Statistical Analysis of the Hydrological and Hydrometeorological Characteristics of the Upper Tisza Basin

Tisza is the largest water base in the eastern part of Szabolcs-Szatmár-Bereg County, in north-eastern Hungary, and its indirect use is mainly associated with agriculture. Our work investigates the hypothesis that decrease in water levels and water discharges of the Upper Tisza in recent decades, together with the incision of the riverbed and the precipitation falling in the area, have an impact on the groundwater level of the Szatmár-Bereg Plain. In our study, data from three water gauges located between the settlements of Tiszaújlak and Vásárosnamény and data from groundwater level monitoring wells (MW) and Hydrometeorological (HMS) stations on the Szatmár-Bereg Plain were compared using statistical methods in Past 4.11 software. The aim of the current study was to identify the strategic steps that need to be taken by the organisations responsible for water management in the Upper Tisza basin in the light of the changes in hydrological, hydrometeorological, and meteorological factors. To ensure that the region has sufficient water supplies for the next decade, appropriate water management and agricultural strategies could be the solution

(Studia Geographica,

A táji metrikák napjainkban is komoly szerepet játszanak a tájszerkezet térbeli heterogenitásának értékelésében, de a redundancia miatt az egyes mérőszámok tájanalízisben történő alkalmazhatóságának vizsgálata kulcskérdésnek számít. Nem léteznek szabványok arra vonatkozóan, hogy a mutatók meghatározásának alapját képező folttérképeket vektoros vagy raszteres adatrendszerben, milyen lépték, illetve tematikus és geometriai felbontás mellett állítsuk elő. A dolgozat tárgyát emiatt részben a mikroléptékben és nagy felbontásban, kistáj alatti chorikus szinteken végzett tájmetriai elemzések módszertani problémáinak feltárása és értékelése képezi.A távérzékelt adatok felbontásának látványos javulása, az adatmennyiség növekedése és a képelemek méretének csökkenése kényszerítette ki az objektum alapú képfeldolgozó eljárások (GEOBIA) megjelenését és egyre szélesebb körű alkalmazását a föld- és a környezettudományokban. A nagyobb felbontás miatt a képelemeket nem érdemes a környezetükből kiragadni és önállóan vizsgálni, hanem célravezetőbb a több pixelből álló, a valós világ elemeit részben vagy teljes egészében reprezentáló képobjektumokat létrehozni és osztályozni. Napjainkig nem tisztázott egyértelműen, hogy a képobjektumokat felhasználhatjuk-e a tájszerkezeti elemzések bemenő adataiként, illetve milyen minőségi kapcsolatok vannak a képobjektumok és a tájalkotó elemek között.A kutatás során feltártam a szakirodalmi forrásokat és elvégeztem azok kritikai értékelését, ahol a GEOBIA alkalmazási lehetőségeit a tájökológiai analízisben a mintaterületen megjelenő különböző tájtípusok területi részesedésének sorrendjében végeztem el. A szakemberek szerint az objektum alapú technikák alkalmasak lehetnek a hagyományos pixel alapú eljárások, illetve a szubjektív, drága, idő- és munkaigényes számítógép-képernyőn vektorizálás és vizuális interpretáció kiváltására a felszínborítás térképezésében. Bemutattam a tájmetria elméleti hátterét, a tájmintázat kvantitatív elemzése során megjelenő korlátozó tényezőket.Műszeres terepi méréseket, geoinformatikai és távérzékelési, valamint matematikai-statisztikai módszereket alkalmaztam. Mintaterületnek az ország egyik belső periferiális térségét képező Tiszazugot választottam. A tájszerkezet idősoros változásvizsgálatához egy 29 négyzetkilométeres, a tájalkotó