Οι σχέσεις μεταξύ των συνθέσεων του τοπίου και της επιφανειακής θερμοκρασίας: Ποσοτικοποίηση με τη χρήση χωρικών μοντέλων παλινδρόμησης

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος: "The relationships between landscape compositions and land surface temperature: Quantifying their resolution sensitivity with spatial regression models"

Συγγραφείς: Juer Song, Shihong Du, Xin Feng, Luo Guo.

Λέξεις Κλειδιά: Επιφανειακή θερμοκρασία (LST), Συνθέσεις τοπίου, Χωρικό Μοντέλο Υστέρησης (SLM), Χωρικό Μοντέλο Σφάλματος (SEM)

πηγή: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169204613002284

Περίληψη

Η κατανόηση των σχέσεων μεταξύ των συνθέσεων του τοπίου και της επιφανειακής θερμοκρασίας της γης (LST) είναι σημαντική για το μετριασμό της επίδρασης των αστικών θερμικών νησίδων. Οι υπάρχουσες μελέτες έχουν διερευνήσει την επίδραση των τύπων κάλυψης γης στην LST, αγνοώντας τις επιπτώσεις της αυτοσυσχέτισης της LST. Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί το χωρικό μοντέλο παλινδρόμησης για να διακρίνει τη συνεισφορά των τύπων κάλυψης γης στην LST από την αυτοσυσχέτιση της LST. Οι στόχοι της μελέτης είναι οι εξής: (1) η κατασκευή των ποσοτικών σχέσεων ανάμεσα στην LST και στους τύπους κάλυψης γης σε πολλαπλές διακριτικές ικανότητες και (2) η εύρεση των κατάλληλων διακριτικών ικανοτήτων για τη μέτρηση των σχέσεων αυτών. Η LST ανακτάται από μία Landsat ETM+ εικόνα, ενώ οι πληροφορίες για την κάλυψη γης εξάγονται από μια εικόνα Quickbird. Δύο χωρικά μοντέλα παλινδρόμησης -το μοντέλο της χωρικής υστέρησης και το μοντέλο του χωρικού σφάλματος- χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση των σχέσεων σε 18 διακριτικές ικανότητες που κυμαίνονται από 60m έως 1080 m, ανά διαστήματα των 60m. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης δείχνουν ότι οι διακριτικές ικανότητες των 660m και 720m είναι οι πλέον κατάλληλες για τη μέτρηση των σχέσεων μεταξύ των συνθέσεων του τοπίου και της LST. Σε αυτές τις διακριτικές ικανότητες, και οι πέντε συντελεστές των εξαρτημένων μεταβλητών που χαρακτηρίζουν τις συνθέσεις του τοπίου παίρνουν τη μέγιστη τιμή, ενώ ο συντελεστής αυτοσυσχέτισης της LST μειώνεται στο ελάχιστο. Σε διακριτικές ικανότητες μικρότερες από 660 m, η αυτοσυσχέτιση της LST επηρεάζει την LST πιο σημαντικά απ’ ο,τι τους τύπους κάλυψης γης Σε διακριτικές ικανότητες μεγαλύτερες από 720 m, οι περισσότεροι συντελεστές είναι ασήμαντοι. Η μελέτη αυτή μετρά επίσης τις επιπτώσεις των κυριότερων τύπων κάλυψης γης στην LST. Τα ευρήματα αυτά παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για το πώς οι θερμικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις της αστικοποίησης μπορούν να μετριαστούν μέσω του τοπικού χωρικού σχεδιασμού.

