DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-89167-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39930011
تاريخ النشر: 2025-02-10
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: تخفيف تأثير الجزر الحرارية الحضرية
نظرة عامة
تتناول ورقة البحث تغييرات استخدام الأراضي / تغطية الأراضي (LULC) وتأثيراتها البيئية في منطقة أوكارا، باكستان، من 1991 إلى 2023، في ظل الاتجاه المتزايد للتحضر. باستخدام نظم المعلومات الجغرافية (GIS)، والاستشعار عن بعد (RS)، والتحليلات الإحصائية، تكشف الدراسة عن انخفاض كبير بنسبة 22.6% في تغطية النباتات (415.1 كم²) وزيادة بنسبة 64.1% في المناطق الحضرية (110.7 كم²). تشير تحليل مؤشر الفرق النباتي الطبيعي (NDVI) ومؤشر الفرق المبني الطبيعي (NDBI) إلى وجود علاقة سلبية مستمرة بين NDVI ودرجة حرارة سطح الأرض (LST) (قيم R² تتراوح من 0.55 إلى 0.69)، إلى جانب علاقة إيجابية بين LST وNDBI (قيم R² من 0.62 إلى 0.69)، مما يبرز تأثير جزيرة الحرارة الحضرية (UHI) المستمر.
تؤكد النتائج على الحاجة الملحة للتخطيط الحضري المستدام للتوفيق بين متطلبات التنمية والحفاظ البيئي. تدعو الدراسة إلى اتخاذ تدابير استراتيجية، مثل تنفيذ البنية التحتية الخضراء، ومشاركة المجتمع في التخطيط الحضري، والمراقبة المستمرة لـ LST وتغطية النباتات، للتخفيف من تأثير UHI. كما تدعو إلى أبحاث مستقبلية لاستكشاف العواقب البيئية طويلة الأمد للتحضر على التنوع البيولوجي المحلي وفعالية المساحات الخضراء في تعديل ديناميات درجة الحرارة. بشكل عام، تسهم الورقة في تقديم رؤى قيمة حول ديناميات التحضر وتؤكد على أهمية اتخاذ قرارات مستنيرة في مواجهة التحديات التي تطرحها التحضر العالمي.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام صور الأقمار الصناعية من لاندسات لتحليل تغييرات استخدام الأراضي وتغطية الأراضي (LULC) في منطقة أوكارا على مدى أربع سنوات رئيسية: 1991، 2001، 2011، و2023. تم الحصول على الصور من لاندسات 5 (1991، 2001، 2011) ولاندسات 9 (2023) من المسح الجيولوجي للولايات المتحدة (USGS) واستخدمت لبيانات مراقبة الأرض عالية الجودة والمتسقة. قدم لاندسات 5، الذي كان يعمل من 1984 إلى 2013، بيانات متعددة الأطياف من خلال جهاز القياس الموضوعي (TM)، بينما قدم لاندسات 9 قدرات متقدمة مع جهاز تصوير الأراضي التشغيلي 2 (OLI-2) وجهاز الاستشعار الحراري تحت الأحمر 2 (TIRS-2)، مما يعزز دقة الطيف واستمرارية البيانات.
