Ανίχνευση των αλλαγών της κάλυψης γης και των αστικών θερμικών νησίδων στην πόλη Τάντα της Αιγύπτου

Από RemoteSensing Wiki

Ανίχνευση των αλλαγών της κάλυψης γης και των αστικών θερμικών νησίδων στην πόλη Τάντα της Αιγύπτου

Change detection of land cover and urban heat islands using multi-temporal Landsat images, application in Tanta city, Egypt

Συγγραφείς: Hala Adel Effat, Lamyaa Gamal-ElDeen Taha, Kamel Fathi Mansour

Πηγή: [[1]]

Εισαγωγή

Η έντονη αστικοποίηση έχει ευεργετικές αλλά και δυσμενείς συνέπειες, που επηρεάζουν από περιβαλλοντική και κοινωνική σκοπιά τους κατοίκους των πόλεων. Οι στέγες και οι τοίχοι των πολυώροφων κτιρίων με πιο σκούρες επιφάνειες, οι χώροι στάθμευσης, οι δρόμοι και τα πεζοδρόμια που είναι κατασκευασμένα από άσφαλτο και σκυρόδεμα τείνουν να έχουν χαμηλό albedo. Αυτές οι σκούρες επιφάνειες χαμηλού albedo απορροφούν υψηλότερη ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας και την μετατρέπουν σε θερμική ενέργεια. Συνεπώς, συσσωρεύονται υπερβολικές ποσότητες θερμικής ενέργειας σε αυτά τα επίπεδα. Έτσι στις αστικές περιοχές σημειώνονται αυξημένες θερμοκρασίες σε σύγκριση με τις γύρω αγροτικές περιοχές. Όμως, αν και η διαφορά θερμοκρασίας δεν είναι μεγάλη, μπορεί να προκαλέσει αρκετά αξιοσημείωτα κοινωνικά και περιβαλλοντικά προβλήματα στις αστικές περιοχές. Ο πυρήνας της πόλης γίνεται θερμότερος από την περιφέρειά της, σχηματίζοντας έτσι μια αστική θερμική νησίδα. Οι ερευνητές ορίζουν την αστική θερμική νησίδα ως το φαινόμενο που αφορά τη χαρακτηριστική ζεστασιά τόσο της ατμόσφαιρας όσο και των επιφανειών στις πόλεις σε σύγκριση με το περιβάλλον τους. Τα αυξημένα επίπεδα θερμοκρασίας και η ατμοσφαιρική ρύπανση, τα οποία είναι συνέπειες των αστικών θερμικών νησίδων έχουν δυσμενείς επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία. Τέτοιες επιδράσεις είναι η γενική δυσφορία, τα αναπνευστικά προβλήματα, τα εγκεφαλικά επεισόδια και οι κράμπες, η εξάντληση και ακόμη και οι θάνατοι που σχετίζονται με τη θερμότητα. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μια οικονομική, αποδοτική και γρήγορη μεθοδολογία για την ανάλυση των χωρικά και χρονικά κατανεμημένων θερμοκρασιών της επιφάνειας της γης, δεδομένου ότι η κάλυψη των δορυφορικών εικόνων αφορά μεγάλη περιοχή. Τα τελευταία χρόνια οι τεχνικές τηλεπισκόπησης με υπέρυθρη ακτινοβολία (TIR) έχουν εφαρμοστεί σε περιβαλλοντικές μελέτες και μελέτες του κλίματος των πόλεων, κυρίως για την ανάλυση των προτύπων θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης (LST) και τη σχέση της με τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας της γης. Εκτός από τις μετρήσεις των LST, αυτοί οι αισθητήρες υπέρυθρης ακτινοβολίας μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την απόκτηση δεδομένων εκπομπής διαφορετικών επιφανειών με ποικίλες αναλύσεις και ακρίβειες.

