Μια μελέτη των αστικών θερμικών χαρακτηριστικών και των συσχετισμένων καλύψεων γης με τη χρήση δορυφορικών δεδομένων Landsat

Από RemoteSensing Wiki

Σχήμα 1: Οι περιοχές μελέτης της κοιλάδας του Λας Βέγκας και του Tamba Bay

Σχήμα 2: Fig. 2. Tb στο κέντρο της πόλης Tampa για διαφορετικά ποσοστά ISA και ποσοστά ISA με σχετιζόμενο PTb στην κοιλάδα Tampa Bay. Tb και σχετική υψηλή αστική πυκνότητα που ορίζεται με ποσοστό ISA >60% (a); Tb και σχετική μεσαία αστική πυκνότητα που ορίζεται με ποσοστό ISA μεταξύ 41% και 60% (b); Tb και σχετική χαμηλή αστική πυκνότητα που ορίζεται με ποσοστό ISA μεταξύ 10% και 40% (c); Τρεις αστικές πυκνότητες και PTb (d)

Σχήμα 3: Tb και σχετική υψηλή αστική πυκνότητα που ορίζεται με ποσοστό ISA >60% στο Λας Βέγκας. Αριστερά: 1984 και δεξιά: 2002

Σχήμα 4: 2002 Tb, PTb , και ISA στο Las Vegas. Tb σε περιοχές υψηλής αστικής πυκνότητας (a); Tb σε μεσαίας πυκνότητας αστικές περιοχές (b); Tb σε χαμηλής πυκνότητας αστικές περιοχές (c); Και οι 3 κατηγορίες πυκνοτήτων και τα σχετικά PTb (d)

Διάγραμμα 1: Διαφορές PTb και μέσο NDVI μεταξύ ποσοστών ISA <10% και 3 άλλα ποσοστά ISAs για την περιοχή Tampa Bay το 2002

Διάγραμμα 2: Διαφορές PTb και μέσο NDVI μεταξύ ποσοστών ISA <10% και 3 άλλα ποσοστά ISAs για την περιοχή του Λας Βέγκας το 1984 (a) και το 2002 (b)

George Xian a,⁎, Mike Crane b

a SAIC, USGS Center for Earth Resources Observation and Science, Sioux Falls, SD 57198, USA

b USGS, Center for Earth Resources Observation and Science, Sioux Falls, SD 57198, USA

ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ: Αστικό, Αδιαπέραστη Επιφάνεια, Ακτινοβολούσα επιφανειακή θερμοκρασία, Τηλεπισκόπηση

Link: [1]

Αντικείμενο

Σκοπός του παρόντος άρθρου είναι η χρήση μια μεθόδου για την ποσοτικοποίηση των χαρακτηριστικών της αστικής επιφανειακής θερμοκρασίας καθορίζοντας των μέσων επιφανειακών θερμοκρασιών της ακτινοβολίας που βασίζεται σε ποσοτικές αστικές χωρικές εκτάσεις και σε πυκνότητες ανάπτυξης. Για την εκτίμηση των θερμοκρασιών χρησιμοποιείται μια ανθρωπογενής παράμετρος η «αδιαπέραστη επιφάνεια» (impervious surface area-ISA) καθώς η ύπαρξη ISA μαρτυρά την αστική επέκταση και την ύπαρξη εκτεταμένων χρήσεων γης. Μέσω του συσχετισμού των επιφανειών που καλύπτονται από ISA και της μέσης θερμοκρασίας εκτιμάται η θερμική διαφορά των αστικών και αγροτικών περιοχών και η διακύμανση της θερμοκρασίας σε διαφορετικές αστικές πυκνότητες. Αυτή η μέθοδος στην παρούσα μελέτη εφαρμόζεται στο Tampa Bay (1992-2002) στη Φλόριντα και το Las Vegas(1984-2002) της Νεβάδα.

