Τηλεπισκοπική αξιολόγηση των θερμικών νησίδων και του χωρικού σχεδιασμού τους στην μητροπολιτική περιοχή της Shangai στην Κίνα

Από RemoteSensing Wiki

---

Αναθεώρηση της 15:53, 14 Ιανουαρίου 2011

Τηλεπισκοπική αξιολόγηση των θερμικών νησίδων και του χωρικού σχεδιασμού τους στην μητροπολιτική περιοχή της Shangai στην Κίνα

Remote sensing evaluation of urban heat island and its spatial pattern of the Shanghai metropolitan area, China

Juan-juan Li, Xiang-rong Wang, Xin-jun Wang, Wei-chun Ma, Hao Zhang

Πηγή: Science Direct

1. Εισαγωγή

Ένα αστικό πρόβλημα με όλο και αυξανόμενο ενδιαφέρον είναι αυτό των θερμικών νησίδων ( UHI ), που συνδέεται άμεσα με την ανθρώπινη δραστηριότητα. Το φαινόμενο αυτό δημιουργείται όταν η θερμοκρασία διαφοροποιείται αρκετά μεταξύ των πόλεων και των αγροτικών περιοχών που τις περιβάλλουν, με υψηλότερες θερμοκρασίες στις πυκνοδομημένες πόλεις. Τα τελευταία χρόνια δορυφορικά συστήματα όπως τα ITOS-I, VHRR, HCMM, Landsat TM, Landsat ETM+ και MODIS χρησιμοποιούνται για την μέτρηση της επιφανειακής θερμοκρασίας σε μεγάλες κλίμακες. Στην Κίνα η περιοχή του ποταμού Yangtze, είναι μία από τις ταχύτερα αναπτυσσόμενες και πυκνότερα κατοικημένες. Η Shangai είναι η κινητήρια και κύρια μεγαλούπολη αυτής της περιοχής και προσφέρεται για την μελέτη του φαινομένου των θερμικών νησίδων. Η μελέτη αυτή θα γίνει με τη συνδυαστική χρήση δεδομένων τηλεπισκόπισης και γεωγραφικών συστημάτων παρακολούθησης, για την περίοδο 1997 έως 2004.

2. Δεδομένα και μέθοδοι

2.1 Περιοχή μελέτης

Η Shangai ( εικόνα 1 ) έχει βόρειο υποτροπικό μουσωνικό κλίμα, με μέση ετήσια θερμοκρασία 15 oC. Οι μέσες υψηλές θερμοκρασίες της είναι 28 oC ενώ οι χαμηλές είναι 4 oC. Η μέση ετήσια βροχόπτωση είναι 1000-1200 mm. Η Shangai από το 1990 και μετά γνωρίζει μία πρωτοφανή ανάπτυξη.

2.2 Προσδιορισμός των χρήσεων και της κάλυψης γης ( LULC )

Προκειμένου να εξακριβωθούν οι επιπτώσεις από τις ανθρώπινες δραστηριότητες στην περιοχή, χρειάζεται ταξινόμηση της κάλυψης γης. Γι αυτό χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα του Landsat TM από την 11/4/1997 και την 19/7/2004. Τα δεδομένα αυτά επεξεργάσθηκαν με τον αλγόριθμο της πλησιέστερης γειτονίας, ώστε να διατηρηθούν οι αρχικές τιμές φωτεινότητας των pixel. Το πρόγραμμα που χρησιμοποιήθηκε είναι το GEOSTAR 1. Σύμφωνα με την προκαθορισμένη ταξινόμηση δημιουργήθηκαν έξι κατηγορίες κάλυψης γης και δύο ψευδοχρωματικές απεικονίσεις με συνδυσμό των καναλιών 5, 4 και 3. Η επιβλεπόμενη εξαγωγή υπογραφών με τον αλγόριθμο μέγιστης πιθανοφάνειας, χρησιμοποιήθηκε για ταξινόμηση των εικόνων. Επιπλέον για κάθε κατηγορία, επιλέχθηκαν τουλάχιστον 50 δείγματα, ώστε να ελεγχθεί η ακρίβεια των ταξινομημένων χαρτών. Τέλος οι χρήσεις γης επαναταξινομήθηκαν, ώστε να απλοποιηθεί η μελέτη εκπομπών. Έτσι οι κατηγορίες μειώθηκαν από 6 σε 4, η περιοχή βλάστησης ( δάσος, καλλιέργειες, θάμνοι ), νερό, η δομημένη περιοχή και η γυμνή γη.

