«Σχεδιάζοντας την ποιότητα του αστικού περιβάλλοντος σε μια τροπική πόλη»

Από RemoteSensing Wiki

Δημοσίευση Εφαρμογής Τηλεπισκόπισης: «Modeling urban environmental quality in a tropical city», «Σχεδιάζοντας την ποιότητα του αστικού περιβάλλοντος σε μια τροπική πόλη» Συγγραφείς: Janet Nichol, Man Sing Wong Department of Land Surveying and Geo-Informatics, The Hong Kong Polytechnic University, Hunghom, Kowloon, Hong Kong, PR China

Ανάλυση – Παρουσίαση:

Η εργασία αυτή διαπραγματεύεται την ικανότητα των δορυφορικών συστημάτων τηλεπισκόπησης στην απεικόνιση των παραμέτρων της ποιότητας του αστικού περιβάλλοντος με χρήση 3D μοντέλων Εικονικής Πραγματικότητας.

Σχήμα 1: Αστικές περιοχές στο Χονγκ Κονγκ

Στόχος της μελέτης είναι η απόδειξη της ύπαρξης αντικειμενικής μεθόδου, που να βασίζεται σε τηλεπισκοπικά δεδομένα, για την οπτικοποίηση της ποιότητας του αστικού περιβάλλοντος εφαρμόσιμης τόσο σε μικροκλίμακα όσο σε κλίμακα πόλης. Περιοχή της μελέτης αποτελεί το Hong Kong (σχήμα 1). Η μελέτη συνδυάζει την αξιοποίηση των παραμέτρων που προκύπτουν από τα τηλεπισκοπικά δεδομένα, θερμοκρασία και βιομάζα, και την εφαρμογή τους στις αστικές δομές, συγκεκριμένα προτείνεται ο συνδυασμός των Landsat ETM + θερμικών δεδομένων, για αυξημένη χωρική λεπτομέρεια, με μια εικόνα IKONOS που αντικατοπτρίζει τη βλάστηση - βιομάζα, με 3D μοντέλα Εικονικής Πραγματικότητας.

Σχήμα 2: (α) Μοντέλο με υπέρθεση εικόνας IKONOS (β) Μοντέλο επικαλυπτόμενο με εικόνα επιφανειακής Θερμοκρασίας

Η ποιότητα του αστικού περιβάλλοντος αποτελεί μια σύνθετη και χωρικά μεταβλητή παράμετρο, με δυσκολία ποσοτικοποίησης αφού συναρτάται από αλληλένδετους παράγοντες, συμπεριλαμβανομένων της νήσου αστικής θερμότητας, τη κατανομή του πρασίνου, την πυκνότητα και τη γεωμετρία δόμησης και τη ποιότητα του αέρα (σχήμα 2). Η στενή σχέση μεταξύ της ποιότητας του αστικού περιβάλλοντος με το φαινόμενο της αστικής θερμικής νησίδας και η αντίστροφη σχέση της με τη βιομάζα συμβάλλουν στην οπτικοποίηση της πρώτης, αφού η επιφανειακή θερμοκρασία καταγράφεται σε θερμικές δορυφορικές εικόνες και υψηλής ανάλυσης αισθητήρες όπως ο IKONOS είναι σε θέση να προσδιορίσουν την κάλυψη της γης, συμπεριλαμβανομένης της βιομάζας, σε λεπτομερές επίπεδο.

Σχήμα 3: (α) Έγχρωμη αεροφωτογραφία σημαντικής τομής δρόμου, που δείχνει ένα δεντρόφυτο δρόμο. (β) uncorrected / unfused θερμική εικόνα της ίδιας περιοχής (γ) fused εικόνα που δείχνει το δεντρόφυτο δρόμο σαν ψυχρότερη περιοχή με μεγαλύτερη χωρική λεπτομέρεια.

Αν και οι θερμικές αισθητήρες περιορίζονται σε χαμηλή ανάλυση, αφού το μέγεθος εικονοστοιχείου του Landsat ETM + θερμικού καναλιού είναι 60 μέτρα, με την μέθοδο συγχώνευσης εικόνας (image fusion) μπορεί να μειωθεί το μέγεθος εικονοστοιχείου της εικόνας, συντελώντας σε φασματικές και χωρικές βελτιώσεις. Η σύντηξη εικόνας γίνεται με το λόγο μεταξύ της ανάλυσης των 4 μέτρων της πολυφασματικής εικόνας IKONOS και των 60 μέτρων μέγεθος εικονοστοιχείου της θερμική εικόνας ETM+ στην εξίσωση διόρθωσης του συντελεστή εκπομπής (emissivity correction equitation). Ταυτόχρονα, η εικόνα διορθώνεται από τις διαφορετικές εκπομπές μεταξύ των περιοχών με και χωρίς βλάστηση, δεδομένου ότι αυτή θα είναι η κύρια πηγή σφάλματος στην διαμόρφωση της επιφανειακής θερμοκρασίας. Η διόρθωση, με τη σταθερά του Planck συνδυάζει αποτελεσματικά την θερμική εικόνα με την ταξινομημένη εικόνα IKONOS σε περιοχές με και χωρίς βλάστηση. Τα εικονοστοιχεία μεγέθους 4 μέτρων κατανέμονται σε τιμές εκπομπής ανάλογα με το αν αντιπροσωπεύουν ή όχι βλάστηση. Μετά από αυτή τη διόρθωση, αν και το μέγεθος εικονοστοιχείου είναι 4 μέτρα, δεν ισοδυναμεί με αύξηση της χωρικής κατανομής της θερμικής εικόνας από 60 σε 4 μέτρα, αλλά η χωρική και φασματική ακρίβεια έχουν ενισχυθεί στο βαθμό που οι διαφορές μεταξύ εκπομπής των περιοχών με και χωρίς βλάστηση να επηρεάζουν την εκπεμπόμενη θερμοκρασία τηλεπισκόπισης. (σχήμα 3α, 3β, 3γ). Με την παραπάνω μέθοδο τα διορθωμένα θερμικά δεδομένα είναι αρκετά λεπτομερή ώστε να σχετιστούν με επιμέρους κτήρια, δρόμους, ή ακόμα και μεμονωμένα δένδρα.

