remote sensing and g is application in change detection · pdf file ·...

6
INTERNATIONAL JOURNAL OF GEOMATICS AND GEOSCIENCES Volume 1, No 1, 2010 © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services Research Article ISSN 0976 – 4380 60 Remote Sensing and GIS Application In Change Detection Study In Urban Zone Using Multi Temporal Satellite R.Manonmani, G.Mary Divya Suganya Institute of Remote Sensing, Anna University, Chennai 600 025 ABSTRACT Information on landuse/landcover in the form of maps and statistical data is very vital for spatial planning, management and utilization of land. In the study, Remote Sensing and geographic information system (GIS) were used in order to study landuse/landcover changes. Land use change may influence many natural phenomena and ecological processes, including runoff, soil erosion and sedimentation and soil conditions. The Urban areas are changing due to various human activities, natural conditions and development activities. According to the user requirements, updating of landuse mapping is required to various departments. The aims of this study are to detect land use changes between 1990 to 2005 using satellite images of Land Sat 7 ETM+ (1990) and IRS LISS III (2005) and digital topographic maps have been used. The objectives of the study is to see the landuse/landcover changes in Urban areas and identifying hotspots of land cover changes using multi temporal satellite data and also studying relationship between human pressure on landuse/landcover and its impacts in the vital Urban habitats. Landuse changes have been detected by image processing method in EDRAS imagine. Finally to predict the changes in Urban habitants and landuse/landcover changes occurred. Monitoring of landuse/landcover changes which would help to plan development activities such as major schemes and for used requirements. Change detection has shown that the built up area increased between 1990 and 2005 by 15.83% from 6513.29 ha to 9300.97 ha. Also, the area with irrigated land farms have been decreased to 436.99 ha (2.48%) and the scrub land decreased to 5.19%. Keywords: Landuse/landcover, Change detection 1. Introduction Landuse is influenced by economic, cultural, political, and historical and land – tenure factors at multiple scales. Land use referred to as man’s activities and the various uses which are carried on land. Landcover is referred to as natural vegetation, water bodies, rock/soil, artificial cover and others resulting due to land transformation. Since both landuse/landcover are closely related and are not mutually exclusive they are interchange able as the former is inferred based on the land cover and on there contextual evidence. A serious problem for modeling urban landuse change has been the lack of spatially detailed data. GIS and remote sensing have the potential to support such models, by providing data and analytical tools for the study of urban environments. Urban land cover types and their areal distributions are fundamental data required for a wide range of studies in the physical and social science, as well as by municipalities for land planning purposes (Stefanov, 2001). The technologies of Geographical Information Systems (GIS) and Remote Sensing have been combined to detect and control urban encroachment in a way which

Upload: phungtram

Post on 15-Mar-2018

216 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

Page 1: Remote Sensing and G IS Application In Change Detection · PDF file · 2017-12-12Remote Sensing and G IS ... between 1990 and 2005 by 15.83% from ... Processing has involved application

INTERNATIONAL JOURNAL OF GEOMATICS AND GEOSCIENCES   Volume 1, No 1, 2010 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services Research Article  ISSN   0976 – 4380 

60 

Remote Sensing and GIS Application In Change Detection Study In Urban Zone Using Multi Temporal Satellite 

