Semi-automatic land cover classification and urban modelling based on morphological features : remote sensing, geographical information systems, and urban morphology : defining models of land occupation along the Mediterranean side of Spain

Abstract

From a global point of view, as argued by Levy (1999), the modern city has undergone radical changes in its physical form, either in terms of territorial expansion as well as in terms of interna! physical transformations. Today, approximately 75% of the European population lives in urban areas ,which makes the urban fulure of the conlinent a major cause of concern (Brazil, Cavalcanti, & Longo, 2014). lndeed, the demand for urban land, both within and around the cities, is becoming increasingly acule (European Environmenl Agency, 2006). Ouring the last decades, also Spain has been undergoing an important process of urban growth, which has implied the consumption of a large amounl of land, al hough the overall population growth rale, mostly along certain specific geographic areas, has remained at least unchanged or even, in sorne cases, il has also decreased. Such a phenomenon has been quite remarkable along the Mediterranean side. As argued by Gaja (2008), the urban development in Spain has been strongly linked to the model of economic development , which relies, since its launch in the 50's, onlhree main factors , i.e.:emigration, building, and mass tourism. Nowadays , in Spain, and mostly along the Medilerranean side, several urban areas are facing important phenomena of urban sprawl, also feared by he European Union. An accurate information about the pattern of land use/land cover, over time, is a fundamental requirement for a better understanding of the urban models. Currently, even though plenty of approaches to the image classification, through Remote Sensing (RS) techniques, have been advanced, Land Cover/Land Use classification is still an exciting challenge (Weng, 2010). Actually, the increasing development of RS and GIS technologies, during the last decades, has provided further capabiliies for measuring, analysing, understanding, modelling the "physical expressions" of urban growth phenomena, either in terms of pattern and process (Bhatta, 2012), and based on land use/land cover mapping and change delection over time. Based on such a technological approach, here we first aim to set up a suitable methodology for detecting generalized land cover classes based on an assisted automatic (or semi-aulomatic) pixel-based approach, calibrated upon Landsat Thematic Mapper (TM) mullispectral imagery, at 30 meters of spatial resolution. Beside, through the use of Geographical lnformation Syslem (GIS) we provide a spatial analysis and modelling of different urban models, from a morphological standpoint, in order to define the main pattern of land occupation al municipal scale, and along the Mediterranean side of Spain, al the year 2011. We focus on two main issues. On one hand, RS techniques have been used to set up a proper semi-automatic classification methodology, based on the use of Landsat imagery, capable of handling huge geographical areas quickly and efficiently. This process is basically aimed to detect the urban areas, at the year 2011, along the Mediterranean side of Spain, depending on the administrative division of Autonomous Communities. On the other hand, the spatial patterns of urban settlements have been analysed by using a GIS platform for quantifying a set of spatial metrics about the urban form. Hence, once get the quantification of different morphological features, including the analysis aboul either the urban profile, the urban texture, and the street network pattern, an automatic classification of different urban morphological models has been proposed, based on a stalistical approaches, namely factor and cluster analysis

Desde un punto de vista global,como sostiene Levy (1999), la ciudad moderna ha experimentado cambios radicales en su forma física, ya sea en términos de expansión territorial, así como en términos de transformaci ones internas. Hoy en día, aproximadamente el 75% de la población europea vive en zonas urbanas, lo que hace del futuro urbano delcontinente, una causa importante de preocupación (Brasil, Cavalcanti, y Longo, 2014). De hecho, la demanda de suelo urbano, dentro y alrededor de las ciudades , es cada vez más aguda (Agencia Europea de Medio Ambiente,2006). Durante las últimas décadas, también España ha experimentado un importante proceso de crecimiento urbano que ha implicado el consumo de una gran cantidad de tierra, aunque la tasa de crecimiento de la población en general, sobre todo a lo largo de ciertas áreas geográficas específicas , se ha mantenido al menos sin cambios o incluso, en algunos casos, también ha disminuido. Este fenómeno ha sido muy evidente a lo largo de la vertiente mediterránea. Como sostiene Gaja (2008), el desarrollo urbano en España se ha visto fuertemente vinculado con el modelo de desarrollo económico, que se basa, desde su lanzamiento en la década de los 50,en tres factores principales, a saber: la emigración, la construcción y el turismo de masas. Hoy en día, en España, y sobre todo a lo largo de la vertiente mediterránea, varias zonas urbanas se enfrentan a fenómenos importantes de expansión urbana, también temidos por la Unión Europea. Al respecto,un requisito fundamental para mejorar la comprensión y el estudio de los modelos urbanos es obtener en eltiempo una información precisa sobre los patrones de cubiertas y uso de suelo. Actualmente, a pesar de la existencia de numerosos métodos para la clasificación de imágenes digitales a través de técnicas de teledetección, para ext raer información sobre cobertura/uso de suelo, este enfoque sigue siendo un reto apasionante (Weng, 2010). El creciente desarrollo de las tecnologías de RS y GIS, durante las últimas décadas, ha proporcionado nuevas capacidades para medir, analizar, comprender, y modelar las "expresiones físicas" de los fenómenos de crecimiento urbano, en términos de patrones y procesos (Bhatta, 2012), y con base en el mapeo y análisis de cambios de cobertura/uso de suelo a través el tiempo. Basándose en un enfoque tecnológico, el primero objetivo es establecer una metodología adecuada para la detección de clases de cobertura de la tierra generalizadas que encuentra su fundamento en una asistido automático (o semiautomático), enfoque basado en píxeles, calibradas en Landsat Thematic Mapper (TM) imágenes multiespectrales, a 30 metros de resolución espacial. Al lado, a través del uso del Sistema de Información Geográfica (SIG), es posible proveer un análisis espacial y la modelización de diferentes modelos urbanos, desde un punto de vista morfológico, con el fin de definir el patrón principal de la ocupación del suelo a escala municipal a lo largo de la vertiente mediterránea de España, en el año 2011. En particular no enfocamos en dos cuestiones principales. Por un lado, las técnicas de RS se han utilizado para establecer una metodología de clasificación semi-automático adecuada, basada en el uso de imágenes Landsat, capaz de manejar grandes zonas geográficas de forma rápida y eficiente. Este proceso, básicamente, va dirigido a detectar las áreas urbanas, en el año 2011, a lo largo de la vertiente mediterránea de España, según la división administrativa de las Comunidades Autónomas. Por otro lado, los patrones espaciales de asentamientos urbanos han sido analizados mediante el uso de una plataforma GIS para cuantificar un conjunto de métricas espaciales sobre la forma urbana. Finalmente, una vez obtenida la cuantificación de diferentes características morfológicas, se ha proporcionado una clasificación automática de los diferentes modelos morfológicos urbanos, basada en un enfoque estadístico, es decir, análisis factorial y clúster.