Όλες οι αστικές επιφάνειες (φυσικές και ανθρωπογενείς), είναι ενεργά ακτινοβόλες επιφάνειες και πηγές θερμότητας. Παρέχουν επίσης σκιά και συλλογικά επηρεάζουν την ποιότητα του αέρα, συμπεριλαμβανομένης της δυναμικής του φαινομένου της αστικής θερμικής νησίδας. Η ελλιπείς απεικόνιση της επιφάνειας τροπικών πόλεών όπως το Χονγκ Κονγκ από δορυφορικές εικόνες επιτείνεται λόγω της μεγάλης ηλιακής γωνίας. Για το λόγο αυτό οριζόντιες επιφάνειες ορατές από τον δορυφόρο, όπως οροφές και κορυφές δένδρων μπορεί να φανούν πιο θερμές από τη μέση θερμοκρασία της ενεργής επιφάνειας. Έτσι, το τρισδιάστατο μοντέλο παρέχει μια μέθοδο για την αντιστάθμιση του συστηματικού σφάλματος της ανισοτροπίας του ναδίρ που συνδέεται με την προβολή της ελλιπής αστικής επιφάνειας σε κλίμακα πόλης.

Τα τρισδιάστατα μοντέλα κατασκευάστηκαν από ψηφιακά δεδομένα των κτηριακών περιγραμμάτων, που χάρτες του Τμήματος Κτηματολογίου του Χονγκ Κονγκ με χρήση των λογισμικών 3D Studio Max, και ArcGIS. Τα ύψη των κτηρίων υπολογίστηκαν πολλαπλασιάζοντας τον αριθμό των ορόφων, με το ύψος 3 μέτρων για κάθε όροφο. Για να απεικονιστεί η πλήρης ενεργή επιφάνεια ήταν αναγκαίο να προστεθούν κάθετες επιφάνειες όπως τρισδιάστατες όψεις η θερμοκρασία των οποίων θα μπορούσε θεωρητικά να ποικίλλει ανάλογα με τα αποτελέσματα της γωνίας ήλιου και αζιμούθιου κατά τη στιγμή της εικόνας. Για τις οριζόντιες επιφάνειες, οι θερμοκρασίες προέκυψαν από την υπέρθεση των δεδομένων της εικόνας με τα όρια του κτηρίου βάση της μεθόδου Nichol. Η θερμοκρασία του κάθε κτηρίου βασίστηκε στη μέση σταθμισμένη θερμοκρασία των εικονοστοιχείων που έτεμναν το περίγραμμα. Οι θερμοκρασίες για τις κάθετες όψεις καθορίστηκαν σύμφωνα με τις σχέσεις μεταξύ οριζόντιων και κάθετων επιφανειών από την επιτόπια έρευνα που πραγματοποιήθηκε τον Σεπτέμβριο του 2002 την ίδια εποχή και ώρα της ημέρας όπως της εικόνας. Όλα τα παραπάνω εφαρμόστηκαν στα δεδομένα της εικόνας. Οι εν λόγω πτυχή θερμοκρασίες θα διαφέρει τη διάρκεια της ημέρας, καθώς και για διαφορετικές περιόδους του έτους, σύμφωνα με τη γωνία με την οποία ο ήλιος χτυπά την επιφάνεια και την κατασκευή μοντέλων ισχύουν μόνο για το χρόνο εικόνας. Με τη χρήση του λογισμικού Microsoft Video Interlaced πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση περιήγησης στα τρισδιάστατα μοντέλα. Στα μοντέλα φαίνεται ότι όπου υπάρχει απουσία βλάστησης, οι τοπικοί παράγοντες της τοπογραφίας και της γεωμετρίας των κτηρίων σε σχέση με την γωνία ήλιου και αζιμούθιου, αποτελούν τη μεγαλύτερη επιρροή στον έλεγχο της θερμοκρασίας. Έτσι τα μοντέλα στην παρούσα μορφή τους δεν μπορούν να αντικατοπτρίσουν τις δυναμικές αλλαγές του ηλιακού αζιμούθιου (σχήμα 4).

