Μελέτη του φαινομένου της θερμής αστικής νησίδας κατά τη διάρκεια της ημέρας με χρήση δεδομένων Landsat ETM και Corine Land Cover
Από RemoteSensing Wiki
Εφαρμογή σε μεγάλες πόλεις της Ελλάδας
Πρωτότυπος τίτλος: Daytime urban heat islands from Landsat ETM+ and Corine land cover data: An application to major cities in Greece
Συγγραφείς: Marina Stathopoulou *, Constantinos Cartalis
Αντικείμενο - Στόχος Εφαρμογής
Το φαινόμενο της θερμής αστικής νησίδας περιγράφει την περίσσεια θερμότητας στην ατμόσφαιρα και στις επιφάνειες των αστικών κέντρων σε σύγκριση με το μη αστικοποιημένο περιβάλλον τους. Υπάρχουν δε τρεις τύποι του φαινομένου:
- το θολό στρώμα θερμής νησίδας
- το οριακό στρώμα θερμής νησίδας
- η επιφανειακή θερμή αστική νησίδα
Ενώ οι δύο πρώτες κατηγορίες αναφέρονται στη θερμότητα της ατμόσφαιρας μιας πόλης, η τελευταία αναφέρεται στη σχετική θερμότητα των επιφανειών στην πόλη. Η μελέτη αυτή ασχολείται με την επιφανειακή θερμή αστική νησίδα. Οι δορυφορικές εικόνες στο θερμικό υπέρυθρο, μπορούν γενικά να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση του θερμικού αστικού περιβάλλοντος καθώς και για τον εντοπισμό των θερμών νησίδων σε αστικές περιοχές. Εξετάζεται , στη μελέτη αυτή, το θερμικό περιβάλλον 5 μεγάλων πόλεων στην Ελλάδα (Αθήνα, Θεσσαλονίκη, Πάτρα, Βόλος και Ηράκλειο) με τη χρήση δορυφορικών εικόνων που παρέχονται από το Landsat ETM+ αισθητήρα του δορυφόρου LANDSAT 7 που αντιστοιχούν σε διάρκεια ημέρας και τη ζεστή περίοδο, όταν το φαινόμενο της επιφανειακής θερμής αστικής νησίδας παρατηρείται καλύτερα. Η χωρική δομή του θερμού αστικού περιβάλλοντος αναλύεται σε κάθε περίπτωση και προσδιορίζονται οι πιο θερμές επιφάνειες μέσα στον αστικό ιστό οι οποίες στη συνέχεια συσχετίζονται με τα αστικά επιφανειακά χαρακτηριστικά και τις χρήσεις γης. Για τις ανάγκες της μελέτης, χρησιμοποιείται επίσης η βάση δεδομένων Corine Land Cover (CLC) για την Ελλάδα, σε μια προσπάθεια να καθοριστεί πιο αποτελεσματικά η σχέση μεταξύ των επιφανειακών εκπομπών, της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης και των αστικών επιφανειών χαρακτηριστικών.
Παλαιότερες μελέτες του φαινομένου
Γενικά, η επιφανειακή θερμή αστική νησίδα παρατηρείται από απομακρυσμένους θερμικούς αισθητήρες που καταγράφουν την ανερχόμενη θερμική ακτινοβολία που εκλύεται από την περιοχή της επιφάνειας που βρίσκεται μέσα στο στιγμιαίο οπτικό πεδίο (IFOV) του αισθητήρα. Το φαινόμενο της επιφ. θερμής αστικής νησίδας έχει μελετηθεί στο παρελθόν πολλές φορές με χρήση δορυφορικών θερμικών δεδομένων (Aniello et al., 1995; Streutker, 2002; Lo and Quattrochi, 2003; Dousset and Gourmelon, 2003). Αυτές οι έρευνες έκαναν χρήση αισθητήρων μεσαίες κλίμακας (Landsat TM, NOAA AVHRR) και έδιναν μια χρονικά συνεχή εικόνα των επιφανειακών θερμών αστικών νησίδων σε μεγάλες αστικές περιοχές, με τη χρήση δεδομένων από τα δίκτυα μετεωρολογικών σταθμών. Επίσης, με αυτόν τον τρόπο αναγνωρίζεται η αντιστοιχία μεταξύ της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης και της κάλυψη του εδάφους με χάρτες κάλυψης γης της υπό μελέτης περιοχής που προέρχονται από δορυφορικά δεδομένα (HRV SPOT, Landsat TM, Landsat MSS).
