоны расширились на 25%, за счет развития инфраструктурных объектов и строительства, как малоэтажных домов, так и крупных жилых комплексов.
Среди движущих сил за исследуемый период времени главными являются спрос на недорогое жилье среднего класса, который удовлетворяется множеством частных компаний, которые зачастую ставят скорость превыше качества. А также влияют процессы субурбанизации и разрастание городов за счет пригородов с более «элитными» и комфортными условиями жизни. Также стоит отметить развитие и рост города за счет агломерации, что дает возможность продолжения и улучшения данного исследования с расширением до границ агломерации.
Среди множества методов исследования спрола особенно выделяется достаточно новый способ получения пространственной информации - дешифрирование аэрофотоснимков. В данном исследовании проведена оценка динамики изменений урбанизированных территорий Санкт-Петербурга путем интерпретации снимков дистанционного зондирования Landsat с 1990 по 2015 годы. Аэрофотоснимки, полученные с базы данных Геологической службы США, оказались достаточно эффективны для распознавания городских районов, голых земель и растительных регионов. В целом данный метод вполне может быть применим и для других городов России, особенно это актуально в связи со сложностью доступа к пространственной информации, ведь статистика преимущественно дает «голые» цифры. А благодаря техническому прогрессу и новым научным достижениям стало возможно анализировать территорию во временном и пространственном аспектах одновременно. Разумеется, у метода есть ряд ограничений и недостатков в виде ограниченной разрешающей способности снимка и сходным спектральным характеристикам объектов. Но со временем будут улучшаться и приборы регистрирующие излучения, и программное обеспечение п их обработке. Поэтому при исследовании разрастания городов не стоит упускать из вида данную методику. В данном направлении еще много неизученных возможностей для дальнейших исследований и поиска наилучших методов. Использование нескольких синтезов каналов и классификаторов значительно повысило точность классификации изображений дистанционного зондирования. В результате были сформированы картосхемы по классам поверхности, которые позволили выделить урбанизированные территории и разработать интегральную картосхему пространственно-временного спрола Санкт-Петербурга.
По картосхеме выделены некоторые крупные территории расползания города, а также математически выявлены общие темпы прироста площади городских территорий. За 25 лет урбанизированные зоны расширились на 25%, за счет развития инфраструктурных объектов и строительства, как малоэтажных домов, так и крупных жилых комплексов.
Среди движущих сил за исследуемый период времени главными являются спрос на недорогое жилье среднего класса, который удовлетворяется множеством частных компаний, которые зачастую ставят скорость превыше качества. А также влияют процессы субурбанизации и разрастание городов за счет пригородов с более «элитными» и комфортными условиями жизни. Также стоит отметить развитие и рост города за счет агломерации, что дает возможность продолжения и улучшения данного исследования с расширением до границ агломерации.