Τεχνικές τηλεπισκόπησης για τη χρήση της γης και την ανάλυση της επιφανειακής θερμοκρασίας για την Βαγδάτη, Ιράκ

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 06:56, 28 Φεβρουαρίου 2010

Τεχνικές τηλεπισκόπησης για τη χρήση της γης και την ανάλυση της επιφανειακής θερμοκρασίας για την Βαγδάτη, Ιράκ

Η πόλη της Βαγδάτης γνώρισε μια ταχεία αστική επέκταση των κατά τις τελευταίες δεκαετίες λόγω της επιταχυνόμενης οικονομικής ανάπτυξης. Αυτό το έγγραφο αξιολογεί τις επιπτώσεις της κατασκευαστικής ανάπτυξης στη Βαγδάτη στην επιφανειακή θερμοκρασία με χρήση της τηλεπισκόπησης και των ΓΠΣ. Σε αυτή τη μελέτη, αναλύθηκε μέσω δορυφορικής πληροφορίας η φωτεινότητα της θερμοκρασίας και σε σύγκριση με πληροφορίες κάλυψης της γης που αποκτήθηκαν από την υψηλή ανάλυση δορυφορικών εικόνων LANDSAT 7 και εξετάστηκε η μεταξύ τους σχέση.

Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η ανάλυση και η επαλήθευση της χωρικής κατανομής της επιφανειακής θερμοκρασίας χρησιμοποιώντας αστικές χωρικές πληροφορίες, που σχετίζονται με τη χρήση γης / κάλυψη και τον δείκτη NDVI κάνοντας χρήση των δεδομένων της τηλεπισκόπησης και των ΓΣΠ. Η επιφανειακή θερμοκρασία, το πρότυπο κάλυψης γης και ο δείκτης NDVI προήλθαν από LANDSAT 7 δεδομένα. Στη συνέχεια, οι θερμοκρασίες της επιφάνειας της γης συνδέθηκαν με τα δεδομένα χρήσεων γης της περιοχής της Βαγδάτης για περαιτέρω διερεύνηση της σχέσης μεταξύ της συμπεριφοράς της θερμοκρασίας και των αστικών δομών. Ο κανονικοποιημένος δείκτης βλάστησης (Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)) χρησιμοποιήθηκε για να εξετάσει τη σχέση μεταξύ θερμικής συμπεριφοράς και της ποσότητας κάλυψης βλάστησης.

Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η αρνητική συσχέτιση περισσότερο από το 85% είχε εντοπιστεί από τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη συσχέτιση και την ανάλυση παλινδρόμησης της εξαχθείσας επιφανειακής θερμοκρασίας από τα δεδομένων της εικόνας Landsat με το δείκτη NDVI. Επίσης, η έρευνα αυτή επαλήθευσε το ότι η κατανομή της αστικής επιφανειακής θερμοκρασίας είναι πολύ διαφορετική και ότι εξαρτάται από το είδος των εκτάσεων που καλύπτουν την περιοχή μελέτης.

Η αστικοποίηση και τη μετατροπή των χρήσεων γης (αλλαγή χρήσης και κάλυψης) σχετίζονται με την ανάπτυξη του πληθυσμού και της οικονομίας και αποτελούν το κύριο είδος αλλαγής στην ιστορία του ανθρώπου. Αυτή η διαδικασία έχει μεγάλη επίδραση στο κλίμα. Καλυπτόμενες με κτίρια, δρόμους και άλλες αδιαπέραστες επιφάνειες, οι αστικές περιοχές γενικά έχουν υψηλότερη απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας, και μεγαλύτερη θερμική αγωγιμότητα και χωρητικότητα, έτσι ώστε να αποθηκεύεται θερμότητα κατά τη διάρκεια της ημέρας και απελευθερώνεται τη νύχτα. Ως εκ τούτου, οι αστικές περιοχές τείνουν να εμφανίζουν μια σχετικά υψηλότερη θερμοκρασία σε σύγκριση με τις γύρω αγροτικές περιοχές. Αυτή η θερμική διαφορά, σε συνδυασμό με τα θερμικά απόβλητα που απελευθερώνονται από τις αστικές περιοχές, τις μεταφορές και τη βιομηχανία, συμβάλουν στην ανάπτυξη της «urban heat island (UHI)». Η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των αστικών και των αγροτικών περιοχών αυξάνονται κατά πολλούς βαθμούς με ειδικές αστικές, τοπογραφικές και μετεωρολογικές συνθήκες (Mather 1986).