Μεθοδολογία παρούσας μελέτης
Η μελέτη αυτή παρουσιάζει μια μεθοδολογία για την εκτίμηση της έντασης της επιφανειακής θερμής αστικής νησίδας των αστικών περιοχών με χρήση θερμικών εικόνων Landsat 7 με υψηλή χωρική ανάλυση (60 m) σε συνδυασμό με αστικά στοιχεία εδαφοκάλυψης που παρέχονται από το Corine Land Cover (CLC) σε ένα πλαίσιο GIS. Η καινοτομία της μεθοδολογίας έγκειται στη θεώρηση χωρικά μέσης θερμοκρασία της επιφάνειας ανά είδος εδαφικής κάλυψης και τη σύγκριση με σημειακά δεδομένα θερμοκρασίας επιφάνειας προκειμένου αυτά να συμπεριληφθούν στη μέτρηση της έντασης της επιφανειακής θερμής αστικής νησίδας ανάμεσα στην αστική γη και την αγροτική γη που την περιβάλλει. Επιπλέον, η ενσωμάτωση της βάσης δεδομένων Corine Land Cover στις μετρήσεις κάνει τη μέθοδο εφαρμόσιμη σε όλες τις ευρωπαϊκές πόλεις που περιλαμβάνονται στη βάση δεδομένων CLC και ελαχιστοποιεί τον αριθμό των υποθέσεων που εξετάζονται ή ακόμα και τον υπολογιστικό χρόνο που απαιτείται για την επεξεργασία δορυφορικών δεδομένων σε περίπτωση που δεν υπάρχουν πληροφορίες σχετικά με τη διανομή της κάλυψη του εδάφους μιας περιοχής μελέτης.
Η μεθοδολογία περιλαμβάνει τα εξής στάδια:
- Επεξεργασία Landsat ETM+ για την απόκτηση θερμοκρασιών φωτεινότητας ατμοσφαιρικού αισθητήρα (BT)
- Επεξεργασία δεδομένων CLC για το χωρικό προσδιορισμό των αστικών, προαστιακών, μεικτών και αγροτικών περιοχών της πόλης, που επιτρέπει περαιτέρω τον χωρικά πιο ακριβή καθορισμό των αντίστοιχων επιφανειακών εκπομπών
- Χαρτογράφηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης
- Εκτίμηση της έντασης της επιφανειακής θερμής αστικής νησίδας με βάση τη χωρικά μέση επιφανειακή θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ των διαφόρων τύπων εδαφοκάλυψης της πόλης (αστικής /πυκνής δόμησης, προαστιακής / μεσαίας δόμησης, μικτής αστική περιοχής, αγροτικής περιοχής).
Επεξεργασία δεδομένων ETM +
Ο δορυφόρος LANDSAT 7 έχει μια σχεδόν πολική σύγχρονη προς τον ήλιο τροχιά, πράγμα που σημαίνει ότι περιστρέφεται γύρω από τη γη από το βόρειο προς νότιο πόλο και το αντίστροφο και καλύπτει κάθε τόπο στη Γη σε μια σταθερή τοπική ώρα της ημέρας. Ο χρόνος επανεπίσκεψης του δορυφόρου είναι 16 ημέρες. Ο αισθητήρας ΕΤΜ + επί του δορυφόρου μπορεί να παρέχει δεδομένα εικόνας από τις ορατές ως τις θερμικές υπέρυθρες φασματικές περιοχές. Ο LANDSAT 7 επιλέχθηκε σε αυτή τη μελέτη, γιατί συλλέγει θερμικές μετρήσεις με την υψηλότερη χωρική ανάλυση που υπάρχουν σήμερα στο χώρο. Η βαθμονόμηση των δεδομένων εικόνας θερμικής ζώνης πραγματοποιείται μέσα από μια διαδικασία δύο βημάτων.
