Ανίχνευση μεταβολών των αστικών νησίδων θερμότητας με τη χρήση εικόνων Landsat: μελέτη περίπτωσης για την πόλη του Καΐρου, Αίγυπτος

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 12:19, 7 Απριλίου 2015

Πρωτότυπος τίτλος: "Change detection of urban heat islands and some related parameters using multi-temporal Landsat images; a case study for Cairo city, Egypt"

Συγγραφείς: Hala Adel Effat, Ossman Abdel Kader Hassan

Λέξεις Κλειδιά: Επιφανειακή Θερμοκρασία (LST), Αστική Θερμική Νησίδα (UHI), Landsat, Θερμικό Υπέρυθρο, Κάιρο

Πηγή: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212095514000832

Περίληψη

Το Κάιρο έχει μια μοναδική γεωγραφική θέση και παρουσιάζει μία από τις υψηλότερες οικιστικές πυκνότητες σε παγκόσμιο επίπεδο. Η παρούσα μελέτη επιχειρεί να χαρτογραφήσει και να ανιχνεύσει μεταβολές στην κάλυψη γης και στις αστικές νησίδες θερμότητας που σημειώθηκαν στο Κάιρο κατά τη διάρκεια των τριών τελευταίων δεκαετιών με τη χρήση multi-temporal δορυφορικών δεδομένων Landsat TM.

Εισαγωγή

Μια Αστική Νησίδα Θερμότητας είναι η περίσσεια θερμότητας που εμφανίζεται στην ατμόσφαιρας μιας αστικής περιοχής σε σύγκριση με τους μη-αστικοποιημένους περιβάλλοντες χώρους. Οι αστικές περιοχές γενικά παρουσιάζουν υψηλότερη απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας και μεγαλύτερη θερμική χωρητικότητα και αγωγιμότητα, καθώς αποτελούνται από κτήρια, δρόμους και άλλες μη διαπερατές επιφάνειες. Η θερμότητα αποθηκεύεται κατά τη διάρκεια της ημέρας και απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της νύχτας. Ως εκ τούτου, οι αστικές περιοχές τείνουν να εμφανίζουν σχετικά υψηλότερη θερμοκρασία σε σχέση με τις γύρω αγροτικές περιοχές. Αυτή η θερμική διαφορά, σε συνδυασμό με την απορριπτόμενη θερμότητα που απελευθερώνεται από αστικά σπίτια, τις μεταφορές και τη βιομηχανία, συμβάλλουν στην ανάπτυξη της Αστικής θερμικής Νησίδας (UHI).

1.1. Κάιρο: τοποθεσία, περιγραφή του προβλήματος και ανασκόπηση της βιβλιογραφίας

Εικόνα 1: (α) η τοποθεσία της πόλης του Καΐρου, (β) η πόλη του Καΐρου το 2007, εικόνα ανακτημένη από το Google Earth.

Η πόλη του Καΐρου βρίσκεται σε γεωγραφικό πλάτος 30° 06’ Β και γεωγραφικό μήκος 31 28’ E σε υψόμετρο 74,5 m asl. Η πόλη βρίσκεται στα ανατολικά του ποταμού Νείλου, νότια του Δέλτα του ποταμού. Συνορεύει από τα δυτικά με την αστική περιοχή του Κυβερνείου της Γκίζας στις δυτικές όχθες του ποταμού Νείλου (Εικ. 1). Η πόλη χαρακτηρίζεται από την παρουσία των λόφων του Ελ Moqattam στα νοτιοανατολικά και έρημο που εκτείνεται προς την ανατολική κατεύθυνση (Robaa, 2003). Το νότιο άκρο του Κυβερνείου του Qalyubia συνορεύει με την πόλη του Καΐρου από την βορειοδυτική πλευρά. Η τοποθεσία του Καΐρου είναι μοναδική: περιλαμβάνει τμήμα του Δέλτα του Νείλου, καλλιεργούμενες εκτάσεις και τον ποταμό Νείλο, στα δυτικά και γυμνές εκτάσεις της ερήμου στα ανατολικά.

