Προσδιορισμός νησίδων αστικής ρύπανσης με τηλεπισκόπηση στην Μόσχα, Ρωσία
Από RemoteSensing Wiki
Προσδιορισμός νησίδων αστικής ρύπανσης με τηλεπισκόπηση στην Μόσχα, Ρωσία
Determination of urban pollution islands by using remote sensing technology in Moscow, Russia
Συγγραφείς: Natalia Bakaeva, Minh Tuan Le
1. Εισαγωγή
Μια αστική νησίδα θερμότητας είναι η αλλαγή στην θερμική ισορροπία των πόλεων, συγκριτικά με τις επαρχιακές περιοχές, που προκαλείται από την ανθρώπινη δραστηριότητα. Μια νησίδα αστικής ρύπανσης ορίζεται ως η αλλαγή στην συγκέντρωση ρύπων που οφείλεται στην αστική δραστηριότητα. Οι αστικές νησίδες θερμότητας και η αστική ρύπανση συνυπάρχουν καθώς η μία προκαλεί την άλλη.
Οι ρύποι τύπου αεροζόλ που θεωρούνται οι πιο βλαβεροί για τον άνθρωπο. Αεροζόλ είναι το σύνολο των σωματιδίων που έχουν διάμετρο από 0.05μm ως 15μm, από αυτά εκείνα με διάμετρο <2.5μm (PM2.5)θεωρούνται τα πιο βλαβερά για τον άνθρωπο. Για την ανίχνευση χρησιμοποιήθηκαν μετρήσεις από μετεωρολογικούς σταθμούς και δορυφορικές εικόνες. Κάθε pixel της εικόνας λειτουργεί ως σταθμός παρακολούθησης. Οι δορυφορικές εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν είχαν ληφθεί από Landsat 8 OLI.
2. Περιοχή Μελέτης
Ως περιοχή μελέτης επιλέχθηκε η Μόσχα (Σχήμα 1). Βρίσκεται σε υψόμετρο 180m από την επιφάνεια της θάλασσας, χαρακτηρίζεται από υγρό εύκρατο ηπειρωτικό κλίμα με ξεκάθαρη εποχικότητα. Η έκταση της πόλεις εκτείνεται στα 2561km2, με πληθυσμό 12.7 εκατομμύρια.
2.1. Περιγραφή της φύσης της εικόνας που λήφθηκε από τον Landsat 8 στην Μόσχα
Χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 8 OLI η οποίες είχαν ληφθεί τον Ιούνιο του 2019 και τον Δεκέμβρη του 2020 (Σχήμα 3) .
2.2 Δεδομένα για την συγκέντρωση των σωματιδίων PM2.5 που καταγράφτηκαν από μετεωρολογικούς σταθμούς
2.2.1 Περιγραφή των συσκευών που χρησιμοποιήθηκαν για την μέτρηση των PM2.5
Η μέτρηση της συγκέντρωσης γίνεται με αναλυτές σκόνης, οι οποίοι βασίζονται σε μικροϊσορροπία, ραδιοισότοπα και νεφελομετρικά, κάθε ένα από αυτά έχει πλεονεκτήματα και μειωνεκτήματα. Στην συγκεκριμένη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν αναλυτές σκόνης που χρησιμοποιούν νεφελομετρική μέθοδο (Σχήμα 2).
Μετρητές σκόνης που χρησιμοποιούν την νεφελομετρική μέθοδο βασίζονται στην ένταση μιας μονοχρωματικής δέσμης φωτός που σκεδάζεται σε γωνία 90ο στο μέγεθος και συγκέντρωση των σωματιδίων.
2.2.2 Πραγματικά δεδομένα συγκέντρωσης των σωματιδίων PM2.5 καταγεγραμμένα από του μετεωρολογικούς σταθμούς
Τα δεδομένα συγκέντρωσης των σωματιδίων PM2.5 από τους σταθμούς καταγράφτηκαν το 2019 και το 2020 (Σχήμα 4)
3. Μεθοδολογία
Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε είχε τα εξής στάδια: συλλογή δεδομένων, προ επεξεργασία εικόνων, επεξεργασία δεδομένων, επιλογή μοντέλου, έλεγχος και αποτελέσματα.
3.1 Προ επεξεργασία εικόνων
Μετατροπή των αριθμητικών τιμών σε φασματικά μήκη κύματος ή φασματική ανακλαστηκότητα με πολλά επίπεδα διόρθωσης της ακτινοβολίας.
3.2 Μετατροπή αριθμητικών τιμών σε φασματική ακτινοβολία στην κορυφή της ατμόσφαιρας (ΤΟΑ).