Περιοχή μελέτης: Η πόλη Τάντα είναι η πρωτεύουσα του Κυβερνείου El Gharbeya, είναι μέρος του Δέλτα του Νείλου και περιβάλλεται από καλλιεργημένες εύφορες εκτάσεις. Ο συνολικός πληθυσμός της πόλης είναι 429.000 κάτοικοι. Με το υψηλό ποσοστό αστικοποίησης που την χαρακτηρίζει, η κάλυψη της βλάστησης μειώνεται γρήγορα και αντικαθίσταται από ψηλά κτίρια, δρόμους, χώρους στάθμευσης, πεζοδρόμια και άλλες κατασκευές, ενώ η υψηλή συγκέντρωση οχημάτων στην περιοχή συμβάλλει στην εκπομπή θερμότητας και αερίων ρύπων. Η χαμηλότερη θερμοκρασία του αέρα καταγράφεται τον Ιανουάριο, κατά μέσο όρο 18° C και υψηλότερη θερμοκρασία τον Ιούλιο, κατά μέσο όρο 33 ° C.

Μεθοδολογία

• Χαρτογράφηση της Αστικής Ανάπτυξης μεταξύ 1984 και 2013

Η περιοχή που ερευνάται καλύπτεται κυρίως από καλλιεργούμενες εκτάσεις και αστικές περιοχές που εξαπλώνονται και καταπατούν την αρόσιμη γη. Η μελέτη διεξάγεται κατά τη θερινή περίοδο, τα περισσότερα από τα χωράφια καλλιεργούνται με δέντρα και καλλιέργειες ενώ δεν εμφανίστηκαν έρημοι ή γυμνά εδάφη στις εικόνες Landsat. Οι εικόνες που αποκτήθηκαν ήταν όλες καθαρές χωρίς σύννεφα, λόγω των ξηρών καλοκαιρινών πρωινών (7:00-8:00 π.μ.). Ακολουθήθηκε εποπτευόμενη ταξινόμηση χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της μέγιστης πιθανοφάνειας και εντοπίστηκαν τρεις κατηγορίες κάλυψης γης, συμπεριλαμβανομένων των καλλιεργούμενων εκτάσεων, των υδατικών όγκων και των αστικών περιοχών. Η συνολική ακρίβεια των πέντε ετών ταξινομήσεων ήταν 86.10%, 89.83%, 91.22% , 93.62 και 95,64% αντίστοιχα. Ο συντελεστής Kappa των πενταετών ταξινομήσεων είναι 0.81, 0.83, 0.86, 0.89 και 0.91 αντίστοιχα.

• Θερμοκρασία επιφάνειας εδάφους

Οι θερμοκρασίες της επιφάνειας της γης προήλθαν από γεωμετρικά διορθωμένες εικόνες. Εφαρμόστηκε μια απλή μέθοδος για την ανάκτηση των εκπομπών της επιφάνειας της γης (LSE) με βάση τον δείκτη βλάστησης (NDVI) εφαρμόζωντας τη μέθοδο NDVI Thresholds.

• Αστική θερμική νησίδα

Οι αστικές θερμικές νησίδες είναι επίμονες ζώνες όπου σημειώνονται θερμοκρασίες επιφάνειας εδάφους πάνω από το μέσο όρο. Η ένταση του φαινομένου ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ της μέσης θερμοκρασίας τους και της θερμοκρασίας των αγροτικών περιοχών.