2. Τα δεδομένα

Δορυφορικά δεδομένα Landsat πολλαπλών χρονικών στιγμών χρησιμοποιήθηκαν για την ανίχνευση των μεταβολών στις αστικές νησίδες θερμότητας (UHI) πάνω από το Κάιρο, κατά τη διάρκεια των καλοκαιρινών περιόδων. Μια περίοδος τριών δεκαετιών καλύφθηκε από πέντε υπο-σκηνές, που αποκτήθηκαν στις 20 Σεπτεμβρίου 1984, στις 4 Αυγούστου 1990, στις 26 Αυγούστου 2001, στις 28 Αυγούστου 2006 και στις 18 Αυγούστου 2013. Τα δεδομένα δημιουργήθηκαν από την U.S. Geological Survey (2013) και λήφθηκαν σε μορφή αρχείου εικόνας (GeoTIFF). Τα δεδομένα αποκτήθηκαν από τους αισθητήρες Landsat-5TM και Landsat-7 ΕΤΜ+. Το κανάλι 6 (θερμικό υπέρυθρο) χρησιμοποιήθηκε για τη θερμική χαρτογράφηση και την ανίχνευση των αστικών νησίδων θερμότητας. Τα κανάλια 1, 2, 3, 4, 5 και 7 χρησιμοποιήθηκαν για τη χαρτογράφηση των χρήσεων γης / κάλυψης γης και των σχετικών αλλαγών. Μια γεωγραφική βάση δεδομένων για την πόλη του Καΐρου, η οποία δημιουργήθηκε από τον Egyptian General Organization for Physical Planning (2010), χρησιμοποιήθηκε για αυτή τη μελέτη.

3. Μεθοδολογία

Αρκετές τεχνικές επεξεργασίας εικόνας με τη χρήση των λογισμικών ENVI 4.8 και ArcGIS 10 εφαρμόστηκαν για τη μελέτη των αλλαγών της χρήση γης / κάλυψης γης και της σχετικής επιφανειακής θερμοκρασίας στην πόλη του Καΐρου.

Εικόνα 2: Ανίχνευση των μεταβολών στην κάλυψη γης με τη χρήση εικόνων Landsat TM, ETM από πολλαπλές χρονικές στιγμές.

3.1 Χαρτογράφηση μεταβολών κάλυψης γης/χρήσης γης στην περιοχή του Καΐρου

Τα κανάλια 1-5 και 7 έχουν χωρική διακριτική ικανότητα 30m, ενώ το θερμικό υπέρυθρο κανάλι (κανάλι 6) έχει χωρική διακριτική ικανότητα 120m για τις εικόνες Landsat 5 TM και 60m για τις εικόνες Landsat 7ETM+. Οι εικόνες αυτές υποβλήθηκαν σε αναγωγή με τη βοήθεια του αλγόριθμου του εγγύτερου γείτονα, με μέγεθος pixel 30m για τα κανάλια 1,2,3,4,5 και 7, ενώ για την ανάλυση των μεταβολών της θερμοκρασίας και των χρήσεων γης/κάλυψης γης στην περιοχή μελέτης, οι εικόνες υποβλήθηκαν σε γεωαναφορά στο ίδιο σύστημα συντεταγμένων (UTM/WGS84). Για την ταξινόμηση των εικόνων Landsat, χρησιμοποιήθηκε ο αλγόριθμος της μέγιστης πιθανοφάνειας.

3.2 Ανίχνευση μεταβολών στη φωταύγεια

Για τον υπολογισμό της φωταύγειας, χρησιμοποήθηκε ο τύπος του Liang(2000), ο οποίος κανονικοποιήθηκε από τον Smith (2010), Οι χάρτες που προέκυψαν ταξινομήθηκαν με τη μέθοδο της τυπικής απόκλισης

3.3 Ανίχνευση μεταβολών στον Κανονικοποιημένο Δείκτη Βλάστησης (NDVI)

Ο Κανονικοποιημένος Δείκτης Βλάστησης υπολογίστηκε και για τις πέντε εικόνες από τον τύπο : NDVI = (near - infrared) – red / (near – infrared) + red

3.4 Ανάκτηση της επιφανειακής θερμοκρασίας της γης από το θερμικό κανάλι του Landsat

Εικόνα 3: Χάρτες της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης με τη χρήση εικόνων Landsat από πολλαπλές χρονικές στιγμές.

Για την ανάκτηση της επιφανειακής θερμοκρασίας της γης έχουν αναπτυχθεί διάφοροι αλγόριθμοι. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος των Artis & Carnahan (1982), η οποία δεν χρειάζεται επιπλέον παραμέτρους εισόδου, γι’ αυτό και επιλέχθηκε.

3.5 Ανίχνευση των αστικών θερμικών νησίδων

Οι Ma et al(2010) όρισαν την ένταση της αστικής θερμικής νησίδας ως τη διαφορά ανάμεσα στη μέση θερμοκρασία της περιοχής της UHI και της αντίστοιχης θερμοκρασίας μιας αγροτικής περιοχής. Η ίδια μέθοδος χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της έντασης των UHI του Καΐρου, για κάθε μία από τις δορυφορικές εικόνες. Η χωρική κατανομή των ζωνών UHI παρουσιάζεται στην [εικ. 4].

