Evaluation of the biodiversity in sustainable development using GIS

Abstract

Biodiversity (BD), which is variability of living organisms, needs our attention for two reasons. First, it proffers a wide range of indirect benefits to humans. Second, human activities have contributed, and still contribute to unparalleled speeds of biodiversity loss, which warn the permanence and stability of ecosystems, as well as their stipulation of goods and services to humans. Sustainable development (SD) is focused on developing a commonly valued relationship between society, economic development and the environment. In general, the ecologically sustainable economic development "calls for an economic development within the limits imposed by the natural system, or at least within the limits imposed by the maintenance on the biological basis of human beings". The absence of such an approach, connecting SD and BD using GIS, leads to the following results. First, difficult approaches, i.e. Fuzzy Logic (FL), Significance-Acceptability Transformation (SAT) and Fuzzy Analytic Network Process (FANP) are applied to assess SD. Second, the concept of Biodiversity is approached mainly through valuation methods. Lastly, evaluation of biodiversity using GIS as a tool is not considered an easy assignment. It is obvious from prior mentioned approaches that the following tools are necessary. A comfortable approach is wanted to evaluate SD. A composite sustainable development index (CSDI) assesses performance as a function of time. Furthermore, the concept of BD from environmental economics is applied while retrieving and manipulating Remote Sensing (RS) data as an input of environmental indicators to the CSDI. Therefore, the main goal of the current thesis is to evaluate Biodiversity in Sustainable Development using the Geographic Information Systems (GIS) and Remote Sensing. The approach to solve the aforementioned aim is to calculate Composite Sustainable Development Indices with a time series which constitute a sequence of observations in time of 10 years. The procedure of calculating the CSDI is divided into several parts selecting, grouping, weighting, judging, normalizing indicators, calculating sub-indices and combining them into the CSDI. While constructing the current thesis, theoretical and practical approaches have been met and overlap the information pyramid. In theory, the information pyramid indicates that a very large set of primary data is needed to obtain certain analyzed data. For this reason, hundreds of articles have been reviewed. Several indicators have been recollected for six (6) themes of each dimension, i.e. Social (S) Population (S1), Social Conditions (S2), Knowledge & Wisdom (S3), Health (S4), Political Conditions (S5), Transport (S6), Economic (EC) Investment (EC1), Standard of Living (EC2), Production & Consumption (EC3), Agriculture (EC4), Industry (EC5), Tourism (EC6), Environmental (EN) Land & Soil (EN1), Water (EN2), Air (EN3), Biodiversity (EN4), Climate Change & Energy (EN5), Nature (EN6). In reality, this pyramid is inverted a large number of indicators and indices are in fact generated from limited data. The Social, i.e. Population (S1) and Economic, Agricultural Goods (EC3), Agriculture (EC4), Industry (EC5), Tourism (EC6) data are taken from the Hellenic Statistical Authorities Arising from the nonexistence of environmental statistical data for the particular region of Athens, i.e. Nea Makri, EN data were derived from RS data Landsat ETM+ images were co-registered while associated with 30 GCP points. The RMSerror for all images were between 0 and 1 and was accepted as a pass level. To remove noises from the images, automatic periodic noise removal was implemented in each image. Afterwards, georeferenced images to the map were carried out. The raw NDVI values were fractional real numbers that range between -0.32 to +0.35 Classification of Landsat TM and ETM was exhibited using ER Mapper 7 software Classified RS data were inputs into the Fragstat 3.3 program, where the outputs were a class or landscape metrics classified into 6 main groups Area/Density/Edge, Shape, Isolation Proximity, Connectivity, Contagion Interspersion, Diversity. The concept of Biodiversity is presented in the General Model for and an interesting interlink with the Proposed Model with Dimensions, Themes and Indicators for Sustainable Development, which has the following indication Ecosystem = Dimensions (S, EC, EN), Species = Themes (S1-S6, EC1-EC6, EN1-EN6), Genes = Indicators organized by themes, Functions = Interactions between Dimensions, Themes and Indicators. The same idea of Biodiversity is used in the Fragstat program as follows Ecosystem = Landscape Level, Species = Class Level, Genes = Patch Level, Functions = Interactions between Landscape, Class and Patch Levels. To derive the weights practically, the Analytic Hierarchy Process (ΑΗΡ) was used in the model. The first step is setting the problem as a hierarchy, where the topmost node is the overall objective of the decision, while subsequent nodes at lower levels consist of the criteria used in arriving at this decision. The second step requires pairwise comparisons to make between each pair of indicators, by giving to each indicator the values of 1 to 5. Normalization is utilized to avoid the redundancy, to achieve consistency, to reduce data size and to standardize values of each indicator. The normalization of each indicator is a fraction of its value minus the minimum value of the range to the maximum value of the range minus the minimum value of the range. The calculation of the CSDI is a step-by-step procedure of grouping versatile fundamental indicators into the sustainability sub-index (S, EC, EN) for each group of sustainability indicators. Each sub-index summed up of the multiplication of each value of indicator with the weight correspondingly for the time series of 10 years as complied. The social sustainability sub-index is introduced as a population theme. The economic sustainability sub-index is comprised of four extant themes, i.e. EC3 (Agricultural Goods), EC4 (Agriculture), EC5 (Industry) and EC6 (Tourism). The environmental sustainability sub-index is constituted from one (1) Landscape Level and three (3) Class Levels, i.e. Class 1 (Sparse Vegetation), Class 2 (Medium Vegetation) and Class 3 (Dense Vegetation). Three sustainability aforesaid sub-indices with the resembling weights, i.e., 1/3 value per each dimension, are added up into the composite sustainable development index.