tényezők térbeli heterogenitása alapján a környezetétől jól elkülönülő tájrészletet, a Tiszakürt-Bogaras homokvidéket választottam ki. A műszeres terepi mérésekbe bevont 7 db egy négyzetkilométeres tiszazugi tájablak kiválasztása a tájtípusok és a táji altípusok (ártéri, löszös és homokos síkság) figyelembevételével, rétegzett véletlenszerű mintavétellel történt.Az 195455-ben, 1975-ben és 2005-ben készült légifelvétel-sorozatokról a tájmozaikokat ArcGIS szoftverkörnyezetben, számítógép-képernyőn, 1:3000 léptékben vektorizáltam és vizuálisan interpretáltam. A tájszerkezeti vizsgálatokhoz a tájmetriai mutatókat az ArcGIS vLATE moduljával, vektoros alapon számítottam ki. A metrikák felbontás érzékenységének elemzéséhez a vektoros folttérképet az ArcGIS-ben raszteressé alakítottam 0,5–1–2,5–5–10–20–30–40–50–60–70–80–90 és 100 m-es felbontással, majd újravektorizáltam. A 2005. évi ortofotók objektum alapú képfeldolgozása az eCognition Developer szoftverben történt. A szegmensképek elkészítéséhez a többfázisú szegmentálás lentről felfelé régió-összevonó típusát használtam. A terület és a kerület alapú tájmetriai mutatók esetében a felszínborítás és a felbontás együttes statisztikai vizsgálatához az SPSS Statistics 17.0 szoftvert alkalmaztam.Dolgozatomban a tájszerkezet-kutatás geoinformatikai módszereit elemzem, amely során az alábbi kérdésekre keresem a választ.1. A geometriai és a topológiai hibák hogyan befolyásolják a legegyszerűbb folt szintű terület, kerület és alaki mutatókat?2. Vajon a tájfoltok és a szegmentálással előállított képobjektumok megfeleltethetők-e egymásnak?3. Az objektum alapú képfeldolgozás alkalmas lehet-e a táji heterogenitás jellemzésére, a táj térbeli mintázatának ökológiai szempontú értékelésére?4. A felbontás változása, illetve a foltalak és a felbontás együttesen milyen hatást gyakorolnak a terület és a kerület alapú mérőszámokra?5. A raszteres és a vektoros feldolgozás milyen hatással vannak az alapvető tájmetriai paraméterekre?6. A tájhasználati és a szocioökonómiai változások hatására hogyan alakult át a Tiszakürt-Bogaras homokvidék tájszerkezete?1. A műszeres terepi vizsgálatok eredményeiMűholdas helymeghatározó eszközökkel tájökológiai célú folttérképezéseket végeztem. A felvételezések során általában több foltot detektálunk, mint amennyi valójában létezik. Megállapítottam, hogy az igen kis méretű szilánkpoligonok a terület és a kerület mutatók értékét minimálisan, a kerület/terület arányt viszont nagyságrendekkel megnövelték. Mivel ezek az indexek más mérőszámok alapját képezik, ezért az azokból számított alak, magterület, elterjedés/szétszóródás és diverzitás indexek értékeit is módosíthatják. Emiatt az adatok vektoros feldolgozása esetén a tájszerkezetben ténylegesen megjelenő tájmozaikok és a mikroméretű poligonok egyesítését javaslom, melyet az objektumok geometriai kapcsolatainak ellenőrzése és helyesbítése kell, hogy kövessen. A vektor-raszter konverzió, majd az adatok raszteres rendszerben történő feldolgozása esetén ez nem okoz problémát, mivel a felhasználó által megadott felbontás (pixel) mérete általában nagyobb, mint a töredékpoligonoké.2. A tájfoltok és a képobjektumok közötti kapcsolatok feltárásaAz objektum alapú képfeldolgozásban és a tájökológiában egyaránt megjelenő térbeli hierarchia koncepciót a tiszaugi Körtvélyes („A” jelű tájablak) sziki erdőssztyeppmaradvány példáján keresztül vizsgáltam. A vizsgálati alapegységek a tájfoltok voltak, melyek közül az erdő felszínborítású tájmozaikokat választottam ki a tájak és az objektum alapú képfeldolgozás, mint hierarchikus rendszerek közötti kapcsolatok