• Ανάλυση παλινδρόμησης

Μελετήθηκε η σχέση μεταξύ της εξαρτημένης μεταβλητής (θερμοκρασία επιφάνειας εδάφους) και της κατηγορίας χρήσης γης/ κάλυψης γης. Η σχέση μελετήθηκε για κάθε μια από τις εικόνες της περιόδου 1984-2013 που ερευνάται. Ποσοστό κατοικημένων περιοχών σε τμήματα: Ένας κύριος λόγος για τις διαφορές θερμοκρασίας της επιφάνειας μεταξύ αγροτικών και αστικών περιοχών είναι η επίδραση της γεωμετρίας του κτιρίου στις ακτινοβολούμενες ροές. Οι περισσότερες από τις αιγυπτιακές πόλεις έχουν υψηλή πυκνότητα δόμησης, όπως και στην περιοχή μελέτης. Το δομημένων περιοχών υπολογίστηκε για κάθε τμήμα. Ποσοστό πράσινων περιοχών : Οι σχέσεις μεταξύ θερμοκρασίας και βλάστησης διερευνήθηκαν σε προγενέστερες μελέτες συχνά χρησιμοποιώντας τον κανονικοποιημένο δείκτη βλάστησης. Το ποσοστό της πράσινης περιοχής υπολογίστηκε για κάθε τμήμα.

Εικόνα 2: Διάγραμμα ροής της εφαρμοζόμενης μεθοδολογίας

Αποτελέσματα

• Χαρτογράφηση της Αστικής Ανάπτυξης μεταξύ 1984 και 2013

Η εικόνα Landsat TM ταξινομήθηκε με χρήση εποπτευόμενης ταξινόμησης και προέκυψαν τρείς κατηγορίες, αστικές και καλλιεργούμενες εκτάσεις και υδατικές μάζες. Ο συντελεστής Kappa του αποτελέσματος ταξινόμησης είναι 0,81 και η ακρίβεια των δεδομένων ικανοποιητική. Η περιοχή χαρακτηρίζεται από υψηλή δόμηση, στενούς δρόμους,ανεπαρκείς μέθοδοι επεξεργασίας στερεών αποβλήτων και έλλειψη χώρων πρασίνου προκαλούν αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης και αλλαγή στο αστικό μικροκλίμα. Στον πίνακα 3 φαίνονται και οι αλλαγές στις χρήσεις/καλύψεις γής κατα την περίοδο 1984-2013.

Πίνακας 3: Αλλαγές στις χρήσεις/καλύψεις γής.

• Ερμηνεία των χαρτών θερμοκρασίας επιφάνειας εδάφους

Τα αποτελέσματα των εικόνων με τις θερμοκρασίες της επιφάνειας γης ταξινομήθηκαν χρησιμοποιώντας την τυπική απόκλιση. Η σύγκριση τον αποτελεσμάτων για τις θερμοκρασίες της επιφάνεις της γής κατα τη περίοδο 1984-2013 φαίνεται στον πίνακα 4. Η ανάλυση παλινδρόμησης έδειξε μια αρνητική συσχέτιση μεταξύ του ποσοστού των πράσινων περιοχών και θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης. Από την παραπάνω ανάλυση, θα μπορούσε να βγεί το συμπέρασμα ότι η χρήση γης /κάλυψη γης επηρεάζει τις κατανομές των αστικών θερμικών νησίδων.

Πίνακας 4: Στατιστικά στοιχεία θερμοκρασιών επιφάνειας εδάφους απο εικόνες Landsat.

Συμπεράσματα

Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η δομημένη περιοχή έχει επεκταθεί δραματικά σε βάρος των καλλιεργούμενων περιοχών, προκαλώντας τεράστιες αλλαγές στην περιοχή μελέτης. Προκειμένου να εφαρμοστούν μέτρα για τον μετριασμό του σχηματισμού αστικών θερμικών νησίδων, είναι σημαντικό να προσδιοριστεί η κατανομή της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης στις αστικές περιοχές και να προσδιοριστούν οι περιοχές με μη φυσιολογικά υψηλές θερμοκρασίες. Τέτοιες μελέτες είναι πολύ χρήσιμες σε πόλεις που χαρακτηρίζονται από ξηρό κλίμα. Η χρήση τηλεπισκόπησης παρέχει μια χρονικά και οικονομικά αποδοτική μεθοδολογία για την ανάλυση αυτή.