Многовременное моделирование и симуляция сложной динамики городских водно-болотных угодий: пример Боготы, Колумбия

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9374 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Городские водно-болотные угодья имеют важное значение для долгосрочного здоровья и благополучия городов. Признанные богатыми биоразнообразием и высокопродуктивными экосистемами, они предоставляют экосистемные услуги, представленные в таких аспектах, как очистка воздуха, регулирование городского климата, физическое и психическое здоровье, отдых и созерцание, а также широкий спектр других товаров и услуг, качество которых зависит от качества окружающей среды. во многом зависит жизнь жителей крупных городов, таких как Богота. Мы использовали клеточные автоматы для моделирования изменений городских водно-болотных угодий в Боготе, Колумбия. В исследовании применялась совмещенная модель моделирования землепользования Маркова и будущего (FLUS) для моделирования и анализа изменений землепользования/земного покрова (LULC) за 20 лет. Сначала мы использовали ортофотоплан (1998 г.) и два спутниковых изображения WorldView-2 (2004 и 2010 гг.) для обнаружения изменений земного покрова. Затем, используя модуль искусственной нейронной сети FLUS, мы рассчитали взаимосвязи между классами земель и связанными с ними факторами и оценили вероятность появления каждого класса земель. Наконец, мы применили анализ интенсивности для изучения наблюдаемых и прогнозируемых изменений LULC (1998–2034 гг.). Результаты показывают, что увеличение площадей посевов и пастбищ происходит за счет водно-болотных угодий. Кроме того, результаты моделирования показывают, что в 2034 году водно-болотные угодья, вероятно, будут составлять менее 2% от общей площади исследования, что представляет собой сокращение на 14% за 24 года. Важность этого проекта заключается в его потенциальном вкладе в процесс принятия решений в городе и в качестве инструмента управления природными ресурсами. Кроме того, результаты этого исследования могут способствовать достижению цели 6 устойчивого развития Организации Объединенных Наций «Чистая вода и санитария» и смягчению последствий изменения климата.

Городские водно-болотные угодья, расположенные внутри и вокруг городов или их пригородов1, уникальны и играют незаменимую роль в благополучии городской территории. Они предлагают множество экосистемных услуг, таких как водоснабжение, очистка воды, уменьшение эффекта городского острова тепла, обеспечение среды обитания для важнейших видов растений и животных, регулирование наводнений и возможности для отдыха2,3. Однако эти экосистемы сталкиваются с такими угрозами, как загрязнение сточными водами, изменение водных режимов, снижение гидрологических функций, потеря среды обитания и биоразнообразия или изменение климата, а также потери из-за изменений в землепользовании4. Более того, в предыдущие десятилетия отдельные лица и общества игнорировали ценность водно-болотных угодий5, заполняя их бытовыми и строительными отходами и рассматривая их как источник опасности. Например, в Боготе площадь водно-болотных угодий в 1940-х годах составляла 50 000 га, а сегодня она составляет всего 901 га6,7,8.

В 1950 году 70% населения мира проживало в сельской местности, но только до 2007 года городское население превысило это число9. С тех пор городское население продолжает расти, и, по оценкам Организации Объединенных Наций, к 2050 году оно увеличится до 68%9. Рост городов увеличивает нагрузку на окружающую среду, особенно в городских центрах и вокруг них10. Латинская Америка и Карибский бассейн относятся к числу наиболее урбанизированных регионов мира, где почти 81% жителей проживают в городах11. В Колумбии в 60-е и 70-е годы ХХ века рост городов стимулировался главным образом миграцией из сельской местности в города из-за насилия12. С конца 1950-х годов город Богота значительно разросся и распространился на запад, достигнув сегодня реки Богота. По мере развития и роста городов охраняемые водно-болотные угодья, которые когда-то находились на периферии или в сельской местности, поглощаются городом, теряя свои экологические качества10. Таким образом, сохранение и защита этих экосистем имеет решающее значение, поскольку им присуща роль мониторинга глобальных изменений и управления адаптацией человека к меняющемуся миру9.

Чтобы сохранить и восстановить городские водно-болотные угодья, исследования изменений в городских водно-болотных угодьях набирают обороты с 2000-х годов, и исследователи анализируют в основном исторические изменения в их ландшафтных моделях и экологических функциях. Для оценки изменений в этих экосистемах применялись полевые исследования, данные дистанционного зондирования, географические информационные системы (ГИС) и подходы к научному моделированию сложности5,7,13,14,15,16,17,18,19. Сложные взаимодействия и взаимоотношения между компонентами окружающей среды, которые определяют формирование и регулирование водно-болотных угодий, требуют методологических подходов для обнаружения и анализа изменений водно-болотных угодий в пространственных и временных масштабах в сложных городских ландшафтах. Модели изменения земельного покрова (LULC) с использованием клеточных автоматов (CA) все чаще используются для изучения динамики изменения земель. Они считаются основой для решений государственной политики, направленных на содействие защите экосистем и управлению ими20.