feltárására. A kiindulási állapotot 0. szintnek tekintettem, melyek elemei az erdőfoltok voltak. E fölött helyezkednek el a környezetüktől eltérő felszínborítási típusba tartozó tájalkotó elemekből álló tájrészletek, melyek a +1. szintet jelölik. A tájfoltok sem homogének, más-más területrészekből (tesszerákból) tevődnek össze. A mozaikok alapvető jellege a folton belül azonosnak tekinthető, de az azt alkotó növények helyenként eltérő összetételű csoportokat képezhetnek. A tájablakot szegélyező erdőmozaikokban is megfigyelhető ez a foltosság, ahol a kocsányos tölgy más, csoportosan elhelyezkedő fafajokkal (pl. fehér nyár és vadkörte) elegyedik. Ez képezi a -1. szintet. A hagyásfás legelőn elszórtan, illetve állományban tenyésző faegyedek a hierarchia alsó lépcsőfokát (-2. szint) jelentik, melyekből a magasabb szerveződési szintek mozaikjai épülnek fel. A hierarchiarendszer alján – mivel „elemi képalkotóknak” a faegyedeket tekintettem, melyek lombmérete nagyobb, mint egy pixel – fák már nem, de lágy szárú növényfajok és azok csoportjai, továbbá más élőlények, tereptárgyak előfordul(hat)nak.Az objektum alapú képfeldolgozás során az elemi képpontokból egyre nagyobb területű (pixelszámú) képobjektum-kezdeményeket és képmozaikokat nyerünk, melyek alá- és fölérendeltségi viszonyban vannak egymással. Alacsonyabb hierarchiaszinten gyerekobjektumnak, magasabb hierarchiaszinten szülőobjektumnak minősülnek. A rendszer csúcsán a képobjektumok már nem egyesíthetők tovább, egy-egy szuperobjektumot alkotnak, melyek általában több alobjektumból állnak. Eredményeim igazolják, hogy a különböző hierarchiaszinteken létrehozott képobjektumok és a gyakran felszínborítással/területhasználattal jellemzett térbeli mintázat közötti kapcsolat egyértelmű, emiatt a képobjektumokat a tájökológiai feldolgozás során tájalkotó elemeknek tekinthetjük.3. A tájmintázat heterogenitásának vizsgálataKutatásom alapján minimum három hierarchiaszint egyidejű alkalmazását javaslom a tájökológiai analízisben, amely elegendő lehet a legtöbb ökológiai rendszer működésének megértéséhez. A homogenitási küszöbértékek módosításával egyre kisebb vagy nagyobb méretű képobjektumok állíthatók elő, amellyel az egymástól lényegesen eltérő tájszerkezetek – pl. egy közepes és nagyméretű, szabálytalan alakú tájfoltokkal, folyosókkal jellemezhető heterogén természetközeli táj(részlet) vagy egy szabályos szerkezetű, homogénebb struktúra – is megragadhatók, térképen jól ábrázolhatók. Ez a táji heterogenitás általában már egy néhány hektáros, négyzetkilométeres tájrészlet térbeli mintázatában megfigyelhető, ami szintén indokolttá teszi a különböző méretarány-tényezők használatát. A csökkenő méretarány, növekvő objektumméret és heterogenitás biztosítja a kapcsolatot a különböző hierarchiaszinteken létrehozott képobjektumok és a gyakran felszínborítással, területhasználattal jellemzett mozaikosság között, ahol az egyed-tesszera-tájfolt és folt feletti szerveződési szintek együttes kezelése megfelelő kiindulási alapot jelenthet a táj térbeli mintázatának ökológiai szempontú értékeléséhez.4. A terület- és kerülettípusú tájmetriai indexek felbontás érzékenységének vizsgálataMunkám során a következő mutatók felbontás érzékenységét vizsgáltam: foltszám (Number of Patches, NP), foltosztály területe (Class Area, CA), közepes foltméret (Mean Patch Size, MPS), foltméret szórása (Patch Size Standard Deviation, PSSD), össz-szegélyhossz (Total Edge, TE) és közepes szegélyhossz (Mean Patch Edge, MPE). Az összehasonlítások alapja minden esetben a kiindulási (folt)térkép volt, és azt vizsgáltam, hogy a fent említett tájmetriai