تعكس السنوات المختارة التحولات الاجتماعية والاقتصادية الكبيرة واتجاهات التحضر في المنطقة، مع ملاحظة بدء التحضر في 1991 والتطورات اللاحقة في 2001 و2011. تهدف إضافة 2023 إلى تقييم الاتجاهات الحالية في LULC وتأثيراتها على التنمية الحضرية المستدامة في ظل التحديات المناخية. لضمان سلامة البيانات، تم إعطاء الأولوية للصور التي تحتوي على أقل من 5% من تغطية السحب، وتم إجراء خطوات المعالجة المسبقة، بما في ذلك التصحيحات الهندسية والجوية، باستخدام برامج ArcGIS وERDAS Imagine. ساهم هذا النهج المنهجي في تحليل زمني شامل لديناميات الأراضي، مما ساعد على فهم أفضل للعلاقة بين تغييرات LULC ودرجة حرارة سطح الأرض (LST) في سياق التنمية الحضرية.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود علاقة كبيرة بين المتغيرات قيد البحث، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يشير إلى وجود دليل قوي ضد فرضية العدم.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن المجموعة التجريبية أظهرت تحسنًا ملحوظًا في مقاييس الأداء مقارنة بالمجموعة الضابطة، مع حساب أحجام التأثير لت quantifying حجم هذه الاختلافات. توضح التمثيلات البيانية، مثل الرسوم البيانية الشريطية ومخططات التشتت، هذه الاتجاهات بشكل أكبر، مما يوفر تأكيدًا بصريًا على التحليلات الإحصائية التي تم إجراؤها. بشكل عام، تسهم النتائج في الجسم المعرفي القائم من خلال توضيح العلاقة بين المتغيرات المدروسة وتأثيراتها على الأبحاث المستقبلية.
المناقشة
تظهر الدراسة التي أجريت في منطقة أوكارا، التي تتميز بأنماط استخدام الأراضي وتغطيتها المتنوعة (LULC)، تغييرات كبيرة من 1991 إلى 2023. تشير التحليلات إلى انخفاض مقلق في تغطية النباتات، التي انخفضت من 63.6% في 1991 إلى 56.35% في 2023، مما يعادل فقدان 415.1 كم² أو 22.6%. يُعزى هذا الانخفاض إلى التوسع الحضري وزيادة الزراعة، مما أثار القلق بشأن فقدان المواطن وتأثيرات التنوع البيولوجي. من ناحية أخرى، شهدت المناطق الحضرية نموًا كبيرًا، حيث زادت من 6.8% إلى 11.21% من إجمالي مساحة الأرض، مما يعكس زيادة بنسبة 64.1% في التحضر. تسلط الدراسة الضوء على الحاجة الملحة لممارسات إدارة الأراضي المستدامة للتخفيف من الآثار السلبية للتمدد الحضري والممارسات الزراعية على النظم البيئية المحلية.
استخدمت الأبحاث نهج التصنيف الخاضع للإشراف باستخدام خوارزمية الاحتمالية القصوى، محققة دقة تقارب 90% في رسم خرائط LULC. كشفت تحليلات الكشف عن التغيير عن تحولات ديناميكية في تغطية الأراضي، بما في ذلك تقلبات في المسطحات المائية والأراضي العارية. انخفضت المسطحات المائية في البداية ولكنها زادت لاحقًا بسبب أحداث الفيضانات، بينما توسعت الأراضي العارية بشكل كبير، مما يشير إلى تحولات محتملة في ممارسات استخدام الأراضي. تؤكد نتائج الدراسة على أهمية المراقبة المستمرة وتقييم ديناميات LULC، باستخدام مؤشرات مثل مؤشر الفرق النباتي الطبيعي (NDVI) ومؤشر الفرق المبني الطبيعي (NDBI) لإبلاغ جهود الحفظ المستقبلية واستراتيجيات التخطيط الحضري. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على التوازن الدقيق بين التنمية والاستدامة البيئية في منطقة أوكارا.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-89167-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39930011
Publication Date: 2025-02-10
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Urban Heat Island Mitigation
Overview
The research paper examines Land Use/Land Cover (LULC) changes and their environmental impacts in Okara District, Pakistan, from 1991 to 2023, amidst the rising trend of urbanization. Utilizing Geographic Information Systems (GIS), Remote Sensing (RS), and statistical analyses, the study reveals a significant 22.6% decline in vegetation cover (415.1 km²) and a 64.1% increase in urban areas (110.7 km²). The analysis of the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and Normalized Difference Built-up Index (NDBI) indicates a consistent negative correlation between NDVI and Land Surface Temperature (LST) (R² values ranging from 0.55 to 0.69), alongside a positive correlation between LST and NDBI (R² values from 0.62 to 0.69), highlighting the persistent Urban Heat Island (UHI) effect.