2.3 Ανάκτηση των επιφανειακών θερμοκρασιών ( LST )

Ένα τετραγωνικό μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για την μετατροπή των ψηφιακών τιμών του θερμικού υπέρυθρου καναλιού ( TIR ) του Landsat TM, σε θερμοκρασιακές ακτινοβολίες. Κάθε μία από τις περιοχές συνδέθηκε με μία τιμή εκπομπής. Οι τιμές εκπομπής εξαρτώνται από το είδος της περιοχής και καθορίστηκαν σε 0,95 για τη βλάστηση, 0,923 για τα κτίρια, 0,92 για το γυμνό έδαφος και 0,9925 για το νερό.

2.4 Εντοπισμός της χωρικής ετερογένειας της επιφανειακής θερμότητας

Οι χρήσεις γης διαφέρουν σημαντικά μεταξύ αστικών και αγροτικών περιοχών. Ετσι τόσο οι τύποι, όσο και οι επιφανειακές θερμοκρασίες εξαρτώνται από το χώρο. Στο σημείο αυτό χρησιμοποιήθηκαν διαγράμματα συσχετισμού και διαφοροποίησης για την ποσοτικοποίηση του βαθμού στον οποίο τα δείγματα παρουσιάζουν χωρικό αυτοσυσχετισμό και η απόσταση στην οποία υπήρχε συσχετισμός.

3. Αποτελέσματα

3.1 Οι χρήσεις γης στην Shangai

Στις εικόνες 2 και 3 παρουσιάζονται οι διαφορετικοί τύποι χρήσεων γης κατά την εξεταζόμενη περίοδο. Το 1997 τα σύνορα μεταξύ των κεντρικών αστικών περιοχών και των περιφερειακών πόλεων, είναι ξεκάθαρα. Σε αντίθεση το 2004 τόσο η κεντρική αστική περιοχή, όσο και οι προάστιες πόλεις, έχουν αυξηθεί σε έκταση.

3.2 Χωρική και χρονική κατανομή του φαινομένου των θερμικών νησίδων

Τα χαρακτηριστικά των επιφανειακών θερμοκρασιών περιέχονται στον πίνακα 1. Στις εικόνες 4 και 5 φαίνεται η εξάπλωση των θερμικών νησίδων για την εξεταζόμενη περίοδο. Το 1997 οι περιοχές με την υψηλότερη ακτινοβολούσα θερμοκρασία, βρίσκονται κυρίως στα κέντρα της κεντρικής πόλης και των μικρότερων πόλεων που την περιβάλλουν και φαίνεται να συνδέονται γραμμικά μεταξύ τους μέσω των κεντρικών οδικών δικτύων. Το 2004 όμως, οι θερμικές νησίδες εξαπλώθηκαν δραματικά από το εσωτερικό δίκτυο των αυτοκινητόδρομων στο εξωτερικό δίκτυο που συνδέει τα προάστια και τις γύρω πόλεις, που παλιότερα χαρακτηρίζονταν από υψηλότερες θερμοκρασίες μόνο στα κέντρα τους.

3.3 Σχέση κάλυψης γης και θερμικών νησίδων

Η μεταβολή των θερμικών νησίδων συνδέεται με διάφορες παραμέτρους όπως οι αλλαγές στις χρήσεις γης, η γεωμετρία της αστικής επιφάνειας, η εποχή, το κλίμα, τα μετεωρολογικά δεδομένα κλπ. Λόγω των περιορισμών των τηλεσκοπικών δεδομένων θα επικεντρωθούμε μόνο στον παράγοντα των χρήσεων και καλύψεων γης. Τα ποσοτικά δεδομένα του πίνακα 2, δείχνουν τη μέση θερμοκρασία της επιφάνειας για κάθε τύπο γεωκάλυψης. Καθαρά φαίνεται και για τις δύο ημερομηνίες, οι δομημένες περιοχές έχουν τις υψηλότερες θερμοκρασίες, ενώ ακολουθούν οι περιοχές με γυμνό έδαφος.

4. Συμπεράσματα

Τις τελευταίες δεκαετίες οι τηλεπισκοπικές μετρήσεις των επιφανειακών θερμοκρασιών, χρησιμοποιούνται για την μελέτη του φαινομένου των θερμικών νησίδων, με χρήση των θερμικών υπέρυθρων δεδομένων δεκτών όπως ο NOAA AVHRR, Landsat TM και ΕΤΜ+ και ο MODIS. Τα δεδομένα αυτά παρέχουν μεγάλη χωρική κάλυψη, αλλά μικρή θερμοκρασιακή ανάλυση. Ακόμα κάποιες φορές διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους. Έτσι λοιπόν η διαφορά της ώρας, της ανάλυσης, των δεκτών και άλλων πολλών παραγόντων, μπορούν να κάνουν τη δυναμική και το φαινόμενο των θερμικών νησίδων να παρουσιάζεται ιδιαίτερα πολύπλοκο.