- Γίνεται μετατροπή των τιμών ψηφιακού αριθμού (DN) της ζώνης 6 σε φασματική ακτινοβολία L
- Στη συνέχεια η φασματική ακτινοβολία L μετατρέπεται σε θερμοκρασία φωτεινότητας ατμοσφαιρικού αισθητήρα σε Kelvin
Επεξεργασία δεδομένων Corine Land Cover
Το CLC είναι μια βάση δεδομένων γεωγραφικής κάλυψης του εδάφους / χρήσεων γης για χρήση σε πανευρωπαϊκό επίπεδο. Παράγεται από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Περιβάλλοντος και παρέχει συνεκτικές πληροφορίες για την κάλυψη γης σε όλη την Ευρώπη χρησιμοποιώντας μια ονοματολογία 44 τυποποιημένων κατηγοριών που είναι οργανωμένες σε 3 επίπεδα λεπτομέρειας. Η CLC90 βάση δεδομένων για την Ελλάδα σε διανυσματική μορφή χρησιμοποιείται σε αυτή τη μελέτη σε μια προσπάθεια να συνδέσει περισσότερο αποτελεσματική την κάλυψη του εδάφους με τις εκπομπές στην επιφάνεια. Για το σκοπό αυτό, οι αρχικές 44 κατηγορίες ομαδοποιήθηκαν σε μόνο 5 κατηγορίες περιοχών και στην Εικόνα 1 φαίνεται η χρήση/κάλυψη γης των 5 ελληνικών πόλεων με βάση αυτές τις 5 κατηγορίες:
- αστικές / πυκνοδομημένες
- προαστιακές/μεσαίας δόμησης
- μεικτές αστικές
- αγροτικές
- υδάτινες επιφάνειες
Στη συνέχεια, γίνεται διόρθωση της εκπομπής ακτινοβολίας σύμφωνα με την εδαφοκάλυψη προκειμένου να υπολογιστούν οι διορθωμένες σύμφωνα με την εκπομπή ακτινοβολίας επιφανειακές θερμοκρασίες. Αγνοώντας τις διαφορές εκπομπής που υπάρχουν ανάμεσα σε δύο διαφορετικές καλύψεις γης, οδηγείται κάποιος στην παραγωγή λάθος αποτελεσμάτων για την πραγματική επιφανειακή θερμοκρασία και επομένως σε ανακρίβειες όταν εξετάζονται οι μεταβολές της επιφανειακής θερμοκρασίας και οι σχετικές συγκρίσεις τους, όπως γίνεται στο φαινόμενο της θερμής αστικής νησίδας. Ένα λάθος στην επιφάνεια εκπομπής της τάξεως του 0,01 προκαλεί σφάλμα στη θερμοκρασία της επιφάνειας της τάξης των περίπου 2 Κ για συνθήκες που είναι συνήθεις στην επιφάνεια της γης.
Διόρθωση επιφανειακής θερμοκρασίας
Η διόρθωση της επιφανειακής θερμοκρασίας γίνεται με τη χρήση επιφανειών εκπομπής για τη συγκεκριμένη κάλυψη γης όπως προκύπτει από τη μεθοδολογία που έχουν περιγράψει οι Σταθοπούλου κ.α (2006). Η διαδικασία συνδυάζει τη χρήση δεδομένων της μεθόδου NDVI και πληροφορίες εδαφοκάλυψης από τη βάση δεδομένων CLC.