Η Βιοποικιλότητα (Biodiversity - BD), η οποία είναι η ποικιλομορφία των ζωντανών οργανισμών, χρειάζεται την προσοχή μας για δυο λογούς. Ο πρώτος λόγος είναι πως προσφέρει ένα ευρύ φάσμα έμμεσων ωφελειών στους ανθρώπους. Ο δεύτερος λόγος είναι πως οι ανθρώπινες δραστηριότητες έχουν συμβάλει και εξακολουθούν να συμβάλλουν, σε μια πρωτοφανή ταχύτητα απώλειας της βιοποικιλότητας, και απειλούν τη μονιμότητα και σταθερότητα των οικοσυστημάτων, καθώς και τη διάθεση των αγαθών και υπηρεσιών για τους ανθρώπους. Η Βιώσιμη ανάπτυξη (Sustainable Development - SD) επικεντρώνεται στην δημιουργία μιας κοινά πολύτιμης σχέσης μεταξύ της κοινωνίας των πολιτών, της οικονομικής ανάπτυξης και του περιβάλλοντος. Σε γενικές γραμμές, η οικολογικά βιώσιμη οικονομική ανάπτυξη «απευθύνει έκκληση για την οικονομική ανάπτυξη εντός των ορίων που επιβάλλονται από το φυσικό σύστημα, ή τουλάχιστον εντός των ορίων που επιβάλλει η συντήρηση της βιολογικής βάσης των ανθρωπίνων όντων». Η απουσία μιας τέτοιας προσέγγισης που να συνδέει τα SD και BD με χρήση των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (Γ Σ Π ) οδηγεί στα ακολούθα αποτελέσματα. Πρώτον σε περίπλοκες προσεγγίσεις όπως για παράδειγμα η Συγκεχυμένη Λογική (Fuzzy Logic - FL), Σπουδαιότητα-Αποδεκτικότητα-Μετασχηματισμός (Significance-Acceptability Transformation SAT) και Συγκεχυμένη Αναλυτική Δικτυακή Διαδικασία (Fuzzy Analytic Network Process FANP), που εφαρμόζονται για την αξιολόγηση του SD. Δεύτερον, η έννοια της Βιοποικιλότητας προσεγγίζεται κυρίως μέσω μεθόδων αξιολόγησης. Τέλος, η αξιολόγηση της βιοποικιλότητας με χρήση των Γ Σ Π ως εργαλείο δεν θεωρείται εύκολος στόχος. Είναι προφανές από τις προηγούμενες αναφερθείσες προσεγγίσεις ότι είναι απαραίτητα τα ακολούθα εργαλεία. Μια ασφαλής προσέγγιση είναι απαραίτητη για την αξιολόγηση της βιώσιμης ανάπτυξης. Ο Δείκτης Συνθέτης Βιώσιμης Ανάπτυξης (Composite Sustainable Development Index - CSDI) αξιολογεί τις επιδόσεις ως συνάρτηση του χρόνου. Λαμβάνεται υπόψη η εξέταση για την ενσωμάτωση δεικτών για τον καθορισμό της βιώσιμης ανάπτυξης με σχετικούς και χρήσιμους τρόπους για τη λήψη αποφάσεων. Η καθοδήγηση της βιώσιμης ανάπτυξης προς την ανάπτυξη ενός συγκεκριμένου προτύπου για την προώθηση και τη μέτρηση των επιτευγμάτων της βιώσιμης ανάπτυξης. Η αξιολόγηση της βιωσιμότητας διερευνάται από την άποψη της οικονομικής, περιβαλλοντικής, και κοινωνικής απόδοσης. Επιπλέον, η έννοια της βιοποικιλότητας από την περιβαλλοντική οικονομία εφαρμόζεται με την ανάκτηση και διαχείριση των στοιχείων τηλεπισκόπησης ως συμβολή των περιβαλλοντικών δεικτών στο βιώσιμο μοντέλο ανάπτυξης. Επιπλέον, οι αρχές της Βιοποικιλότητας από οικολογική και οικονομική σκοπιά