Εισαγωγή

Ένα από τα σημαντικότερα αποτελέσματα της αστικοποίησης είναι η διακύμανση της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης, η οποία επηρεάζει τα αστικά κλίματα. Για την ακρίβεια οι αστικές περιοχές διαθέτουν υψηλότερη απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας και την ικανότητα να απελευθερώνουν την αποθηκευμένη κατά την ημέρα ακτινοβολία κατά την διάρκεια της νύχτας. Με τον τρόπο αυτό η θερμοκρασία στις αστικές περιοχές είναι υψηλότερη από τις γύρω αγροτικές περιοχές δημιουργώντας το φαινόμενο της θερμικής αστικής νησίδας (Urban Heat Island-UHI). Οι αστικές περιοχές περιλαμβάνουν πληθώρα επιφανειών με ποικίλες θερμοκρασίες που επηρεάζουν το αστικό κλίμα. Το κλίμα επίσης μπορεί να επηρεαστεί από τις αλλαγές των θερμοκρασιών λόγω μεταβολής των καλύψεων και χρήσεων γης (LULC). Η τηλεπισκόπηση παρέχει μια συνεχή διαδικασία ορισμού των θερμικών διαφορών μεταξύ αστικού και αγροτικού ιστού, η οποία ύστερα από μελέτες φαίνεται να κυμαίνεται σε περιοχές με 10.000 κατοίκους και πάνω σε 0.1 οC υψηλότερη από αντίστοιχές περιοχές 2000 κατοίκων. Εκτός από Αστικές Θερμικές Νησίδες επίσης εντοπίζονται Αστικές Ψύκτρες (Urban Heat sink), περιοχές όπου λόγω των συνθηκών που επικρατούν παρουσιάζουν θερμοκρασία χαμηλότερη από την γύρω περιοχή. Ο συνδυασμός δεδομένων όπως η μέση ακτινοβολούσα επιφανειακή θερμοκρασία (Tb), ο δείκτης NDVI, οι χρήσεις και καλύψεις γης και οι διάφορες τιμές θερμοκρασίας που λαμβάνονται από δορυφορικές εικόνες Landsat ΤΜ+ βοηθούν την εκτίμηση των θερμικών φαινομένων.

Περιοχές μελέτης

Οι περιοχές μελέτης είναι διαφορετικές μεταξύ τους (σχήμα 1) με το Tampa Bay να χαρακτηρίζεται από υγρό, μεσοτροπικό κλίμα με ζεστά και υγρά καλοκαίρια και ξηρούς χειμώνες ενώ το Las Vegasέχει κλίμα ερήμου με ζεστά και ξηρά καλοκαίρια και κρύους και υγρούς χειμώνες.

Μεθοδολογία

Για την εκτίμηση των ISA και των σχετιζόμενων χρήσεων γης χρησιμοποιείται η μέθοδος Sub-pixel Imperviousness Change Detection (SICD). Ειδικότερα, ο υπολογισμός περιλαμβάνει την ανάκτηση περιοχών εκπαίδευσης από υψηλής ανάλυσης ορθοφωτογραφίες (DOQQs) για ένα μοντέλο παλινδρόμησης στο οποίο επιλέγεται ως επιβλεπόμενη μεταβλητή το ποσοστό των ISA. Οι εικόνες DOQQs αποκτούνται από το USGS για τα τέλη του 1990 για το Tampa Bay και για το 2003 για το Las Vegas και περιείχαν 3 χρώματα (πράσινο, κόκκινο και εγγύς υπέρυθρο) και χωρική ανάλυση 1 μέτρο. Τα pixels των εικόνων ταξινομήθηκαν ως αστικά και μη αστικά από τα οποία υπολογίστηκαν οι περιοχές ISA και μετατράπηκαν ώστε να έχουν ανάλυση 30 μέτρα. Οι δορυφορικές εικόνες Landsat TM και ETM+ για τα έτη 1994-1995 και 2002 (Tampa Bay) και 1984 και 2002 (Las Vegas) έχουν ήδη υποστεί ραδιομετρική και γεωμετρική διόρθωση από USGS Center for Earth Resources Observation and Science (EROS). Πραγματοποιήθηκε μετατροπή των εικόνων σε παγκόσμιο σύστημα αναφοράς και resampling των θερμικών καναλιών ώστε να έχουν επίσης χωρική ανάλυση 30 μέτρα (από 120 μέτρων) με τη μέθοδο του πλησιέστερου γείτονα. Επεξεργασίες αυτές οδηγούν σε εικόνες ψηφιακών αριθμών (DN) που αφορούν δορυφορική ακτινοβολία. Μέσω εξισώσεων υπολογίζεται η ακτινοβολία του αισθητήρα και η ανακλαστικότητα του δορυφόρου (ρλ). 6 ρλ κανάλια ανακλαστικότητας εφαρμόστηκαν στο μοντέλο παλινδρόμησης για την απόκτηση των περιοχών ISA. Μέσω των τιμών αυτών υπολογίζεται η μέση επιφανειακή ακτινοβολούσα θερμοκρασία (Tb) και ο δείκτης NDVI μέσω της εξίσωσης NDVI=(ρ2−ρ1) / (ρ2+ρ1).