paraméterek hogyan változtak a felbontás függvényében. Az eredeti adatok esetében Mann-Whitney próbával, a transzformáltaknál többszempontos ANOVA modellben vizsgáltam meg a tájmetriai mutatók felbontás függését.A tájmetriai indexek értékeiben a felbontás csökkenése 95%-os valószínűségi szinten rendszerint nem okozott szignifikáns (p<0,05) különbségeket, de figyelemre méltó, hogy minden vizsgált mutató esetében 0,5–5 méteres felbontásnál a különbségek szignifikánssá (p<0,05) váltak. A foltok alakja szerint is elvégeztem a vizsgálatokat, de 95%-os valószínűségi szinten szignifikáns (p<0,05) különbség a felbontás és a foltalak együttes hatására itt sem volt kimutatható. Ebben az esetben viszont fontos eredmény, hogy a foltok izodiametrikus vagy megnyúlt jellege szignifikánsan (p<0,05) befolyásolta a foltszám (NP) és az össz-szegélyhossz (TE) mutatókat. A többi esetben itt sem volt lényegi különbség a kapott eredményekben.Az alapvető tájmetriai paraméterek mikroléptékű vizsgálatánál célszerű valamilyen vektoros módszert alkalmazni, ugyanis raszteres rendszerben a felbontás csökkenése a pixelek méretének növekedését eredményezi (pixelesedés), ami jelentősen módosítja a kerületre vonatkozó mutatókat, a kerület/terület arányt. Kimutattam továbbá, hogy a foltok területtípusú tájmetriai vizsgálatára a 10 méter alatti felbontástartomány (M=1:10 000 alatt) a legalkalmasabb.5. A raszteres és a vektoros feldolgozás hatása a tájmetriai paraméterekreA kerületre vonatkozó mutatók viselkedése teljesen eltért a területtípusú metrikáktól: a kerületet lényegileg befolyásolta a pixelesedés. Itt az össz-szegélyhossz (TE) és a közepes szegélyhossz (MPE) mutatók példáján vizsgáltam a felbontásfüggőséget. Közismert tény, hogy két pont között a legrövidebb távolság egy egyenes (ez a valóság, amit legjobban a vektoros rendszerek tükröznek). A raszteres megközelítés miatt viszont ez nem lehetséges, mert a távolság – a felbontás függvényében – csak két egyenlő hosszúságú, egymásra merőleges szakasszal adható meg. Egy egységnyi oldalú négyzetet feltételezve a legrövidebb távolság √2 (1,414), egy raszteres rendszerben 2 lesz. Számításaimmal igazoltam, hogy raszteres rendszerben 1,4-szer nagyobb értéket kapunk a kerület mutatóra, s a felbontás és az ebből származó hiba konstans lesz. Minél beágyazottabb a kerület paraméter az adott tájmetriai index képletébe, annál nagyobb az arra gyakorolt hatása.Ez a hatás minden kerülettel kapcsolatos mutatót érint, vagyis alkalmazása esetén két dolog lehetséges: igyekszünk valamilyen vektoros formában feldolgozni a kerülettel kapcsolatos feladatokat, vagy elfogadjuk a fent említett tényt, és ennek megfelelően kezeljük az eredményeket is. Utóbbi esetben figyelembe kell vennünk, hogy összehasonlítást kistájak között vagy korábbi vizsgálatokkal csak akkor végezhetünk, ha minden körülmény megegyezik (adatbevitel, felbontás), különben hibás eredményeket kapunk.6. A tájszerkezeti vizsgálatok eredményeiA relatív területi arányokat vizsgálva a szőlő területi részesedése a kétharmadára, a gyümölcsösé az ötödére csökkent, a szántóké és a vegyes hasznosítású mezőgazdasági területeké a másfélszeresére nőtt. A mezőgazdasági kollektivizálás lezárása után, a nagyüzemi gazdálkodási forma bevezetésével meginduló intenzív földhasználat a tájszerkezetben komoly változásokat eredményezett. Nőtt a szántóföldek aránya, a parcellák átlagos mérete. Az ún. többszintes művelési mód erőteljesen visszaszorult, a szőlő- és a gyümölcsültetvények homogenizálódtak. A rendszerváltás után a gyümölcsösök, szőlők szántókká alakítása a tájrészlet déli és északkeleti részén