R.Manonmani, G.Mary Divya Suganya 

Institute of Remote Sensing, Anna University, Chennai 600 025 

ABSTRACT 

Information on landuse/landcover in the form of maps and statistical data is very vital for spatial  planning,  management  and  utilization  of  land.  In  the  study,  Remote  Sensing  and geographic  information  system  (GIS)  were  used  in  order  to  study  landuse/landcover  changes. Land  use  change may  influence  many  natural  phenomena  and  ecological  processes,  including runoff, soil erosion and sedimentation and soil conditions. The Urban areas are changing due to various  human  activities,  natural  conditions  and  development  activities. According  to  the  user requirements, updating of  landuse mapping is required to various departments. The aims of this study are to detect land use changes between 1990 to 2005 using satellite images of Land Sat 7 ETM+  (1990)  and  IRS­  LISS  III  (2005)  and  digital  topographic  maps  have  been  used.  The objectives  of  the  study  is  to  see  the  landuse/landcover  changes  in Urban  areas  and  identifying hotspots of land cover changes using multi temporal satellite data and also studying relationship between  human  pressure  on  landuse/landcover  and  its  impacts  in  the  vital  Urban  habitats. Landuse changes have been detected by image processing method in EDRAS imagine. Finally to predict  the changes  in Urban habitants and  landuse/landcover changes occurred. Monitoring of landuse/landcover  changes  which  would  help  to  plan  development  activities  such  as  major schemes and for used requirements. Change detection has shown that the built up area increased between 1990 and 2005 by 15.83% from 6513.29 ha to 9300.97 ha. Also, the area with irrigated land farms have been decreased to 436.99 ha (2.48%) and the scrub land decreased to 5.19%. 

Keywords: Landuse/landcover, Change detection 

1. Introduction 

Landuse is influenced by economic, cultural, political, and historical and land – tenure factors at multiple scales.  Land use referred to as man’s activities and the various uses which are carried on  land. Landcover  is  referred  to  as  natural  vegetation, water  bodies,  rock/soil,  artificial  cover and others resulting due to land transformation. Since both landuse/landcover are closely related and are not mutually exclusive they are  interchange able as  the  former  is  inferred based on the land  cover  and  on  there  contextual  evidence.  A  serious  problem  for  modeling  urban  landuse change has been the lack of spatially detailed data. GIS and remote sensing have the potential to support such models, by providing data and analytical tools for the study of urban environments. Urban  land  cover  types  and  their  areal  distributions  are  fundamental  data  required  for  a wide range of studies in the physical and social science, as well as by municipalities for land planning purposes  (Stefanov,  2001).  The  technologies  of Geographical  Information Systems  (GIS)  and Remote Sensing have been combined to detect and control urban encroachment in a way which

Page 2: Remote Sensing and G IS Application In Change Detection · PDF file · 2017-12-12Remote Sensing and G IS ... between 1990 and 2005 by 15.83% from ... Processing has involved application

INTERNATIONAL JOURNAL OF GEOMATICS AND GEOSCIENCES   Volume 1, No 1, 2010 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services Research Article  ISSN   0976 – 4380 

61 

is easier and faster then the traditional methods of surveying the urban environment  (Da Costa, 1999).  In  this  study,  in  1990–  2005  years  period,  land­use  changes  in  Villivakkam  were examined.  Changes  in  residential  areas  and wasteland  and water  bodies were  exposed.  Urban land­use characteristics were combined with some plans aiming at urban development and thus it is proposed  for  future  land­use decisions  to  local authorities.  Information on  landuse/landcover in  the  form  of  maps  and  statistical  data  is  very  vital  for  spatial  planning,  management  and utilization  of  land  for  agriculture  studies,  economic  production  etc.  Today,  with  the  growing population pressure,  low man  land ratio and  increasing  land degradation,  the need  for optimum utilization of land assumes much greater relevance. 

2. Study Area 

The Villivakkam block (study area) of Thiruvallur  district  is located in between 13° 1’ 25’’ N to 13°  12’  24”  N  Latitudes  and  80°  1’  40”  E  to  80°  11’  30’’  E  Longitudes,  falling  in  SOI Toposheets  66C4  with  an  aerial  extent  of  17609.93  ha  and  found  in  the  west    of  Chennai. Villivakkam  is  one  of  the  most  rapidly  populated  area  and  landuse  changes  regions  of Thiruvallur district.  From 1990 to 2005, resident population is nearly doubled. 

3. Data Sources 

Data in this study are used of digital  topographic maps dated 1976 and with an 1:50000 scale. Landsat TM and IRS –P6 LISS III satellite data were used to generate land use map for 1990 and 2005. 

