Published April 22, 2024 | Version v1
Publication Open

Investigation of changes in land use/land cover using principal component analysis and supervised classification from operational land imager satellite data: a case study of under developed regions, Pakistan

Creators

  • 1. Jiangsu University
  • 2. Southeast University
  • 3. Bahauddin Zakariya University
  • 4. Abdelmalek Essaâdi University
  • 5. Taibah University
  • 6. COMSATS University Islamabad
  • 7. Begum Rokeya University
  • 8. Qassim University

Description

Abstract Monitoring and understanding Land Use/Land Cover (LU/LC) is critical for sustainable development, as it can impact various environmental, social, and economic systems. For example, deforestation and land degradation can lead to soil erosion, loss of biodiversity, and greenhouse gas emissions, affecting the quality of soil, air, and water resources. The present research examined changes in (LU/LC) within the underdeveloped regions of Balochistan and Sindh provinces, which are situated in Pakistan. In order to monitor temporal variations of LU/LC, we employed Geographic Information System (GIS) technique, to conduct an analysis of satellite imagery obtained from the Landsat 8 Operational Land Imager (OLI) during the time period spanning from 2013 to 2023. In order to obtain an accurate LU/LC classification, we used principal component analysis (PCA) and a supervised classification approach using the maximum likelihood algorithm (MLC). According to the results of our study, there was a decrease in the extent of water bodies (− 593.24 km 2 ) and vegetation (− 68.50 km 2 ) by − 3.43% and − 0.40% respectively. In contrast, the area occupied by settlements in the investigated region had a 2.23% rise, reaching a total of 385.66 square kilometers. Similarly, the extent of barren land also expanded by 1.60%, encompassing a total area of 276.04 square kilometers, during the course of the last decade. The overall accuracy (94.25% and 95.75%) and K value (91.75% and 93.50%) were achieved during the year 2013 and 2023 respectively. The enhancement of agricultural output in Pakistan is of utmost importance in order to improve the income of farmers, mitigate food scarcity, stimulate economic growth, and facilitate the expansion of exports. To enhance agricultural productivity, it is recommended that the government undertake targeted initiatives that aimed at enhancing water infrastructure and optimizing land use to foster a sustainable ecological framework. Integrating the sustainable ecological framework provides a foundation for informed decision-making and effective resource management. By identifying areas of urban expansion, agricultural intensification, or alterations in natural LU/LC, stakeholders can design targeted conservation strategies, mitigating potential environmental degradation and promoting biodiversity conservation. In conclusion, the integration of GIS and Remote Sensing (RS) may effectively facilitate the monitoring of land use patterns over a period of time. This combined approach offers valuable insights and recommendations for the judicious and optimal management of land resources, as well as informing policy decisions.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يعد رصد وفهم استخدام الأراضي/الغطاء الأرضي أمرًا بالغ الأهمية للتنمية المستدامة، حيث يمكن أن يؤثر على مختلف النظم البيئية والاجتماعية والاقتصادية. على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي إزالة الغابات وتدهور الأراضي إلى تآكل التربة وفقدان التنوع البيولوجي وانبعاثات غازات الدفيئة، مما يؤثر على جودة التربة والهواء والموارد المائية. بحث هذا البحث التغيرات في (LU/LC) داخل المناطق المتخلفة في مقاطعتي بلوشستان والسند، اللتين تقعان في باكستان. من أجل مراقبة الاختلافات الزمنية في LU/LC، استخدمنا تقنية نظام المعلومات الجغرافية (GIS)، لإجراء تحليل لصور الأقمار الصناعية التي تم الحصول عليها من Landsat 8 Operational Land Imager (OLI) خلال الفترة الزمنية الممتدة من 2013 إلى 2023. من أجل الحصول على تصنيف LU/LC دقيق، استخدمنا تحليل المكونات الرئيسية (PCA) ونهج التصنيف الخاضع للإشراف باستخدام خوارزمية الاحتمال الأقصى (MLC). وفقًا لنتائج دراستنا، كان هناك انخفاض في مدى المسطحات المائية (-593.24 كم 2) والغطاء النباتي (-68.50 كم 2 ) بنسبة - 3.43 ٪ و - 0.40 ٪ على التوالي. في المقابل، ارتفعت المساحة التي تحتلها المستوطنات في المنطقة التي تم التحقيق فيها بنسبة 2.23 ٪، لتصل إلى ما مجموعه 385.66 كيلومتر مربع. وبالمثل، اتسع نطاق الأراضي القاحلة أيضًا بنسبة 1.60 ٪، لتشمل مساحة إجمالية قدرها 276.04 كيلومتر مربع، خلال العقد الماضي. تم تحقيق الدقة الإجمالية (94.25 ٪ و 95.75 ٪) وقيمة K (91.75 ٪ و 93.50 ٪) خلال عامي 2013 و 2023 على التوالي. إن تعزيز الإنتاج الزراعي في باكستان له أهمية قصوى من أجل تحسين دخل المزارعين، والتخفيف من ندرة الغذاء، وتحفيز النمو الاقتصادي، وتسهيل التوسع في الصادرات. لتعزيز الإنتاجية الزراعية، يوصى بأن تتخذ الحكومة مبادرات مستهدفة تهدف إلى تعزيز البنية التحتية للمياه وتحسين استخدام الأراضي لتعزيز إطار إيكولوجي مستدام. يوفر دمج الإطار البيئي المستدام أساسًا لاتخاذ قرارات مستنيرة وإدارة فعالة للموارد. من خلال تحديد مناطق التوسع الحضري أو التكثيف الزراعي أو التغييرات في استخدام الأراضي/المحتوى المحلي الطبيعي، يمكن لأصحاب المصلحة تصميم استراتيجيات الحفظ المستهدفة، والتخفيف من التدهور البيئي المحتمل وتعزيز الحفاظ على التنوع البيولوجي. في الختام، قد يؤدي دمج نظم المعلومات الجغرافية والاستشعار عن بعد (RS) إلى تسهيل مراقبة أنماط استخدام الأراضي بشكل فعال على مدى فترة زمنية. يقدم هذا النهج المشترك رؤى وتوصيات قيمة للإدارة الحكيمة والأمثل لموارد الأراضي، بالإضافة إلى قرارات السياسة المستنيرة.