Είναι πολύ σημαντικό να αποκτηθούν πληροφορίες για ολόκληρες περιοχές θερμοκρασίας ενώ τα θερμοκρασιακά περιβαλλοντικά προβλήματα των πόλεων είναι ακόμα αντικείμενα έρευνας. Τα δορυφορικά δεδομένα είναι επίσης χρήσιμα για την παροχή πληροφοριών σχετικά με την κάλυψη της γης. Η πρόσφατη ανάπτυξη της υψηλής ανάλυσης δορυφορικών εικόνων σημαίνει ότι τώρα μπορούν να αναμένονται πιο λεπτομερείς αναλύσεις. Η πληροφορία της φωτεινότητας της θερμοκρασίας από δορυφορικά δεδομένα σε συνδυασμό με την ταυτόχρονη χρήση/κάλυψη γης μέσω δορυφόρου είναι πολύ χρήσιμη για την κατανόηση επιφανειακών συνθηκών των αστικών περιοχών. Είναι δυνατή η αξιολόγηση της σχέσης μεταξύ του καλυπτόμενου εδάφους και της θερμοκρασίας της πόλης με χρήση δορυφορικών δεδομένων. Έχει πλέον καταστεί δυνατό να αποκτηθεί λεπτομερή γνώση της κάλυψης γης που να καθορίζει την υψηλή θερμοκρασία της αστικής περιοχής χρησιμοποιώντας πληροφορίες από μια ευρύτερη περιοχή. Επιπλέον, αυτές οι πληροφορίες είναι σε ψηφιακή μορφή.

Η φωτεινότητα της θερμοκρασίας που παρατηρήθηκε από δορυφορικές εικόνες είναι πολύ χρήσιμη για την αξιολόγηση όλη των ζωνών θερμοκρασίας για τη μελέτη των θερμοκρασιακών προβλημάτων του αστικού περιβάλλοντος. Μελέτες σχετικές με τα χαρακτηριστικά της επιφανειακής θερμοκρασίας των αστικών περιοχών μέσω δορυφορικών δεδομένων έχουν διεξαχθεί κυρίως με τη χρήση δεδομένων NOAA AVHRR (Balling και Brazell 1988, Roth et al. 1989, Gallo et al. 1993a). Η χωρική ανάλυση των NOAA δεδομένων (1.1KM) είναι κατάλληλη μόνο για μικρής κλίμακας αστική χαρτογράφηση της θερμοκρασίας. Η πολύ υψηλότερη ανάλυση (120 μ.) των θερμικών υπέρυθρων δεδομένων του Landsat TM χρησιμοποιείται σπάνια για την άντληση στοιχείων επιφανειακής θερμοκρασίας. Πρόσφατα, οι Carnahan και Larson (1990) χρησιμοποίησαν τα TM θερμικά υπέρυθρα δεδομένα για να παρατηρήσουν διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ αστικών και αγροτικών περιοχών.

Στη Βαγδάτη, τα μοντέλα χρήσεων/καλύψεων γης έχουν υποστεί μια θεμελιώδη αλλαγή που οφείλεται στην επιταχυνόμενη επέκτασή της από το 1958. Η αστική ανάπτυξη έχει επιταχυνθεί, και έχει συμβεί μεγάλη επιβάρυνση στο περιβάλλον. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα στην πόλη όπου η γεωργική γη εξαφανίζεται κάθε χρόνο και μετατρέπεται σε αστική ή σε κάποια συναφή χρήση. Η αξιολόγηση του μεγέθους ανάπτυξης και ο τρόπος της αστικής ανάπτυξης του Ιράκ είναι επείγουσα ανάγκη. Επιπλέον, λόγω της έλλειψης κατάλληλου σχεδιασμού της χρήσης γης και των μέτρων για την αειφόρο ανάπτυξη, η τυχαία ανάπτυξη του αστικού χώρου έχει δημιουργήσει σοβαρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Έτσι, υπάρχει επίσης η ανάγκη να εκτιμηθούν οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις της ταχείας αστικής ανάπτυξης.

Η ενσωμάτωση της τηλεπισκόπησης και γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών (GIS), έχει εφαρμοστεί ευρέως και έχει αναγνωριστεί ως ένα ισχυρό και αποτελεσματικό εργαλείο για την ανίχνευση των αστικών χρήσεων γης και της αλλαγής κάλυψης της γης (Ehlers et al. 1990, Treitz et al. 1992, Harris and Ventura 1995).H δορυφορική τηλεπισκόπηση συλλέγει πολυφασματικά δεδομένα και τα μετατρέπει σε πληροφορίες πολύτιμες για την κατανόηση και παρακολούθηση των διαδικασιών της αστικής γης αλλά και για την οικοδόμηση των αστικών συνόλων δεδομένων κάλυψη γης. Η τεχνολογία των ΓΠΣ παρέχει ένα ευέλικτο περιβάλλον για την είσοδο, την ανάλυση και την παρουσίαση ψηφιακών δεδομένων από διάφορες πηγές απαραίτητες για την αναγνώριση αστικών χαρακτηριστικών, την ανίχνευση των αλλαγών και την ανάπτυξη της βάσης δεδομένων. Ωστόσο, λίγες από τις μελέτες αστικής ανάπτυξης έχουν σχέση με την αλλαγή μετά την ανίχνευση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων.