εφαρμόζονται κατά την πρόσκτηση και επεξεργασία Δεδομένων Τηλεπισκόπησης, τα οποία και αξιοποιούνται ως περιβαλλοντικοί δείκτες στο CSDSI. Ως εκ τούτου, ο κύριος σκοπός της τρέχουσας διατριβής είναι να αξιολογηθεί η βιοποικιλότητα στη βιώσιμη ανάπτυξη χρησιμοποιώντας τα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών (Γ Σ Π ) και την Τηλεπισκόπηση. Η προσέγγιση για να λυθεί το προαναφερθέν πρόβλημα είναι να υπολογιστούν οι Σύνθετοι Δείκτες Βιώσιμης Ανάπτυξης (Composite Sustainable Development Indices - CSDI) με μια χρονική σειρά που αποτελεί ακολουθία παρατηρήσεων σε χρόνο 10 ετών. Η διαδικασία της μέτρησης του CSDI διαιρείται σε διάφορα μέρη επιλογή, ομαδοποίηση, στάθμιση, εκτίμηση, ομαλοποίηση των δεικτών, υπολογισμό των υπο-δεικτών και συνδυασμό τους στο CSDI. Συντάσσοντας την τρέχουσα διατριβή, οι θεωρητικές και πρακτικές προσεγγίσεις έχουν συναντηθεί και συμπίπτουν με την πυραμίδα πληροφοριών. Θεωρητικά, η πυραμίδα πληροφοριών δείχνει ότι ένα πολύ μεγάλο σύνολο πρωτογενών δεδομένων απαιτείται για να έχουμε συγκεκριμένα αναλυθέντα στοιχεία. Για αυτόν τον λόγο εκατοντάδες άρθρα έχουν μελετηθεί. Διάφοροι δείκτες έχουν συλλέγει για έξι (6) θέματα κάθε διάστασης, δηλαδή Κοινωνική (S), Πληθυσμός (S1), Κοινωνικές Συνθήκες (S2), Γνώση και Σόφια (S3), Υγεία (S4), Πολιτικές Συνθήκες (S5), Μεταφορά (S6) Οικονομική (EC) Επενδύσεις (EC1), Βιοτικό Επίπεδο (EC2), Παράγωγη & Κατανάλωση (EC3), Γεωργία (EC4), Βιομηχανία (EC5), Τουρισμός (EC6) Περιβάλλον (ΕΝ) Δόμηση & Εδαφος (ΕΝ1), Νερό (ΕΝ2), Αέρας (ΕΝ3), Βιοποικιλότητα (ΕΝ4), Κλιματική Αλλαγή και Ενέργεια (ΕΝ5), Φύση (ΕΝ6). Στην πραγματικότητα η πυραμίδα αυτή των δεδομένων είναι ανεστραμμένη. Μεγάλος αριθμός δεικτών δημιουργούνται στην πραγματικότητα από περιορισμένα στοιχεία δεδομένα. Τα Κοινωνικά δεδομένα, δηλαδή Πληθυσμός (S1), και Οικονομικά, Γεωργικά Αγαθά (EC3), Γεωργία (EC4), Βιομηχανία (EC5), Τουρισμός (EC6), λαμβάνονται από τις Ελληνικές Στατιστικές Αρχές. Λόγω μη ύπαρξης περιβαλλοντικών στατιστικών στοιχείων για τη συγκεκριμένη περιοχή της Αθήνας, δηλαδή, του δήμου Νέας Μάκρης, τα Περιβαλλοντικά (ΕΝ) στοιχεία προέκυψαν από τα στοιχεία τηλεπισκόπησης Landsat TM και ΕΤΜ+ εικόνες καταχωρήθηκαν μαζί ενώ παράλληλα συσχετίστηκαν με 30 σημεία GCP. To RMS λάθος για όλες τις εικόνες ήταν μεταξύ 0 και 1 και θεωρήθηκε επίπεδο αποδεκτό. Για να αφαιρεθούν θόρυβοι από τις εικόνες, εφαρμόστηκε σε κάθε εικόνα αυτόματη περιοδική αφαίρεση θορύβου. Κατόπιν, έγιναν γεω-αναφερόμενες εικόνες στο χάρτη. Οι ακατέργαστες τιμές NDVI ήταν κλασματικοί πραγματικοί αριθμοί που κυμαίνονται μεταξύ -0.32 έως +0.35. Η ταξινόμηση Landsat TM και ΕΤΜ+ εκτέθηκε χρησιμοποιώντας το λογισμικό Mapper 7 του