Translated Description (French)

Résumé Le suivi et la compréhension de l'utilisation des terres/de la couverture terrestre (UT/CT) sont essentiels au développement durable, car ils peuvent avoir un impact sur divers systèmes environnementaux, sociaux et économiques. Par exemple, la déforestation et la dégradation des terres peuvent entraîner l'érosion des sols, la perte de biodiversité et les émissions de gaz à effet de serre, affectant la qualité des sols, de l'air et des ressources en eau. La présente recherche a examiné les changements (LU/LC) dans les régions sous-développées des provinces du Baloutchistan et du Sindh, situées au Pakistan. Afin de surveiller les variations temporelles de LU/LC, nous avons utilisé la technique du système d'information géographique (SIG) pour effectuer une analyse de l'imagerie satellitaire obtenue à partir de l'imageur terrestre opérationnel (OLI) Landsat 8 au cours de la période allant de 2013 à 2023. Afin d'obtenir une classification LU/LC précise, nous avons utilisé l'analyse en composantes principales (ACP) et une approche de classification supervisée utilisant l'algorithme de maximum de vraisemblance (MLC). Selon les résultats de notre étude, il y a eu une diminution de l'étendue des plans d'eau (− 593,24 km 2 ) et de la végétation (− 68,50 km 2 ) de − 3,43 % et − 0,40 % respectivement. En revanche, la superficie occupée par les colonies dans la région étudiée a augmenté de 2,23 %, atteignant un total de 385,66 kilomètres carrés. De même, l'étendue des terres arides a également augmenté de 1,60 %, couvrant une superficie totale de 276,04 kilomètres carrés, au cours de la dernière décennie. La précision globale (94,25 % et 95,75 %) et la valeur K (91,75 % et 93,50 %) ont été atteintes au cours de l'année 2013 et 2023 respectivement. L'amélioration de la production agricole au Pakistan est de la plus haute importance afin d'améliorer les revenus des agriculteurs, d'atténuer la pénurie alimentaire, de stimuler la croissance économique et de faciliter l'expansion des exportations. Pour améliorer la productivité agricole, il est recommandé que le gouvernement entreprenne des initiatives ciblées visant à améliorer les infrastructures hydrauliques et à optimiser l'utilisation des terres afin de favoriser un cadre écologique durable. L'intégration du cadre écologique durable fournit une base pour une prise de décision éclairée et une gestion efficace des ressources. En identifiant les zones d'expansion urbaine, d'intensification agricole ou d'altération de la LU/LC naturelle, les parties prenantes peuvent concevoir des stratégies de conservation ciblées, atténuer la dégradation environnementale potentielle et promouvoir la conservation de la biodiversité. En conclusion, l'intégration des SIG et de la télédétection (RS) peut effectivement faciliter la surveillance des modèles d'utilisation des terres sur une période de temps. Cette approche combinée offre des informations et des recommandations précieuses pour la gestion judicieuse et optimale des ressources foncières, ainsi que pour éclairer les décisions politiques.