Η μετατροπή των τιμών έγινε με την εξής σχέση:
L_λ=M_L×Q_cal+ A_L (1)
3.3 Μετατροπή αριθμητικών τιμών σε ανακλαστηκότητα στο πάνω μέρος της ατμόσφαιρας. Η μετατροπή αυτή έγινε με τη σχέση
ρλ΄=Μ_ρ×Q_cal+ A_ρ (2)
3.4 ΤΟΑ ανακλαστικότητα στα ψηλότερα τμήματα της ατμόσφαιρας λαμβάνοντας υπόψη τη γωνία του ήλιου
ρ_λ= (ρλ΄)/(cos(θ_SZ))=(ρλ΄)/(sin(θ_SE)) (3)
3.5 Ατμοσφαιρική διόρθωση
Στις εικόνες Landsat OLI η ανακλαστικότητα από το έδαφος υπολογίζεται με την εξής σχέση:
ρ=(π×(L_λ-L_P)×d^2)/(T_v×((〖ESUN〗_λ×cos(θ_SZ )×T_Z )+E_down)) (4)
Για την ατμοσφαιρική διόρθωση χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος αφαίρεσης DOS και καθορισμού της ακτινοβολίας της γραμμής μετάδοσης. Η μέθοδος αυτή είναι απλή και ιδιαίτερα αποτελεσματική στην διόρθωση της ατμοσφαιρικής επίδρασης. Για της εικόνες Landsat 8 OLI χρησιμοποιείται η εξής σχέση:
L_P=L_min-0.01×(T_v×(ESUN×cos(θ_SZ )×T_Z )+E_down)/(π×d^2 ) (5)
Η μέθοδος DOS στηρίζεται στις παραμέτρους TV, TZ, και Edown. Επιπλέον χωρίζεται σε διάφορους τύπους (DOS1, DOS2, DOS3, DOS4). Στην μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκε ο DOS1 και οι παράμετροι καθορίστηκαν TV=1, TZ=1, Edown=0. Η σχέση υπολογισμού της ακτινοβολίας της γραμμής μετάδοσης είναι:
L_P=L_min-0.01×(〖ESUN〗_λ×cos(θ_SZ))/(π×d^2 ) (6)
Η ανακλαστηκότητα της επιφάνειας υπολογίστηκε με την εξής σχέση:
ρ=(π×(L_λ-L_P)×d^2)/(〖ESUN〗_λ×cos(θ_SZ)) (7)
‘’3.6 Προετοιμασία της τιμής της ανακλαστικότητας της ατμόσφαιρας’’
Η ανακλαστικότητα στην κορυφή της ατμόσφαιρας ισούται με το άθροισμα της ανακλαστικότητας της γήινης επιφάνειας και της ατμόσφαιρας, έτσι ο συντελεστής ανακλαστικότητας της ατμόσφαιρας υπολογίζεται με την σχέση:
R_atm=ρλ-ρ (8)
Η συσχέτιση ανάμεσα στο πάχος του στρώματος των αεροζολ (AOT) και της περιεκτικότητας του σε PM2.5. Η ηλιακή ακτινοβολία εισέρχεται στο στρώμα των αεροζόλ, ανακλάται μερικώς και φτάνει στον δέκτη. Κομμάτι των ακτινών του Ήλιου χτυπούν ένα αντικείμενο στη Γη και ανακλώνται στον δέκτη. Βάσει της απώλειας ενέργειας που καταγράφει ο δέκτης λόγω της απορρόφησης και της σκέδασης από τα μόρια των αέριων ρύπων και σωματιδίων σκόνης, υπολογίζεται η σύσταση της σκόνης.
Υπολογίζεται η ανακλαστικότητα στο TOA και η ανακλαστικότητα από την επιφάνεια της Γης, βάσει αυτών υπολογίζεται ο συντελεστής ανακλαστικότητας της ατμόσφαιρας. Το οπτικό πάχος του στρώματος του αεροζόλ υπολογίζεται από την εξής σχέση:
ΑΟΤ(λ)=α_0 R(λ) (9)
Η σχέση (8) γράφεται ως εξής:
ΑΟΤ(λ)=α_0 R_λ1+α_j R_λ2+α_2 R_λ3+⋯ (10)
Η σύνδεση μεταξύ των PM και ΑΟΤ γίνεται από ένα ομοιογενές επίπεδο που εμπεριέχει σφαιρικά σωματίδια. Η συγκέντρωση των σωματιδίων στην επιφάνεια λαμβάνεται με τη ξήρανση του δείγματος αέρα.