Σε αυτή τη μελέτη, η σχέση μεταξύ της κάλυψης γης και της θερμοκρασίας σε μια αστική περιοχή αναλύεται και εξετάζεται με τη βοήθεια δορυφορικών δεδομένων από τον Landsat 7. Το κανάλι 6 του Landsat χρησιμοποιήθηκε για τη φωτεινότητα της θερμοκρασίας που διασταυρώνεται με τη χρήση/κάλυψη γης και το δείκτη NDVI από άλλα κανάλια του LANDSAT 7 ETM +.

Η εικόνα Landsat 7 ETM + χρησιμοποιήθηκε για να προσδιορίσει αποτελεσματικά τις τάξεις κάλυψης/χρήσεων γης και την επιφανειακή θερμοκρασία για την πόλη της Βαγδάτης. Οι LANDSAT 7 ETM + εικόνες με ημερομηνία 6/9/2002 της Βαγδάτης αναλύθηκαν σε σχέση με την επιφανειακή θερμοκρασία. Οι εργασίες της εν λόγω έρευνας παρουσιάζονται στο ακόλουθο διάγραμμα:

• LANDSAT 7 ETM + με ημερομηνία 6/9/2002

• Ραδιομετρικές και γεωμετρικές διορθώσεις

• Εξαγωγή αστικών χωρικών πληροφοριών: Δείκτης NDVI, επιφανειακή θερμοκρασία, τάξεις καλύψεων γης

• Χωρική ανάλυση

• Επαλήθευση της χωρικής κατανομής της επιφανειακής θερμοκρασίας

Η προσαρμογή του ιστογράμματος χρησιμοποιήθηκε για την ελαχιστοποίηση των ατμοσφαιρικών επιδράσεων. Αυτή η μέθοδος βασίζεται κυρίως στο γεγονός ότι τα υπέρυθρα δεδομένα είναι σε μεγάλο βαθμό απαλλαγμένα από την ατμοσφαιρική σκέδαση, ενώ οι ορατές περιοχές επηρεάζονται έντονα από αυτή. Κανονικά, τα δεδομένα που συλλέγονται σε διακριτά μήκη κύματος έχουν υψηλότερη ελάχιστη τιμή λόγω της αυξημένης σκέδασης της ατμόσφαιρας που λαμβάνει χώρα σε αυτά τα μήκη κύματος. Έτσι, το ιστόγραμμα θα πρέπει να μετατοπίζεται προς τα αριστερά, έτσι ώστε η επίδραση της ατμοσφαιρικής σκέδασης να ελαχιστοποιείται κάπως.

Ένα καλό εργαλείο που θα βοηθήσει στην κατανόηση των χωρικών σχέσεων των δεδομένων είναι το Spatial Analyst του ArcView. Αυτή η κατανόηση μπορεί να είναι τόσο απλή όσο η προβολή και η αναζήτηση των δεδομένων ή ως και πιο πολύπλοκη, δεδομένου της δημιουργίας ολοκληρωμένων εφαρμογών.

Ταξινόμηση καλύψεων γης για αστική επέκταση

Με τη χρήση του λογισμικού ENVI, η εικόνα διορθώθηκε ραδιομετρικά και ενισχύθηκε χρησιμοποιώντας «relative correction» και η μεθόδους βελτίωσης (ι προσαρμογή ιστογράμματος), για την αυξηθεί ο όγκος της ορατής πληροφορίας. Μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση με τη μέθοδο Κ-μέσου χρησιμοποιήθηκε αρχικά ώστε να αποκτηθεί μια αρχική ιδέα σχετικά με φασματικό πρότυπο της περιοχής.

Εικόνα 1: Μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση με τη μέθοδο Κ-μέσου

Για την μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση είχαν χαρτογραφηθεί πρότυπα χρήσεων/καλύψεων γης των landsat 7 ETM + δεδομένων. Μετά την επιλογή των περιοχών εκπαίδευσης, διεξήχθη μια επιβλεπόμενη ταξινόμηση με τη μέγιστη πιθανοφάνειας για να κατατάξει τις εικόνες Landsat χρησιμοποιώντας τα κανάλια: 2 (πράσινο), 3 (κόκκινο) και 4 (εγγύς υπέρυθρο). Η περιοχή μελέτης κατατάχθηκε σε οκτώ χρήσεις/καλύψεις γης (βλέπε εικόνα 2).