Translated Description (Spanish)

Resumen El monitoreo y la comprensión del uso de la tierra/cobertura de la tierra (LU/LC) es fundamental para el desarrollo sostenible, ya que puede afectar varios sistemas ambientales, sociales y económicos. Por ejemplo, la deforestación y la degradación de la tierra pueden conducir a la erosión del suelo, la pérdida de biodiversidad y las emisiones de gases de efecto invernadero, lo que afecta la calidad del suelo, el aire y los recursos hídricos. La presente investigación examinó los cambios en (LU/LC) dentro de las regiones subdesarrolladas de las provincias de Baluchistán y Sindh, que se encuentran en Pakistán. Con el fin de monitorear las variaciones temporales de LU/LC, empleamos la técnica del Sistema de Información Geográfica (SIG) para realizar un análisis de las imágenes satelitales obtenidas del Landsat 8 Operational Land Imager (OLI) durante el período de tiempo que abarca desde 2013 hasta 2023. Para obtener una clasificación LU/LC precisa, utilizamos el análisis de componentes principales (PCA) y un enfoque de clasificación supervisado utilizando el algoritmo de máxima verosimilitud (MLC). De acuerdo con los resultados de nuestro estudio, hubo una disminución en la extensión de los cuerpos de agua (-593,24 km 2 ) y la vegetación (-68,50 km 2 ) en -3,43% y -0,40%, respectivamente. En contraste, el área ocupada por asentamientos en la región investigada tuvo un alza de 2.23%, alcanzando un total de 385.66 kilómetros cuadrados. Del mismo modo, la extensión de la tierra estéril también se expandió en un 1,60%, abarcando un área total de 276,04 kilómetros cuadrados, durante el transcurso de la última década. La precisión general (94,25% y 95,75%) y el valor de K (91,75% y 93,50%) se lograron durante el año 2013 y 2023, respectivamente. El aumento de la producción agrícola en Pakistán es de suma importancia para mejorar los ingresos de los agricultores, mitigar la escasez de alimentos, estimular el crecimiento económico y facilitar la expansión de las exportaciones. Para mejorar la productividad agrícola, se recomienda que el gobierno emprenda iniciativas dirigidas a mejorar la infraestructura hídrica y optimizar el uso de la tierra para fomentar un marco ecológico sostenible. La integración del marco ecológico sostenible proporciona una base para la toma de decisiones informada y la gestión eficaz de los recursos. Al identificar áreas de expansión urbana, intensificación agrícola o alteraciones en LU/LC natural, las partes interesadas pueden diseñar estrategias de protección específicas, mitigar la posible degradación ambiental y promover la protección de la biodiversidad. En conclusión, la integración de los SIG y la teledetección (RS) puede facilitar de manera efectiva el monitoreo de los patrones de uso de la tierra durante un período de tiempo. Este enfoque combinado ofrece información y recomendaciones valiosas para la gestión juiciosa y óptima de los recursos de tierras, así como para informar las decisiones políticas.

Files

s43621-024-00263-w.pdf.pdf

Files (1.3 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:3b81cd8966ba3d3cf587b8b777974ac7
1.3 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التحقيق في التغيرات في استخدام الأراضي/الغطاء الأرضي باستخدام تحليل المكونات الرئيسية والتصنيف الخاضع للإشراف من بيانات الأقمار الصناعية للتصوير الأرضي التشغيلي: دراسة حالة للمناطق غير المتقدمة، باكستان
Translated title (French)
Étude des changements dans l'utilisation des terres/la couverture terrestre à l'aide d'une analyse en composantes principales et d'une classification supervisée à partir de données satellitaires opérationnelles d'imagerie terrestre : une étude de cas de régions sous-développées, Pakistan
Translated title (Spanish)
Investigación de los cambios en el uso de la tierra/cobertura de la tierra utilizando el análisis de componentes principales y la clasificación supervisada a partir de datos satelitales operacionales de imágenes terrestres: un estudio de caso de regiones subdesarrolladas, Pakistán