Υπολογισμός της έντασης της επιφανειακής θερμής αστικής νησίδας
Ο υπολογισμός γίνεται συνδυάζοντας τα δεδομένα θερμοκρασίας της επιφάνειας (σε μορφή raster) με τα αναπαραγμένα δεδομένα κάλυψης γης (σε μορφή vector). Συγκεκριμένα, ο χάρτης κάλυψης της γης (στρώμα πολύγωνο) και η εικόνα επιφανειακής θερμοκρασίας της πόλης τοποθετούνται επάλληλα και υπολογίζονται έτσι οι μέσες θερμοκρασίες στην επιφάνεια με τις τυπικές αποκλίσεις για κάθε κατηγορία κάλυψης του εδάφους με τη χρήση της λειτουργίας polygon summary των GIS. Με τον τρόπο αυτό, υπολογίζεται η ένταση της επιφανειακής θερμής αστικής νησίδας από τις διαφορές θερμοκρασίας της επιφάνειας μεταξύ των διαφόρων αστικών περιοχών (όπως περιγράφεται από τις διάφορες αστικές εδαφοκαλύψεις) και τη γύρω αγροτική περιοχή της πόλης.
Εφαρμογή και αποτελέσματα εφαρμογής σε 5 μεγάλες Ελληνικές πόλεις
Η μεθοδολογία εφαρμόζεται στην Αθήνα (37; 580N, 23; 460E), την πρωτεύουσα της Ελλάδας, καθώς και στη Θεσσαλονίκη (40; 380N, 22; 580E),το Βόλο (39; 240N,22; 590E), την Πάτρα (38; 140N, 21; 470E) και το Ηράκλειο (35; 200N, 25; 120E), που είναι οι πέντε μεγαλύτερες πόλεις της Ελλάδας, με στόχο την ανάλυση της χωρικής δομής του θερμικού περιβάλλοντος τους κατά τη διάρκεια της μέρας και την εκτίμηση της έντασης του φαινομένου της επιφανειακής θερμικής νησίδας. Χρησιμοποιούνται θερμικές εικόνες LANDSAT 7 ETM + κατά τη διάρκεια της μέρας κατά τη θερμή περίοδο για τη χαρτογράφηση του θερμικού αστικού περιβάλλοντος των πόλεων της Αθήνας, της Θεσσαλονίκης, Πάτρα, του Βόλου και του Ηράκλειου. Η ΕΤΜ + θερμική ζώνη 6 (10.04 - 12.05 LM) έχει μια χωρική ανάλυση των 60 m στο ναδίρ, η οποία θεωρείται ότι είναι κατάλληλη για τη λήψη των σύνθετων ενδοαστικών διαφορών επιφανειακών θερμοκρασιών που επιτρέπει έτσι, μια αποτελεσματική και λεπτομερή ανάλυση του αστικού κλίματος. Ο πίνακας 1 παρουσιάζει την ημερομηνία και ώρα απόκτησης των εικόνων Landsat ETM + που καταγράφηκαν στις επιλεγμένες πόλεις. Όλες οι εικόνες αντιστοιχούν σε ιδιαιτέρως καθαρές ατμοσφαιρικές συνθήκες και σε θερμή περίοδο.
Πίνακας 1. Ημερομηνία και ώρα απόκτησης εικόνων Landsat ETM+
Οι εικόνες 2-6 απεικονίζουν τη χωρική κατανομή των τιμών Ts για τις επιλεγμένες πόλεις. Σκούροι προς φωτεινούς τόνους δείχνουν ψυχρότερες προς θερμότερες θερμοκρασίες επιφάνειας αντίστοιχα. Οι μέσες θερμοκρασίες στην επιφάνεια ανά κατηγορία κάλυψης γης δίνονται στον πίνακα 2, ενώ στον Πίνακα 3 παρουσιάζονται οι εντάσεις της επιφανειακής αστικής θερμικής νησίδας των επιλεγμένων πόλεων, όπου η ΔT δηλώνει τη διαφορά στη θερμοκρασία της επιφάνειας μεταξύ αστικών και αγροτικών περιοχών (U-r), προαστιακών – αγροτικών (S-r) και μικτών- αγροτικών (m-r) περιοχών. Είναι σαφές από τον πίνακα 3 ότι οι μικτές αστικές περιοχές εμφανίζουν υψηλές τιμές θερμοκρασίας της επιφάνειας για όλες τις πόλεις.