1. Δεδομένα & μεθοδολογία

1.1. Περιοχή μελέτης

Εικόνα 1: Γεωγραφική θέση του Πεκίνου, Κίνα και η πολυφασματική εικόνα Quickbird της περιοχής μελέτης . Το μέγεθος της εικόνας είναι 13929 x 10502 εικονοστοιχείων με μέγεθος 0,61 × 0,61m

Το Πεκίνο είναι η πρωτεύουσα της Κίνας και αποτελεί το πολιτικό και πολιτιστικό κέντρο της χώρας (Εικόνα 1). Καλύπτει μια έκταση περίπου 17,000 km2 με πληθυσμό που φτάνει τους 20.000.000 κατοίκους. Τα τελευταία 20 χρόνια, το Πεκίνο υφίσταται μια ταχεία διαδικασία αστικοποίησης και πληθυσμιακής έκρηξης, σε συνδυασμό με ταχείς μετασχηματισμούς στις χρήσεις / καλύψεις γης. Η περιοχή μελέτης καλύπτει το βορειοανατολικό τμήμα της περιοχής Haidian και το νοτιοδυτικό τμήμα της περιοχής Changping, καταλαμβάνοντας συνολική έκταση 70.056 km2. Ούσα μια αγροτική-αστική περιοχή κατά τον χρόνο απόκτησης των εικόνων της μελέτης αυτής, η περιοχή αποτελείται τόσο από αστικά όσο και αγροτικά τοπία, συμπεριλαμβανομένων των καλλιεργήσιμων εκτάσεων, των θερμοκηπίων, των κατοικιών και των βιομηχανικών κτηρίων, των υδάτινων επιφανειών, των πάρκων και των δρόμων.

1.2. Επεξεργασία εικόνας

Μια εικόνα Landsat 7 ETM+ με λήψη στις 22 Μαΐου 2002, χρησιμοποιήθηκε για την ποσοτική μέτρηση της LST. Για την ανάκτηση της LST , χρησιμοποιήθηκε το θερμικό υπέρυθρο κανάλι (κανάλι 6) με διακριτική ικανότητα 60m. Για την εξαγωγή πληροφοριών που σχετίζονται με το τοπίο, χρησιμοποιήθηκε μια εικόνα Quickbird με λήψη στις 22 Μαρτίου 2002. Τα δεδομένα του Quickbird αποτελούνται από τέσσερα πολυφασματικά κανάλια (με διακριτική ικανότητα 2,44 m) και ένα πανχρωματικό κανάλι (με διακριτική ικανότητα 0,61m). Οι πολυφασματικές και παγχρωματικές εικόνες συγχωνεύθηκαν για να παράγουν μια πολυφασματική εικόνα τεσσάρων καναλιών με διακριτική ικανότητα 0,61m, με την εφαρμογή του μετασχηματισμού Gram–Schmidt του λογισμικού ENVI (Laben & Brower, 2000). Για την ανάλυση των σχέσεων μεταξύ της LST και των δομών του τοπίου, οι εικόνες ΕΤΜ+ και Quickbird υποβλήθηκαν σε γεωαναφορά στο σύστημα συντεταγμένων GCS-WGS-1984, ενώ γεωμετρικές και ατμοσφαιρικές διορθώσεις εφαρμόστηκαν και στις δύο εικόνες.

1.3. Ταξινόμηση της κάλυψης γης

Εικόνα 2: Χάρτης ταξινόμησης της εικόνας Quickbird.

Πίνακας 1: Οι κατηγορίες κάλυψης γης.