Η ακρίβεια της ταξινόμησης επαληθεύτηκε από επίγειο έλεγχο ή με σύγκριση με τους υφιστάμενους χάρτες χρήσεων/καλύψεων γης που έχουν ελεγχθεί στο πεδίο. Στη συνέχεια, τα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν ως βασικά στοιχεία για την ανάλυση της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης με την χρήση προτύπου κάλυψης / χρήσης γης. Σαφώς, τα χρησιμοποιούμενα LANDSAT δεδομένα έχουν αρκετά υψηλή ακρίβεια, και είναι συνεπώς ανεπαρκή για την ταξινόμηση των χρήσεων γης και για την ανίχνευση της αστικής ανάπτυξης.

Εικόνα 2: Επιβλεπόμενη ταξινόμηση μα τη μέθοδο της μέγιστης πιθανοφάνειας

Από την παραπάνω ταξινόμηση γίνεται σαφές ότι υπήρξε σημαντική αύξηση στις οικοδομήσιμες περιοχές σε σχέση με άλλους κλάδους. Χώροι κατοικίας, εμπορικοί και βιομηχανικοί χώροι καταλαμβάνονται σημαντικό τμήμα της περιοχής μελέτης, η οποία αντιστοιχεί περίπου στο 62% της συνολικής έκτασης, ενώ μόνο το 38% της συνολικής έκτασης καλύπτουν άλλα πρότυπα (νερό, οπωρώνες και άγονη γη).

Η αστική ανάπτυξη συνήθως δημιουργεί μια δραματική αλλαγή της επιφάνειας της Γης: Η φυσική βλάστηση αφαιρείται και αντικαθίσταται από μη-εξατμιζόμενες και μη διαπνεόμενες επιφάνειες όπως το μέταλλο, η άσφαλτος και το σκυρόδεμα. Αυτή η αλλαγή θα οδηγήσει αναπόφευκτα στην ανακατανομή της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας, και θα προκαλέσει την αστική-αγροτική αντίθεση στην επιφανειακή ακτινοβολία και στη θερμοκρασία του αέρα. Η διαφορά στη θερμοκρασία του αέρα μεταξύ του αστικού περιβάλλοντος και της αγροτικής περιοχής είναι γνωστή ως το αποτέλεσμα της UHI. Δεδομένης της σχέσης μεταξύ της θερμοκρασίας της επιφανειακής ακτινοβολίας και της υφής της κάλυψης της γης, οι επιπτώσεις της αστικής ανάπτυξης στην επιφανειακή θερμοκρασία μπορούν να αξιολογηθούν.

Συμπεράσματα

Μια ολοκληρωμένη προσέγγιση της τηλεπισκόπησης εφαρμόστηκε για την ταχεία αξιολόγηση των αστικών εκτάσεων της πόλης της Βαγδάτης και τον αντίκτυπό της στην επιφανειακή θερμοκρασία. Σε αυτή τη μελέτη αναλύεται η χωρική κατανομή της αστικής θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης, σύμφωνα με την κάλυψη γης και του τύπου NDVI με δεδομένα τηλεπισκόπησης. Τα αποτελέσματα συνοψίζονται ως εξής:

1 - Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της ανάλυσης της θερμοκρασίας της επιφάνειας από την άποψη της κάλυψης της γης, τα εμπορικά και τα πυκνά κατοικημένη περιοχή επαληθεύτηκαν ως περιοχές υψηλής επιφανειακής θερμοκρασίας με χαμηλότερο συντελεστή κάλυψη βλάστησης.

2 - Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η αστική ανάπτυξη γης αυξάνει την επιφανειακή θερμοκρασία. Το μοντέλο της χωρικής κατανομής των θερμοκρασιών επιφάνειας συσχετίστηκε με το πρότυπο της αστικής επέκτασης. Το άμεσο αποτέλεσμα της αστικής χρήσης γης ή της αλλαγής κάλυψης, μπορεί να προκαλέσει έμμεσο αποτέλεσμα σε ένα στοιχείο του περιβάλλοντος. Η αύξηση της ακτινοβολίας της επιφανειακής θερμοκρασίας σχετιζόταν με την μείωση της βιομάζας.

3 - Η μεθοδολογία που εφαρμόστηκε στην παρούσα μελέτη παρέχει μια εναλλακτική λύση στο παραδοσιακή εμπειρική παρατήρηση και ανάλυση με τη χρήση επιτόπιων δεδομένων για την εκπόνηση περιβαλλοντικών μελετών. Η μεθοδολογία αυτή πρέπει να εφαρμόζεται και σε άλλες περιοχές που υφίστανται ταχεία αστικοποίηση.