〖PM〗_x=4/3 πρ∫_0^(χ/2)▒〖r^3 n(r)dr〗 (11)
Βρέθηκε πως τα περιεχόμενα PM συσχετίζονται καλύτερα με το ΑΟΤ. Αντικαθιστώντας το ΑΟΤ με το ΡΜ2.5 στη σχέση (9), προκύπτει η σχέση (11), και ο αλγόριθμος για το κανάλι της εικόνας ή το μήκος κύματος, ΡΜ2.5, απλοποιείται από τη σχέση:
ΡΜ2.5= α_0 R_λ1+α_j R_λ2+α_2 R_λ3+⋯ (12)
3.7 Προσδιορισμός του σφάλματος
Υπολογίζεται από την εξής σχέση:
RMSE=√(∑▒(P_calculation-P_measurement ) ^2/N) (13)
4. Αποτελέσματα
Βάσει της σχέσης (12), έρευνα, ανάλυση συσχέτισης, και ανάλυση παλινδρόμησης των PM2.5, υλοποιήθηκαν μοντέλα υπολογισμού με εικόνες Landsat 8 OLI που ελήφθησαν τον Ιούνιο του 2019. Συνδυάστηκαν τα δεδομένα από τις εικόνες με τα επίγεια δεδομένα για τον υπολογισμό του συντελεστή της εξίσωσης γραμμικής παλινδρόμησης (Σχήμα 5). Επιπλέον, γραμμική ανάλυση παλινδρόμησης εφαρμόστηκε στις επίγειες μετρήσεις (Σχήμα 4). Η τιμή του συντελεστή ατμοσφαιρικής ανακλαστκότητας Ri είναι ανεξάρτητη μεταβλητή ενώ η συγκέντρωση ΡΜ2.5 που μετρήθηκε στους επίγειους σταθμούς είναι η εξαρτημένη μεταβλητή. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο παρακάτω (Σχήμα 6). Όταν χρησιμοποιούνται ανεξάρτητα κανάλια ο συντελεστής R είναι πολύ μικρός. Οι μέγιστες τιμές του συντελεστή παρουσιάζονται όταν συνδυάζονται 4 κανάλια. Για το 2019 R= 0.9143 και R2= 0.8361. Για το 2020 R=0.9889 και R2=0.9779.
Επισημαίνεται πως η πιθανότητα σημασίας (Σχ. 7) δεν θα πρέπει να είναι παραπάνω από 0.05, για να θεωρηθεί το μοντέλο σημαντικό. Η σχέση που χρησιμοποιείται για την χαρτογράφηση του ΡΜ2.5 είναι:
〖ΡΜ〗_2.5=-0.0496-0.20733R_1+0.13929R_2+0.08063R_3-0.0572R_4 (14)
〖ΡΜ〗_2.5=-0.3143R_1+0.3539R_2+0.15012R_3-0.1973R_4 (15)
Βάσει των εξισώσεων (14) και (15) δημιουργήθηκαν χάρτες για τις εικόνες του Ιουνίου 2019 και Δεκεμβρίου 2020 αντίστοιχα (Σχήμα 8, Σχήμα 9).
5. Συζήτηση
5.1 Η σχέση μεταξύ νησίδων αστικής θερμότητας και νησίδων αστικής ρύπανσης
Η πιθανότητα εμφάνισης νησίδων αυξάνεται όσο πλησιέστερα στο κέντρο της πόλης. Οι νησίδες επηρεάζουν τις κλιματολογικές συνθήκες. Σε μερικές περιπτώσεις η θετική συσχέτιση μεταξύ των 2 μπορεί να αναστραφεί. Επιπλέον παρατηρούνται διαφορές από μέρα σε νύχτα.
5.2 Μελλοντική έρευνα
Για μελλοντικές έρευνες θα μπορούσαν να επεκταθούν οι επίγειοι δέκτες για την βελτίωση της ακρίβειας του μοντέλου. Επιπλέον περαιτέρω έρευνα θα μπορούσε να περιλαμβάνει την σύνδεση των αποτελεσμάτων του καθορισμού των σημείων ρύπανσης και υψηλής θερμοκρασίας βάσει μοντέλα προσομοίωσης μικροκλίματος. Έτσι δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στις νησίδες ζέστης στην πόλη που επηρεάζουν την κατανομή λεπτόκοκκων σωματιδίων στην πόλη, δίνοντας ταυτόχρονη λύση στην μείωση των νησίδων υψηλής θερμοκρασίας και ρύπανσης.
6. Συμπεράσματα
Η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί με διάφορους συντελεστές για την αύξηση της ακρίβειας της δορυφορικής εικόνας σε συνδυασμό με δεδομένα για την συγκέντρωση των ρύπων από επίγειες μετρήσεις. Οι ζώνες ρύπανσης παρατηρήθηκαν στο κέντρο της πόλης, στα βόρεια και μειώνονται στα νοτιοδυτικά.