Η παρούσα μελέτη χρησιμοποιεί τη μέθοδο ανάλυσης με βάση τα αντικείμενα (Object-Based Image Analysis – OBIA) για την ταξινόμηση των πληροφοριών κάλυψης γης (Trimble, 2011). Περιλαμβάνει δύο στάδια: την κατάτμηση και την ταξινόμηση. Στο πρώτο στάδιο, με την κατάτμηση των εικόνων σε πολύγωνα διαφορετικής κλίμακας, εντοπίστηκαν 10 κατηγορίες κάλυψης γης: νερό, βλάστηση, θερμοκήπια, καλλιέργειες, κτήρια, σκιές, δρόμοι, χωματόδρομοι, γυμνό έδαφος, και επιφάνεια (όλες οι δομημένες επιφάνειες, εκτός των κτηρίων και των δρόμων) (Πίνακας 1). Στο δεύτερο στάδιο, κάθε πολύγωνο ταξινομείται σε μία από τις 10 κατηγορίες. Η ακρίβεια της ταξινόμησης επαληθεύτηκε από επιτόπιες έρευνες, οπτική ερμηνεία, και σύγκριση με αεροφωτογραφίες της περιοχής μελέτης. Η εικόνα 2 δείχνει τον χάρτη ταξινόμησης της περιοχής μελέτης. Με βάση τα φυσικά χαρακτηριστικά της κάλυψης γης και των επιδράσεών τους στη LST, οι 10 κατηγορίες κάλυψης γης μεταταξινομήθηκαν σε έξι.

Εικόνα 3: Η LST προερχόμενη από το θερμικό κανάλι του ETM+.

1.4. Προέλευση της LST

Πίνακας 2: Στατιστικά στοιχεία για την LST και τις κατηγορίες κάλυψης γης.

Για τη χαρτογράφηση της LST χρησιμοποιείται το θερμικό υπέρυθρο κανάλι του Landsat ΕΤΜ + (10.04 - 12.05μm). Η διαδικασία αυτή πραγματοποιείται σε τρία στάδια:

(1) υπολογισμός της επιφανειακής εκπομπής,

(2) υπολογισμός των τιμών της θερμοκρασίας φωτεινότητας και

(3) μετατροπή της θερμοκρασίας φωτεινότητας σε LST.

Η Εικόνα 3 δείχνει την κατανομή των τιμών LST στην περιοχή μελέτης. Η μέση LST είναι 43.29°C και η τυπική απόκλιση είναι 4.59. Οι μέσες τιμές και η τυπική απόκλιση της LST για διάφορους τύπους κάλυψης γης, που αναφέρονται στον Πίνακα 2, βοηθούν στην καλύτερη κατανόηση των σχέσεων μεταξύ της LST και των τύπων κάλυψης γης.

1.5. Χωρική συσχέτιση & χωρική παλινδρόμηση

Χωρική αυτοσυσχέτιση σημαίνει ότι η τιμή μιας μεταβλητής σε μια θέση συσχετίζεται με τις τιμές της ίδιας μεταβλητής σε γειτονικές θέσεις. Η ανάλυση παλινδρόμησης αποσκοπεί στην ερμηνεία μιας εξαρτημένης μεταβλητής χρησιμοποιώντας έναν γραμμικό σταθμισμένο συνδυασμό ενός συνόλου ανεξάρτητων μεταβλητών. Δεδομένου ότι οι περισσότερες γεωγραφικές μεταβλητές είναι χωρικά αυτοσυσχετιζόμενες, τα μοντέλα χωρικής παλινδρόμησης είναι περισσότερο κατάλληλα από τα μοντέλα των ελαχίστων τετραγώνων (OLS) για την ανάλυση των σχέσεων μεταξύ των εξαρτημένων και των ανεξάρτητων μεταβλητών. Οι χωρικές μέθοδοι παλινδρόμησης μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: στα χωρικά μοντέλα υστέρησης (SLM) και στα χωρικά μοντέλα σφάλματος (SEM). Τα πρώτα συνυπολογίζουν τη χωρική αυτοσυσχέτιση των εξαρτημένων μεταβλητών, ενώ τα δεύτερα λαμβάνουν υπ’ όψιν τα αποτελέσματα της αυτοσυσχέτισης των τυχαίων σφαλμάτων.

2. Αποτελέσματα

Εικόνα 4: Απεικόνιση της LST . Η αρχική εικόνα διακριτικής ικανότητας 60m φαίνεται στην εικόνα 3. Παρουσιάζονται οι εικόνες για διακριτική ικανότητα από 60 έως 1080 m (a)-(q).