Πίνακας 2.Μέσες θερμοκρασίες στην επιφάνεια ανά κατηγορία κάλυψης γης
Πίνακας 3.Εντάσεις της επιφανειακής αστικής θερμικής νησίδας των επιλεγμένων πόλεων
Επίσης, διαπιστώθηκε ότι οι μεικτές αστικές περιοχές είναι τα hot spots της πόλης. Αυτό μπορεί να αποδοθεί στα εξής:
1. Στο αυξημένο ποσοστό των εκτάσεων που καλύπτονται με άσφαλτο και σκυροδεμα σε βιομηχανικές / εμπορικές περιοχές και σε μονάδες μεταφοράς καθώς και στα υλικά επιφανειών/κτιρίων που χρησιμοποιούνται σε αυτές τις περιοχές.
2. Στην ηλιακή θέρμανση των ανοιχτών χώρων και του γυμνού εδάφους που συνδέεται με τα μεταλλεία καθώς και με τα εργοτάξια για τους Ολυμπιακούς Αγώνες του 2004.
Αθήνα
Οπτικός έλεγχος της χωρικής κατανομής των Ts του Λεκανοπεδίου της Αθήνας (Εικ. 3) δείχνει ότι τα νοτιοδυτικά προάστια όπως η Πετρούπολη, Νίκαια, Καλλιθέα κλπ. παρουσιάζουν υψηλότερες επιφανειακές θερμοκρασίες από ό, τι τα βορειοανατολικά προάστια, όπως η Κηφισιά, Χαλάνδρι, Ζωγράφου, κλπ. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι σε αυτά τα προάστια, η κάλυψη και η πυκνότητα βλάστησης είναι πολύ χαμηλή. Επιπλέον, η βιομηχανική ζώνη που βρίσκεται μεταξύ Νίκαιας, Καλλιθέας και του κέντρου της Αθήνας φαίνεται να εμφανίζει υψηλές θερμοκρασίες στην επιφάνεια.
Θεσσαλονίκη
Στην περίπτωση της Θεσσαλονίκης, η ένταση της θερμής αστικής νησίδας της τάξης του 2,7 C εκτιμάται μεταξύ των κεντρικών αστικών και των γύρω αγροτικών περιοχών της πόλης την ημέρα μελέτη (30/5/2001). Οι προαστιακές περιοχές φαίνεται να έχουν θερμοκρασία 1,2 C χαμηλότερη από τις κεντρικές αστικές περιοχές και κατά 1,5 C θερμότερη από τις γύρω αγροτικές περιοχές. Μικτές αστικές περιοχές λαμβάνουν τις υψηλότερες θερμοκρασίες στην επιφάνεια της τάξεως των 34 C. Το θερμικό μοτίβο της Θεσσαλονίκης δείχνει να ακολουθεί το φυσικό ανάγλυφο της πόλης. Θερμότερες περιοχές εντοπίζονται κοντά στην ακτή και σχετίζονται με αστικές/ πυκνοδομημένες περιοχές και μεικτές, ενώ θερμότερες περιοχές συναντώνται στα πιο πράσινα προάστια στην περιφερειακή ζώνη της πόλης.
Πάτρα
Στην Πάτρα αύξηση της επιφανειακής θερμοκρασίας ανιχνεύεται στη μετάβαση από την αγροτική στην αστική περιοχή, όπου συναντώνται οι μέγιστες τιμές. Η ένταση της θερμής αστικής νησίδα κατά τη διάρκεια της μέρας είναι της τάξης του 3 C μεταξύ των κεντρικών αστικών και των γύρω αγροτικών περιοχές της πόλης ενώ για τα προάστια είναι 1.7 C πιο ψυχρά σε σχέση με τις κεντρικές αστικές περιοχές.
Βόλος
Στην πόλη του Βόλου, η εκτιμώμενη ένταση της θερμής αστικής νησίδα κατά τη διάρκεια της μέρας είναι ασθενέστερη σε σχέση με τις άλλες υπό μελέτη πόλεις. Οι αστικοποιημένες περιοχές είναι κατά 0.4-0.8 c θερμότερες από τις αγροτικές, γεγονός που μπορεί να αποδοθεί στην ηλιακή θέρμανση από τη χαμηλή γεωργία στην περιοχή του Βόλου.