4. Methodology 

The studies of monitoring urban residential growth of Villivakkam block were first started with a topographic map prepared in 1976 and comparing this topographic map with satellite image. For past  15  years,  constructional  activities  increased  depending  on  population  growth  and  due  to opening of more industry, with the construction of airport and establishment of the university, an

Page 3: Remote Sensing and G IS Application In Change Detection · PDF file · 2017-12-12Remote Sensing and G IS ... between 1990 and 2005 by 15.83% from ... Processing has involved application

INTERNATIONAL JOURNAL OF GEOMATICS AND GEOSCIENCES   Volume 1, No 1, 2010 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services Research Article  ISSN   0976 – 4380 

62 

increasing  residential  construction  was  determined  through  satellite  image.  The  flow  chart depicting the study area are illustrated below Figure 1. 

Figure1. Flow chart depicting the change detection method 

4.1 Data pre­processing 

Pre processing has involved scanning and digitization of Survey of India Toposheets at 1:50000 scale to serve as the base map. Scanned maps don’t usually contain information as to where the area  represented on  the map  fits  on  the  surface  of  the  earth,  for  these  images  have  to  register coordinates.  To  establish  the  relationship  between  an  image  (row,  column)  coordinate  system and  a  map  (x,  y)  coordinate  system we  need  to  align  or  georeference  the  raster  data  (image). Processing  has  involved  application  of  various  GIS  function  and  advanced  digital  image processing technique including contrast manipulation, edge enchancement, and image registered. The  images  were  geometrically  rectified  and  registered  to  the  same  projection  namely, Transverse Mercator WGS 1984 to lay them over each other 

4.2 Image classification 

The  initial  LandSat  (1990)  and  final  (2005)  IRS­  IC  LISS  III  imageries  were  subjected  to  a classification zones. Visual  image  interpretation was utilized  to classify  the  images  to different landuse categories.  In order  to classify  the  rectified  images,  five classes were delineated  in  the images  namely,  agriculture,  fallow  land,  scrub  land,  industry  and  built­up. The  overall  testing accuracy for the classification of Landsat (1990) was 82.14%, while it was 86.46% for IRS­ IC LISS  III  image  (2005).  The  land  use map  prepared  for  the  year  1990  and  2005  are  shown  in figure 2 and 3 respectively. 

4.3 Change detection 

Change detection analysis encompasses a broad range of methods used to identify, describe and quantity  differences  between  images  of  the  some  scene  at  different    times  or  under  different conditions many of the tools can be used independently or in combination or in combination as 

Base Layer SOI Toposheet 

Land Use Map ­ 1990 Landsat Satellite 

IRS – P6 Satellite 

Land Use Map ­ 2005 

Change Detection Map 

Accuracy assessment 

Visually interpreted using On Screen Key interpretation elements

Page 4: Remote Sensing and G IS Application In Change Detection · PDF file · 2017-12-12Remote Sensing and G IS ... between 1990 and 2005 by 15.83% from ... Processing has involved application

INTERNATIONAL JOURNAL OF GEOMATICS AND GEOSCIENCES   Volume 1, No 1, 2010 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services Research Article  ISSN   0976 – 4380 

63 

part of a change detection analysis. Change detection menu after a straight forward approach to measuring  changes  between  a  pair  of  images  that  represent  a  pair  of  images  that  represent on initial stage and final stage. The change detection statistics for classification images average used for  the  compute difference  map  for images. 

Figure 2. Map showing the Landuse categories for the year 2005 

Land Use Map for the year 2005 using LISSIII Satellite Data  Land Use Map Thiruvallur District  Villivakkam Block 

Legend Perenial Tank 

River / Stream 

Industry 

Settlement 

Scrub 

Plantation 

Salt affected ­ Slight 

Fallow 

Agriculture 

Dry Tank 

0  2.5  5  7.5 1.25 Km 

± 

Land Use Map for the year 1990 using Landsat Satellite Data  Land Use Map Thiruvallur District  Villivakkam Block 

± 

0  2.5  5  7.5 1.25 Km 

Legend Perenial Tank 

Dry Tank 

Agriculture 

River / Stream 

Settlement 

Fallow 

Scrub 

Salt affected ­ slight 

Plantation

Page 5: Remote Sensing and G IS Application In Change Detection · PDF file · 2017-12-12Remote Sensing and G IS ... between 1990 and 2005 by 15.83% from ... Processing has involved application