2.1. Ανάλυση ευαισθησίας της χωρικής συσχέτισης της LST σε σχέση με τη χωρική διακριτική ικανότητα

Δεδομένου ότι η θερμότητα ρέει από μια περιοχή υψηλής θερμοκρασίας σε γειτονικές περιοχές χαμηλής θερμοκρασίας, η LST είναι χωρικά αυτοσυσχετισμένη. Στην Εικόνα 4 (α) - (h), φαίνεται ότι η LST εμφανίζει μια ισχυρή χωρική εξάρτηση: εικονοστοιχεία με παρόμοια LST ομαδοποιούνται – τα κόκκινα εικονοστοιχεία (υψηλή LST) περιβάλλονται από πορτοκαλί, ενώ όσα έχουν σκούρο πράσινο χρώμα (χαμηλές τιμές LST) ομαδοποιούνται με τα ανοιχτόχρωμα πράσινα εικονοστοιχεία. Οι κόκκινες ζώνες υψηλής θερμοκρασίας συνδέονται με τις πράσινες ζώνες χαμηλής θερμοκρασίας μέσω κίτρινων εικονοστοιχείων, που αντιπροσωπεύουν ενδιάμεσες θερμοκρασίες. Μια μείωση της διακριτικής ικανότητας οδηγεί σε λιγότερες ομαδοποιήσεις, υποδηλώνοντας μια ασθενέστερη αυτοσυσχέτιση της LST.

2.2. Ανάλυση ευαισθησίας των σχέσεων LST / κάλυψης γης όσον αφορά τη χωρική διακριτική ικανότητα

Για τη διερεύνηση των ποσοτικών σχέσεων μεταξύ της LST και των τύπων κάλυψης γης χρησιμοποιείται ένα χωρικό μοντέλο παλινδρόμησης. Οι σχέσεις αναλύονται σε 18 χωρικές διακριτικές ικανότητες (από 60m έως 1080 m, ανά διαστήματα 60m). Για την επεξεργασία των OLS, SLM και SEM χρησιμοποιείται το λογισμικό GeoDa. Και για τα δύο μοντέλα SLM και SEM, ένα σημαντικό στοιχείο είναι ο χωρικός τελεστής υστέρησης W, ένας n × n πίνακας που περιέχει τα βάρη που περιγράφουν το βαθμό χωρικής συγγένειας (δηλαδή τη γειτνίαση, την εγγύτητα, και τη συνδεσιμότητα) μεταξύ γειτονικών μονάδων ανάλυσης.

3. Συζήτηση

Τα αποτελέσματα της μελέτης δείχνουν ότι η σύνθεση της κάλυψης γης μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την LST. Με την αποκλειστική μέτρηση της επίδρασης της αυτοσυσχέτισης της LST μαζί με την επίδραση των τύπων κάλυψης γης, η παρούσα έρευνα επεκτείνει την επιστημονική κατανόηση των επιπτώσεων των προτύπων κάλυψης γης στην LST στα αστικά τοπία, και προτείνει ένα μεθοδολογικό πλαίσιο, προκειμένου να λαμβάνεται υπόψη η επίδραση της αυτοσυσχέτισης, το οποίο μπορεί να εφαρμοστεί σε μελλοντικές μελέτες σε συναφείς τομείς.

3.1. Συγκρίσεις μεταξύ της κλασικής παλινδρόμησης και των χωρικών μοντέλων παλινδρόμησης