Σχήμα 4: (α) Χάρτης με τους προσανατολισμούς των δρόμων στο Shamshuipo όπου το ηλιακό αζιμούθιο είναι παράλληλο με τους δρόμους, και στο Mongkok, όπου δεν είναι. (β) Θερμικό μοντέλο που δείχνει ότι η θερμοκρασία της επιφάνειας είναι μέχρι 6 C υψηλότερη όταν το ηλιακό αζιμούθιο είναι παράλληλο με την κατεύθυνση του δρόμου

Η βλάστηση είναι μια σημαντική παράμετρος στην ποιότητα του αστικού περιβάλλοντος. Ένας χάρτης βλάστησης παρήχθη από εικόνα IKONOS, από το δείκτη χλωροφύλλης (αναλογία του πράσινου και του κόκκινου καναλιού IKONOS) βασισμένο σε 41 δείγματα εδαφικών καρέ (quadrats) που εκπροσωπούσαν την υποστραφείσα πυκνότητα της βλάστησης, προκειμένου να δημιουργηθεί η απαραίτητη μάσκα βλάστησης για τη διόρθωση εκπομπής. Επιτεύχθηκε μια αξία R2 των 0,8.

Αρχικά χρησιμοποιήθηκε ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης NDVI, ο λόγος του εγγύς υπέρυθρου προς κόκκινου καναλιού, αλλά ο λόγος πράσινο / κόκκινο κανάλι παρουσίασε την μεγαλύτερη συσχέτιση με το ποσό βλάστησης, λόγω ανεπαρκών διαφορών στο εγγύς υπέρυθρο κανάλι μεταξύ βλάστησης και ανοιχτόχρωμων ανακλαστικών αστικών επιφανειών που εμφανίζονται σε πολλές τροπικές πόλεις όπως το Χονγκ Κονγκ.

Σχήμα 5: (α) Λευκά εικονοστοιχεία προβολής αστικού περιβάλλοντος υψηλής ποιότητας, με υπέρθεση περιγραμμάτων δρόμων. (β) Μοντέλο με υφή που προέρχονται από έγχρωμη ορθοφωτογραφία που δείχνει ότι η περιοχή είναι ένα μικρό πάρκο στη πυκνοδομημένη περιοχή Mongkok. (γ) Θερμικό μοντέλο που δείχνει το πάρκο 6-7 C ψυχρότερο από τις γύρω περιοχές

Όταν τα παράγωγα εικόνα της πυκνότητας βλάστησης επικαλυφτήκαν, και συγκριθήκαν ανεξάρτητα με την εικόνα της επιφανειακής θερμοκρασίας, μια ισχυρή αρνητική σχέση εμφανίστηκε λόγω της σκιάς και της εξατμισοδιαπνοής των δένδρων. Λόγω των πολλαπλών οφελών της βλάστησης στην ποιότητα του αστικού περιβάλλοντος εκτός από τον έλεγχο της θερμοκρασίας, προτείνεται ότι θα πρέπει να λαμβάνονται υπ’ όψιν στον καθορισμό των περιοχών του αστικού περιβάλλοντος υψηλής ποιότητας, οι παράμετροι που προέκυψαν από την εικόνα, η επιφανειακή θερμοκρασία και η πυκνότητα της βλάστησης. Έτσι, στα δεδομένα της εικόνας μπορεί να θέτονται ερωτήματα χρησιμοποιώντας τυπικές δηλώσεις υπό συνθήκες που θα εφαρμόζονται σε δύο ποσοτικές παραμέτρους της εικόνας και θα απεικονίζουν τα διάφορα επίπεδα της ποιότητας του αστικού περιβάλλοντος. Τα εικονοστοιχεία που δεν θα πληρούν τα κατώτατα όρια και από τις δύο προϋποθέσεις μπορούν να απομονωθούν με τυπική απόκλιση και να επισημανθεί ότι παρουσιάζουν χαμηλή ποιότητα αστικού περιβάλλοντος. Τα ερωτήματα ταξινόμησης περιοχών μπορεί να είναι: α) δροσερή αλλά χωρίς βλάστηση, β) θερμή αλλά με βλάστηση, γ) θερμή και χωρίς βλάστηση (σχήμα 5).

Η απεικόνιση της ποιότητας του αστικού αέρα βάση τηλεπισκοπικών δεδομένων είναι εφικτή αλλά υπάρχει ανάγκη για βελτιώσεις στον τομέα της ανάλυσης των δεδομένων, ιδίως στις δομές αποθήκευσης δεδομένων, με σκοπό την πλήρη αξιοποίηση των τηλεπισκοπικών δεδομένων. Ο στόχος είναι να καταστεί δυνατή η αυτοματοποιημένη παρεισαγωγή διαχρονικών τηλεπισκοπικών δεδομένων σε μοντέλα τριών και τεσσάρων διαστάσεων, που θα βελτιώσουν την τρισδιάστατη απεικόνιση στο πλαίσιο της ιδιαίτερης τοπογραφίας κάθε πόλης για την καλύτερη κατανόηση της ποιότητας του αστικού περιβάλλοντος. Add Your Content Here