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4394999454
DOI
10.1007/s43621-024-00263-w

Is supplement to
https://openalex.org/W4205376403 (Other)
https://openalex.org/W3133615129 (Other)
https://openalex.org/W2392383081 (Other)
https://openalex.org/W2373152553 (Other)
https://openalex.org/W2331410275 (Other)
https://openalex.org/W2188959887 (Other)
https://openalex.org/W2087854757 (Other)
https://openalex.org/W2013329914 (Other)
https://openalex.org/W1618102658 (Other)
https://openalex.org/W1537861260 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Morocco

References

  • https://openalex.org/W1968191130
  • https://openalex.org/W1982787379
  • https://openalex.org/W1999886189
  • https://openalex.org/W2024539165
  • https://openalex.org/W2065043725
  • https://openalex.org/W2096464265
  • https://openalex.org/W2143824332
  • https://openalex.org/W2157026765
  • https://openalex.org/W2428668259
  • https://openalex.org/W2463733698
  • https://openalex.org/W2549695684
  • https://openalex.org/W2550144014
  • https://openalex.org/W2553105105
  • https://openalex.org/W2559291108
  • https://openalex.org/W2570054307
  • https://openalex.org/W2621818045
  • https://openalex.org/W2625743289
  • https://openalex.org/W2731951690
  • https://openalex.org/W2765573294
  • https://openalex.org/W2766922025
  • https://openalex.org/W2767387227
  • https://openalex.org/W2775459794
  • https://openalex.org/W2777239704
  • https://openalex.org/W2783856164
  • https://openalex.org/W2787914536
  • https://openalex.org/W2787922154
  • https://openalex.org/W2789307162
  • https://openalex.org/W2795350623
  • https://openalex.org/W2810219251
  • https://openalex.org/W2888139438
  • https://openalex.org/W2892402424
  • https://openalex.org/W2894523889
  • https://openalex.org/W2902667234
  • https://openalex.org/W2938401009
  • https://openalex.org/W2965661103
  • https://openalex.org/W2990136980
  • https://openalex.org/W2990415557
  • https://openalex.org/W2990455864
  • https://openalex.org/W2993842144
  • https://openalex.org/W2997430438
  • https://openalex.org/W2998209783
  • https://openalex.org/W3000556544
  • https://openalex.org/W3009978486
  • https://openalex.org/W3017399608
  • https://openalex.org/W3034493182
  • https://openalex.org/W3035975906
  • https://openalex.org/W3087536005
  • https://openalex.org/W3088212576
  • https://openalex.org/W3114793782
  • https://openalex.org/W3139592822
  • https://openalex.org/W3160289306
  • https://openalex.org/W3193023210
  • https://openalex.org/W3193313194
  • https://openalex.org/W3196108668
  • https://openalex.org/W3197447577
  • https://openalex.org/W3198482135
  • https://openalex.org/W3199261378
  • https://openalex.org/W3202309237
  • https://openalex.org/W3209805953
  • https://openalex.org/W3209942122
  • https://openalex.org/W3210415328
  • https://openalex.org/W3210987863
  • https://openalex.org/W3212925278
  • https://openalex.org/W4205126821
  • https://openalex.org/W4205922079
  • https://openalex.org/W4205940396
  • https://openalex.org/W4206911630
  • https://openalex.org/W4223911791
  • https://openalex.org/W4224277271
  • https://openalex.org/W4225281629
  • https://openalex.org/W4226199645
  • https://openalex.org/W4229006008
  • https://openalex.org/W4283724344
  • https://openalex.org/W4293231014
  • https://openalex.org/W4303614259
  • https://openalex.org/W4317106928
  • https://openalex.org/W4320918848
  • https://openalex.org/W4328122035
  • https://openalex.org/W4366265304
  • https://openalex.org/W4367317582
  • https://openalex.org/W4380077570
  • https://openalex.org/W4382004912
  • https://openalex.org/W4385900995
  • https://openalex.org/W4387100993
  • https://openalex.org/W4387907892
  • https://openalex.org/W4388994800
  • https://openalex.org/W4389134751