ER. Τα ταξινομημένα δεδομένα Τηλεπισκόπησης εισήχθησαν στο πρόγραμμα Fragstat 3.3, όπου τα αποτελέσματα ταξινομήθηκαν με βάση τα χαρακτηριστικά Περιοχή/Πυκνότητα/Άκρο σε 6 κυρίες ομάδες Περιοχή/Πυκνότητα/Άκρη, Μορφή, Εγγύτητα Απομόνωσης, Σύνδεση, Μεταδοτικότητα, Ποικιλομορφία. Η έννοια της Βιοποικιλότητας παρουσιάζεται στο Γενικό Μοντέλο και σε ενδιαφέρουσα διασύνδεση με το Προτεινόμενο Μοντέλο με Διαστάσεις, Θέματα και Δείκτες για Βιώσιμη Ανάπτυξη, η οποία έχει την ακόλουθη ένδειξη Οικοσύστημα = Διαστάσεις (S, EC & ΕΝ), Είδη = Θέματα (S1- S6, EC1-EC6 & ΕΝ1-ΕΝ6), Γονίδια = Δείκτες που Οργανώνονται από τα Θέματα, Λειτουργίες = Αλληλεπιδράσεις μεταξύ Διαστάσεων, Θεμάτων, και Δεικτών. Η ίδια ιδέα της Βιοποικιλότητας χρησιμοποιείται στο πρόγραμμα Fragstat ως έξης Οικοσύστημα = Επίπεδο Τοπίων, Είδη = Επίπεδο Κατηγορίας, Γονίδια = Επίπεδο Διόρθωσης, Λειτουργίες = Αλληλεπιδράσεις μεταξύ των Δεικτών Επίπεδων Τοπίων, Κατηγορίας και Διορθώσεων. Για να παραχθούν τα βάρη στην πράξη, χρησιμοποιήθηκε στο μοντέλο η Αναλυτική Ιεραρχία Πορείας (Analytic Hierarchy Process - ΑΗΡ). To πρώτο βήμα θέτει το πρόβλημα της ιεραρχίας, όπου ο κορυφαίος κόμβος είναι ο γενικός στόχος της απόφασης, ενώ οι επόμενοι κόμβοι σε χαμηλότερα επίπεδα αποτελούνται από τα κριτήρια που χρησιμοποιούνται για να οδηγηθούμε στην παρούσα απόφαση. Το δεύτερο στάδιο απαιτεί συγκρίσεις μεταξύ κάθε ζεύγους των δεικτών, δίνοντας σε κάθε δείκτη τιμή από 1 έως 5. Χρησιμοποιείται κανονικοποίηση για να αποφευχθεί ο πλεονασμός, να επιτευχθεί συνέπεια, να μειωθεί το μέγεθος στοιχείων και για να τυποποιηθούν οι τιμές κάθε δείκτη. Η κανονικοποιημένη τιμή κάθε δείκτη είναι μέρος της αξίας του μείον την ελάχιστη αξία της σειράς στη μέγιστη αξία της σειράς μείον την ελάχιστη αξία της σειράς. Ο υπολογισμός του CSDI είναι μια βήμα-προς-βήμα διαδικασία ομαδοποίησης των ευπροσάρμοστων θεμελιωδών δεικτών στον υπο-δείκτη βιωσιμότητας (S, EC, ΕΝ) για κάθε ομάδα δεικτών βιωσιμότητας Κάθε υπο-δείκτης συνοψίζει τον πολλαπλασιασμό κάθε αξίας του δείκτη με το βάρος αντίστοιχα για τη χρονική σειρά 10 ετών. Ο υπο-δείκτης κοινωνικής βιωσιμότητας εισάγεται ως θέμα πληθυσμού. Ο υπο-δείκτης κοινωνικής βιωσιμότητας αποτελείται από τέσσερα υπάρχοντα θέματα, δηλ. EC3 (Γεωργικά Αγαθά), EC4 (Γεωργία), EC5 (Βιομηχανία) και EC6 (Τουρισμός). Ο υπο-δείκτης περιβαλλοντικής βιωσιμότητας αποτελείται από ένα (1) Επίπεδο Τοπίου και τρία (3) Επίπεδα Κατηγορίας, δηλ. , την κατηγορία 1 (Αραιή Βλάστηση), την Κατηγορία 2 (Μέση Βλάστηση) και την Κατηγορία 3 (Πυκνή Βλάστηση). Τρεις προαναφερθέντες υπο-δείκτες Βιωσιμότητας με τα παρεμφερή βάρη, δηλ. , 1/3 αξίας για κάθε διάσταση, προστίθενται στο σύνθετο δείκτη βιώσιμης ανάπτυξης.