Ηράκλειο
Οι υψηλότερες θερμοκρασίες στην επιφάνεια παρατηρούνται πάνω από την πόλη του Ηρακλείου. Αποτελέσματα της εκτιμώμενης έντασης της θερμής αστικής νησίδα κατά τη διάρκεια της μέρας στις 9 Ιουλίου 2000 δείχνουν ότι οι αστικές / πυκνοδομημένες περιοχές, που βρίσκονται στην περιοχή του λιμανιού λαμβάνουν υψηλές επιφανειακές θερμοκρασίες της τάξης του 40 C, που είναι, 1,9 C θερμότερο από τις γύρω αγροτικές περιοχές. Από το χάρτη με την κατανομή της θερμοκρασίας στην επιφάνεια, είναι προφανές ότι η μέγιστη επιφανειακή θερμοκρασία εντοπίζεται στην Νέα Αλικαρνασσό, όπου βρίσκεται το αεροδρόμιο του Ηρακλείου και ως εκ τούτου, μπορεί να θεωρηθεί σαφώς ως το hot spot της πόλης.
Σημαντικά αποτελέσματα και αξιολόγηση της μεθόδου
Σε αυτή τη μελέτη, παρουσιάστηκε μια μέθοδος για την εκτίμηση της έντασης του φαινομένου της επιφανειακής θερμής αστικής νησίδας σε αστικές περιοχές. Η μέθοδος χρησιμοποίησε θερμικές εικόνες υψηλής χωρικής ανάλυσης (60 M) Landsat 7 και πληροφορίες σχετικά με την κάλυψη γης σε αστικές περιοχές από τη βάση δεδομένων Corine Land cover, τα οποία συνδυάστηκαν σε περιβάλλον GIS. Η μέθοδος εφαρμόστηκε επιτυχώς όσον αφορά στη χρήση των εικόνων ETM + ( στο θερμικό υπέρυθρο) για τον προσδιορισμό και τη χωρική ανάλυση της επίδρασης του φαινομένου της θερμής αστικής νησίδας κατά τη διάρκεια της μέρας.
Δεδομένης της επαρκούς χωρικής ανάλυσης των εικόνων (60m ), η μέθοδος μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για:
- Την απεικόνιση των “hot spots” που μπορεί να έχουν αναπτυχθεί
- Την παρακολούθηση των αλλαγών του κλίματος των πόλεων
- Την καταγραφή της θερμικής συμπεριφοράς των επιφανειών των πόλεων σε συνάρτηση μετα χαρακτηριστικά των επιφανειών αυτών.
Μερικά από τα πλεονεκτήματα της προτεινόμενης μεθόδου συμπεριλαμβάνουν:
- Ευρεία δυνατότητα εφαρμογής
- Ευρεία κάλυψη αστικών κέντρων
- Δυνατότητα τακτικής επανεπίσκεψης, με αποτέλεσμα την συνεχή παροχή επικαροποιημένης πληροφορίας
- Ικανότητα συνδυασμού δορυφορικών θερμικών δεδομένων με άλα ψηφιακά δεδομένα ( όπως δημογραφικά δεδομένα, τοπογραφία, δεδομένα πυκνότητας πληθυσμού, δεδομένα κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας κλπ.)
- Χρήση οικονομικά αποδοτικών δεδομένων.
Ωστόσο, ως μειονέκτημα της μεθόδου μπορεί να θεωρηθεί το γεγονός ότι έχει ηλιοσύγχρονη τροχιά, γεγονός που περιορίζει τη δυνατότητα εφαρμογής της μεθόδου σε ώρα διαφορετική από την ώρα διέλευσης του δορυφόρου Landsat 7. Πάρα ταύτα, παρόλο τον περιορισμό, είναι ξεκάθαρο ότι η μέθοδος αυτή μπορεί να παράξει αποτελέσματα που μπορούν να συνδυαστούν επιτυχώς με συμβατικές μετρήσεις επί τόπου για μια πλήρη αξιολόγηση της επίδρασης της θερμής αστικής νησίδας.