INTERNATIONAL JOURNAL OF GEOMATICS AND GEOSCIENCES   Volume 1, No 1, 2010 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services Research Article  ISSN   0976 – 4380 

64 

Change Detection map for the year 1990 ­ 2005  Change Detection Map Thiruvallur District  Villivakkam Block 

± 

0  2.5  5  7.5 1.25 Km 

Legend 

Decrease in Area 

Unchanged 

Increase in Area 

Figure 3. Map showing the Landuse categories for the year 2005 

Figure 4. Change Detection Map showing the Landuse categories for the year 1990 ­ 2005 

5. Results and Discussion 

The land use categories such as built­up land, agriculture, water body, wasteland and others have been  identified  and  mapped  from  the  Landsat  TM  and  IRS  LISS  III  of  1990  and  2005.  The change detection map is presented in figure 4. About 36.99% of the areas are occupied by built­ up land during 1990 and about 52.82% areas are occupied by built­up during 2005. People utilize the  land  for agricultural purposes. Under utilization, mis management could be observed  in the field. As a result the yield is not optimum.The area occupied by the agriculture is about 16.59% (1990)  and  14.11%  (2005).  This  is  due  to  shifting  of  agricultural  land  to  built  up.  From  the rainfall data collected for a period of 10 years,  it sis understood that the mean annual rainfall  is above  the  normal  rainfall.  Owing  to  the  increase  in  human  population  the  plantation  category have been decreased from 0.67% to 0.61%.  Decrease of about 2272 ha of the wasteland during 2005  when  compared  to  1990.  Some  small  scale  Industries  has  also  been  found  during  2005 which would help the human employment. Table 1 shows the change in landuse pattern.

Page 6: Remote Sensing and G IS Application In Change Detection · PDF file · 2017-12-12Remote Sensing and G IS ... between 1990 and 2005 by 15.83% from ... Processing has involved application

INTERNATIONAL JOURNAL OF GEOMATICS AND GEOSCIENCES   Volume 1, No 1, 2010 

© Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services Research Article  ISSN   0976 – 4380 

65 

Landuse  / Land cover types 

1990 (Ha)  Area in %  2005(Ha)  Area in %  Difference 

Built­up  6513.29  36.99  9300.97  52.82  +15.83 Agriculture land  2921.17  16.59  2484.18  14.11  ­2.48 Fallow land  3119.63  17.72  1484.94  8.43  ­9.29 Wasteland  3150.77  17.89  2272.01  12.9  ­4.82 Industry  nil  nil  157.73  0.9  nil Perennial waterbodies  618.53  3.51  1263.42  7.17  +4.02 Dry water bodies  982.20  5.58  352.07  2  ­3.58 River/stream  185.72  1.05  186.2  1.06  +0.01 Plantation  118.60  0.67  108.42  0.61  ­0.06 Total Geographic Area  17609.91  100  17609.94  100 

Table 1. Area under different land use / land cover categories during 1990­2005 

7. Conclusions 

The present study shows that satellite remote sensing based  land cover mapping  is very effective.  The  high  resolution  satellite  data  such  as  LISS  III  data  and  Landsat  TM  are  good source  to  provide  information  accurately.  Under  utilization  of  potential  land,  increased population, and  land conversion are  the major driving  forces  for  the change  in  land use during the past 15 years. The overall accuracy of the present land cover study is 85%. 

Based on the analysis of changes in land use / land cover some of the remedial measures are suggested, which are essential for optimum and sustainable utilization of  land resources and prevention of further undesirable and deteriorated changes in land use. Crop rotation could help to improve the land potential and to avoid poor yield. Base on the soil suitability fruit trees could be planted to improve the economy of the people. 

8. References 

1. Mas, J.F., 1999, “Monitoring land cover changes: a comparison of change detection techniques”, International Journal of Remote Sensing, 20(1), 139­152. 

2. National Remote Sensing Agency / Project report, 2006, “National land use and land cover mapping using Multi­Temporal AWiFS data”