Αποτελέσματα

Οι περιοχές που καλύπτονται από πάνω από 10% περιοχές ISA ταξινομούνται ως αστικές αλλιώς ταξινομούνται ως μη αστικές (10–40% χαμηλή πυκνότητα 41–60% μεσαία πυκνότητα και >60% υψηλή). Για την απομόνωση των θερμικών σημείων απομακρύνονται τα pixel νερού και η εικόνα επαναταξινομείται. Ο τελικός χάρτης μέσω θερμοκρασιών προκύπτει ύστερα από αφαίρεση των θερμοκρασιών με τιμή 2 φορές της μέσης. Για την περιοχή του Tamba Bay τα αποτελέσματα δείχνουν διαφοροποιήσεις των αστικών και αγροτικών περιοχών με τις πρώτες να εμφανίζουν υψηλότερες θερμοκρασίες. Διαφοροποιήσεις είναι ορατές και στις διαφορετικές αστικές πυκνότητες με μεγαλύτερα ποσοστά ISA να διαθέτουν υψηλότερη θερμοκρασία. Οι τιμές του δείκτη Tb παρουσιάζουν μεγάλες διακυμάνσεις (Πίνακας 2) καθώς χρησιμοποιήθηκε εικόνα Landsat ETM+ στην οποία το θερμικό κανάλι έχει χωρική ανάλυση 60 m και προσφέρει περισσότερες λεπτομέρειες. Ομοίως, υπολογίζονται οι τιμές για την περιοχή του Las Vegas. Το αξιοσημείωτο είναι πως αντιφατικά με την περιοχή του Tamba Bay, οι διαφοροποιήσεις μεταξύ των αστικών και μη περιοχών είναι αντίθετη. Οι αστικές περιοχές εμφανίζουν χαμηλότερη θερμοκρασία σε αυτή την περίπτωση, παρόλα αυτά όμως οι περιοχές με υψηλή πυκνότητα παρουσιάζουν υψηλότερη θερμοκρασία από αυτές με χαμηλή και τις μη αστικές. Αυτό μπορεί να αποδοθεί σε υλικά χαμηλής απορρόφησης ακτινοβολίας αλλά και στην ύπαρξη περιοχών χαμηλής αστικής πυκνότητας στο κέντρο του Las Vegas. Για τις περιοχές με χαμηλή και μέση πυκνότητα κατά την διάρκεια της μέρας δημιουργείται φαινόμενο ψύξης ενώ για τις πυκνοδομημένες περιοχές φαινόμενο αστικής θερμικής νησίδας. Τέλος, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα της τιμής Tb, των περιοχών ISA και των δεικτών βλάστησης επιδιώκεται η σύνδεση της ύπαρξης βλάστησης με την θερμοκρασία. Όπως φαίνεται στον πίνακα 3 οι περιοχές με μέση και χαμηλή πυκνότητα εμφανίζουν χαμηλότερη μέση τιμή του δείκτη NDVI, όμως οι περιοχές με υψηλή πυκνότητα δόμησης εμφανίζουν υψηλότερο δείκτη καθώς η αστική βλάστηση παρουσιάζει μεγάλη ανομοιομορφία. Στις αγροτικές περιοχές η ύπαρξη βλάστησης μειώνει την μέση θερμοκρασία της περιοχής στο κλίμα της περιοχής του Tamba Bay. Αντιθέτως, στην περιοχή του Las Vegas η μη αστική βλάστηση είναι διάσπαρτη, ενώ η αστική φύτευση αφορά κυρίως ιδιωτικές πρωτοβουλίες. Ο δείκτης NDVI είναι υψηλότερος στις πυκνοδομημένες περιοχές, παρόλα αυτά η ύπαρξη ξενοδοχείων, νυχτερινών κέντρων και επιχειρήσεων δεν συμβάλει στην μείωση της θερμοκρασίας όπως στην περίπτωση των χαμηλών και μεσαίων πυκνοτήτων.