Η επιλογή του κατάλληλου μοντέλου είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση των σχέσεων μεταξύ της LST και των συνθέσεων του τοπίου. Λόγω της αυτοσυσχέτισης της LST, η βασική παραδοχή ότι οι παρατηρήσεις των εξαρτημένων μεταβλητών είναι όλες ανεξάρτητες, δεν μπορεί να αληθεύει. Ως εκ τούτου, η χρήση των παραδοσιακών μοντέλων παλινδρόμησης χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η αυτοσυσχέτιση της εξαρτημένης μεταβλητής, μπορεί να οδηγήσει σε παραπλανητικές εκτιμήσεις των παραμέτρων. Τα πλεονεκτήματα από τη χρήση χωρικών μοντέλων παλινδρόμησης για τη μέτρηση των σχέσεων μεταξύ της LST και των συνθέσεων του τοπίου είναι διττός. Από τη μία πλευρά, αυξάνει σημαντικά τη συνολική καταλληλότητα του μοντέλου με την προσθήκη της αυτοσυσχέτισης της εξαρτημένης μεταβλητής ως επεξηγηματικής μεταβλητής. Από την άλλη πλευρά, επειδή τα μοντέλα χωρικής παλινδρόμησης δεν απαιτούν ανεξαρτησία μεταξύ των παρατηρήσεων, οι εκτιμήσεις των παραμέτρων είναι πολύ πιο αξιόπιστες.

3.2. Συγκρίσεις μεταξύ των SLM και SEM

Όταν τα χωρικά μοντέλα παλινδρόμησης χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της αυτοσυσχέτισης, δύο βασικά ζητήματα χρειάζονται ιδιαίτερη προσοχή: η επιλογή του κατάλληλου μοντέλου και η επιλογή της κατάλληλης μήτρας βαρών. Ένας γενικός κανόνας είναι ότι το SLM είναι πιο αποτελεσματικό όταν η εξαρτημένη μεταβλητή στην περιοχή μελέτης επηρεάζεται από τις τιμές της σε κοντινές περιοχές, ενώ ένα SEM είναι πιο εφαρμόσιμο όταν η χωρική αυτοσυσχέτιση παρουσιάζεται ως μια ενόχληση που προκύπτει από την ακατάλληλη επιλογή του μοντέλου (Zhang, Ma , και Guo, 2006).

4. Συμπεράσματα

Η αξιολόγηση του τρόπου με τον οποίο η LST ανταποκρίνεται στις συνθέσεις τοπίου είναι κρίσιμης σημασίας για την αντιμετώπιση των αρνητικών επιπτώσεων της αστικής νησίδας θερμότητας και είναι απαραίτητο να διαχωριστούν τα αποτελέσματα των συνθέσεων του τοπίου από την επιρροή της αυτοσυσχέτισης της LST. Αυτή η έρευνα εξετάζει τόσο την LST όσο και το τοπίο του Πεκίνου, και διερευνά τις ποσοτικές σχέσεις σε πολλαπλές κλίμακες. Η μελέτη αυτή παρέχει χρήσιμες πληροφορίες στους σχεδιαστές τοπίου που επιδιώκουν να μετριάσουν τον αντίκτυπο της αστικοποίησης στην LST.

Η μελέτη προσέφερε ένα μεθοδολογικό πλαίσιο για την αντιμετώπιση των μεταβαλλόμενων κλιμάκων και τόνισε τη σημασία της κλίμακας ως παραμέτρου των σχέσεων ανάμεσα στην LST και των μοτίβων του τοπίου. Ωστόσο, παρουσιάζει τους ακόλουθους περιορισμούς. Πρώτον, η έρευνα διεξήχθη σε μία περιοχή, χρησιμοποιώντας μόνο μία θερμική εικόνα για την ανάκτηση της LST. Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει την ύπαρξη ημερήσιων και εποχιακών διακυμάνσεων στις σχέσεις μεταξύ της LST και των τύπων κάλυψης γης. Επιπλέον, οι διαφορετικές κλιματολογικές συνθήκες μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά το ημερήσιο εύρος της επιφάνειας επιρροής μιας αστικής θερμικής νησίδας. Επομένως, απαιτούνται περαιτέρω μελέτες με τη χρήση πολλαπλών ημερήσιων και νυκτερινών θερμικών εικόνων από διαφορετικές εποχές.