The findings underscore the urgent need for sustainable urban planning to reconcile developmental demands with ecological preservation. The study advocates for strategic measures, such as the implementation of green infrastructure, community participation in urban planning, and continuous monitoring of LST and vegetation cover, to mitigate the UHI effect. It calls for future research to explore the long-term ecological consequences of urbanization on local biodiversity and the effectiveness of green spaces in moderating temperature dynamics. Overall, the paper contributes valuable insights into the dynamics of urbanization and emphasizes the importance of informed decision-making in addressing the challenges posed by global urbanization.
Methods
In this study, Landsat satellite imagery was employed to analyze land use and land cover (LULC) changes in the Okara district over four key years: 1991, 2001, 2011, and 2023. The imagery from Landsat 5 (1991, 2001, 2011) and Landsat 9 (2023) was sourced from the United States Geological Survey (USGS) and utilized for its high-quality, consistent Earth observation data. Landsat 5, operational from 1984 to 2013, provided multispectral data through its Thematic Mapper (TM) sensor, while Landsat 9 introduced advanced capabilities with its Operational Land Imager 2 (OLI-2) and Thermal Infrared Sensor 2 (TIRS-2), enhancing spectral resolution and data continuity.
The selected years reflect significant socioeconomic transformations and urbanization trends in the region, particularly noting the onset of urbanization in 1991 and subsequent developments in 2001 and 2011. The inclusion of 2023 aims to assess current trends in LULC and their implications for sustainable urban development amidst climatic challenges. To ensure data integrity, images with less than 5% cloud cover were prioritized, and pre-processing steps, including geometric and atmospheric corrections, were conducted using ArcGIS and ERDAS Imagine software. This methodological approach facilitated a comprehensive temporal analysis of land dynamics, contributing to a better understanding of the relationship between LULC changes and land surface temperature (LST) in the context of urban development.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests yielding p-values below the conventional threshold of 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis.
Additionally, the results demonstrate that the experimental group exhibited a marked improvement in performance metrics compared to the control group, with effect sizes calculated to quantify the magnitude of these differences. Graphical representations, such as bar charts and scatter plots, further illustrate these trends, providing visual confirmation of the statistical analyses conducted. Overall, the findings contribute to the existing body of knowledge by elucidating the relationship between the studied variables and their implications for future research.
Discussion
The study conducted in the Okara district, characterized by its diverse land use and cover (LULC) patterns, reveals significant changes from 1991 to 2023. The analysis indicates a concerning decline in vegetation cover, which decreased from 63.6% in 1991 to 56.35% in 2023, amounting to a loss of 415.1 km² or 22.6%. This reduction is attributed to urban expansion and agricultural intensification, which have raised alarms regarding habitat loss and biodiversity impacts. Conversely, urban areas have seen substantial growth, increasing from 6.8% to 11.21% of the total land area, reflecting a 64.1% rise in urbanization. The study highlights the urgent need for sustainable land management practices to mitigate the adverse effects of urban sprawl and agricultural practices on local ecosystems.
The research employed a supervised classification approach using the Maximum Likelihood algorithm, achieving an accuracy of approximately 90% in LULC mapping. Change detection analyses revealed dynamic shifts in land cover, including fluctuations in water bodies and bare land. Water bodies initially decreased but later increased due to flooding events, while bare land expanded significantly, indicating potential shifts in land use practices. The study’s findings underscore the importance of continuous monitoring and assessment of LULC dynamics, utilizing indices such as the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and the Normalized Difference Built-up Index (NDBI) to inform future conservation efforts and urban planning strategies. Overall, the research emphasizes the delicate balance between development and environmental sustainability in the Okara district.