volt jellemző.A vizenyős-mocsaras területek csökkentek, a vízfelületek területe a harmadára zsugorodott. Ennek oka elsősorban a wetlandek feltöltődése, gyepekké alakulása volt. Bár ezeknek a felszínborítási kategóriáknak a területi részesedése a Tiszakürt-Bogaras homokvidéken nem számottevő (0,4%), de számos növény- és állatfajnak élő-, táplálkozó-, búvó- és szaporodóhelyet biztosítanak, ezért fontos a tájrészlet heterogenitásának és biológiai diverzitásának növelésében játszott szerepük.A lombhullató erdők területe a hatszorosára, a gyepek és a cserjések, bozótosok területe a kétszeresére nőtt. Elsősorban az 1970-es évektől a mezőgazdasági területeken gazdasági célú zárttömbű erdőtelepítések történtek, melyek során akácból és nemes nyárból álló ültetvénytípusú erdőket létesítettek. A rendszerváltás után a cserjés-bozótos területek és a gyepek gyarapodása egyrészt a fiatal erdőtelepítések és a vágásterületek térbeli bővülésével, másrészt az elöregedett szőlők és gyümölcsösök felhagyásával, parlagosodásával, spontán cserjésedésével-erdősödésével magyarázható.A mesterséges felszínek közül az ipari-kereskedelmi terület, agrárlétesítmény-típushoz tartozó tájelemek relatív területi aránya 1954–55 és 2005 között a négyszeresére, a műutaké több mint a duplájára nőtt. Ez a hatékony hálóméret (MESH) csökkenését eredményezte. A tájfoltok zsugorodása, izolálódása és fragmentáltságának növekedése tájökológiai, tájvédelmi szempontból kedvezőtlen folyamat, amely elsősorban a Natura 2000 kiemelt jelentőségű természetmegőrzési területeken (Tiszakürt-tiszainokai gyepek) és a Nemzeti Ökológiai Hálózathoz tartozó területeken (Titó, Bába-tó) veszélyezteti a közösségi jelentőségű élőhelyek és a védett fajok állományainak hosszú távú fennmaradását.Eredményeimmel igazoltam, hogy a folttérképekből származtatott tájmetriai paraméterek (foltosztály területe és területarány) és az agrárstatisztikai felmérések településszintű idősoros földhasználati adatai alkalmasak lehetnek az összehasonlításra, a tájhasználatban végbement változások irányainak kimutatására

Analysis Of The Geoinformatic Methods Of Landscape Structure In Study Areas In The Great Hungarian Plain

Összefoglalás A távérzékelés folyamatos fejlődése a tájmetriai elemzésekhez felhasznált adatok felbontásának látványos javulását eredményezi. Ez a fejlődési irány kényszerítette ki az elmúlt másfél évtizedben az objektum alapú képfeldolgozó eljárások megjelenését és egyre szélesebb körű alkalmazását a föld- és a környezettudományokban. Napjainkig nem tisztázott egyértelműen, hogy a képobjektumokat felhasználhatjuk-e a tájszerkezeti elemzések bemenő adataiként, illetve milyen minőségi kapcsolatok vannak a képobjektumok és a tájalkotó elemek (tájfoltok) között. A dolgozat tárgyát emellett a mikroléptékben és nagy felbontásban, kistáj alatti chorikus szinteken végzett tájmetriai elemzések módszertani problémáinak feltárása és értékelése képezi. Mintaterületnek a Tiszazugot választottam. A tájszerkezeti vizsgálatok során műszeres terepi méréseket, geoinformatikai és távérzékelési, valamint matematikai-statisztikai módszereket alkalmaztam. Megállapítottam, hogy a műholdas helymeghatározó eszközökkel végzett térképezés során a foltok geometriai tulajdonságainak és a relatív térbeli kapcsolatoknak a pontatlan megadása miatt képződő mikroméretű poligonok a terület és a kerület mutatók értékét minimálisan, a foltok kerület/terület arányát viszont nagyságrendekkel megnövelik. Vizsgálataim során kimutattam, hogy a szegmentálással előállított képobjektumokat – függetlenül azok lineáris vagy nemlineáris alakjától – tájalkotó elemeknek tekinthetjük. Megállapítottam, hogy a tájmintázat heterogenitásának vizsgálatához három-öt szomszédos hierarchiaszint együttes kezelése megfelelő lehet a különböző tájszerkezetek esetében. Kimutattam, hogy a foltok területtípusú tájmetriai vizsgálatára a 10 méter alatti felbontástartomány (M=1:10 000 alatt) a legalkalmasabb, a kerülettípus esetében pedig a vektoros feldolgozást javaslom. Számításaimmal igazoltam, hogy a foltok kerületét is felhasználó tájmetriai mutatók esetében összehasonlítást kistájak között vagy korábbi vizsgálatokkal csak akkor végezhetünk, ha minden körülmény megegyezik (adatbevitel, felbontás), különben hibás eredményeket kapunk. Kimutattam, hogy az elemzés ötven éves időhorizontjában a társadalom termelő tevékenysége miatt jelentős átalakulás ment végbe a Tiszakürt-Bogaras homokvidék tájszerkezetében: a mezőgazdasági területek, a vizenyős-mocsaras területek és vízfelületek részesedése csökkent, a természetközeli területek és lombhullató erdők, a mesterséges felszínek relatív területi aránya nőtt a tájrészleten. Abstract Continuous development of remote sensing results in significant increase of the resolution of the data applied to landscape metric analyses. This development trend required the appearance of object based image analysis methods in the last one and a half decades and their wide application in earth and environmental sciences. It is still unclear whether such image objects can be applied as input data of landscape structure analyses or not. The conditions of connection between image objects and landscape elements (landscape patches) are still to be cleared. As a result the material of the thesis partly includes the identification and evaluation of the methodological problems of landscape metric analyses performed at micro-scale and high resolution at choric levels below micro-region level. The Tiszazug was selected as a study area. In the course of landscape structure analyses instrumental field measurements, geoinformatic and remote sensing and mathematical-statistical methods were applied. I revealed that the micro-scale polygons formed by the inaccurate recording of the geometric characteristics of patches and the relative spatial connections during mapping with satellite positioning devices minimally increase the values of area and perimeter indexes while significantly increase (by orders of magnitude) the perimeter/area ratio of the patches. Image objects created by segmenting can be regarded as landscape elements independent from their linear or non-linear shape. For evaluating landscape pattern heterogeneity the joint study of three-five neighbouring hierarchy levels can be sufficient in the case of different landscape structures. For the area type landscape metric analysis of patches the resolution interval under 10 metres (below 1:10 000) is the most suitable while in the case of perimeter type analyses vector analysis is recommended. My calculations proved that in the cases of landscape metric indexes using the perimeter of patches comparison between micro-regions or to former studies can be made only if every condition is the same (data input, resolution) otherwise false results are obtained. I proved that over the 50 years time interval of the analysis significant changes appeared in the landscape structure of the Tiszakürt-Bogaras sand area as a result of the cultivation activity of the society: agricultural areas, wetlands and water surfaces decreased while that of relative ratio of the artificial surfaces, close-to-natural areas and deciduous forests increased in the landscape.d