Εικόνα 4: Χωρική έκταση των αστικών θερμικών νησίδων (UHI) βασισμένη στις εικόνες Landsat TM, ETM από πολλαπλές χρονικές στιγμές. Οι ζώνες των UHI σημειώνονται με κόκκινο χρώμα. Για την περαιτέρω ερμηνεία της χρωματικής απόδοσης των εικόνων, ο αναγνώστης παραπέμπεται στην εκδοχή του άρθρου που βρίσκεται στο διαδίκτυο.

4. Συμπεράσματα

Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την παρούσα μελέτη απέδειξαν την εγκυρότητα της χρήσης δορυφορικών εικόνων Landsat από πολλαπλές χρονικές στιγμές, προκειμένου να χαρτογραφηθούν και να εντοπιστούν οι αλλαγές στις αστικές νησίδες θερμότητας (UHI) πάνω από ημι-άνυδρες πυκνοδομημένες πόλεις, όπως το Κάιρο στην Αίγυπτο. Η τηλεπισκόπηση παρέχει ένα μέτρο για το μέγεθος των επιφανειακών θερμοκρασιών ολόκληρης της αστικής περιοχής, καθώς και τη χωρική έκταση της επίδρασης της θερμικής νησίδας. Παρέχει, επίσης, ένα μέτρο για τη φωταύγεια και τον κανονικοποιημένο δείκτη βλάστησης (NDVI) από δορυφορικές εικόνες που προέρχονται από διαφορετικές χρονικές στιγμές.

Η παρούσα μελέτη οδήγησε στα ακόλουθα συμπεράσματα:

1. Το μικρο-αστικό κλίμα της πόλης του Καΐρου είναι αρκετά πολύπλοκο και επηρεάζεται από διάφορες περιβάλλουσες κατηγορίες κάλυψης γης. Το γεγονός αυτό είναι εμφανές στο ανατολικό τμήμα του Καΐρου, όπου τα κρίσιμα/επίμαχα σημεία σχετίζονται με επιδράσεις από την έρημο και τα γυμνά εδάφη. Στο δυτικό τμήμα, εντοπίζεται ηπιότερο μικρο-αστικό κλίμα, το οποίο οφείλεται στην εγγύτητά του με τον ποταμό Νείλο και τις καλλιεργούμενες εκτάσεις στο Δέλτα του ποταμού. Επίσης, η πιο πυκνή δόμηση της παλιάς και κεντρικής πόλης δημιουργεί περισσότερες σκιαζόμενες περιοχές.

2. Η πόλη του Καΐρου γνώρισε μεγάλη αύξηση των δομημένων περιοχών που έφθασε το 14,9 - 39,3% από το 1984 έως το 2013, αντίστοιχα. Δύο τάσεις για την αστική ανάπτυξη έλαβαν χώρα κατά τη διάρκεια της περιόδου μελέτης. Πρώτον, κατασκευάστηκαν μεγάλης έκτασης αστικές περιοχές, άτυπα και χωρίς σχεδιασμό, και επιπροσθέτως, οι νέες, νόμιμες κατασκευές αυξήθηκαν σε μέγεθος και πυκνότητα. Η τάση αυτή έγινε περισσότερο αισθητή μετά την Αιγυπτιακή επανάσταση το 2011, όταν η άτυπη αστική ανάπτυξη επιταχύνθηκε από την αδυναμία κυβερνητικού ελέγχου κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου.

3. Η συνεχιζόμενη αύξηση του αστικού / δομημένου χώρου είναι αισθητή, όπου η θερμοκρασία πάνω από την κατηγορία Αστικός αυξήθηκε. Σε σύγκριση με το μέσο όρο της θερμοκρασίας πάνω από τα καλλιεργούμενα εδάφη, το μέγεθος της αστικής θερμικής νησίδας (UHI) πάνω από το Κάιρο κυμαινόταν από 3,11°C έως 5,7°C. Η ανάλυση δείχνει μια διακύμανση της έντασης της UHI, η οποία, εκτός από τις μεταβολές στην κάλυψη γης και τα σχετικά ποσοστά εξατμισοδιαπνοής, σχετίζεται με τις καιρικές συνθήκες, την κλιματική αλλαγή και τις ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Το συμπαγές αστικό πρότυπο ενισχύει την αύξηση της επιφανειακής θερμοκρασίας της γης και την ανάπτυξη περισσότερων hotspots. Ζώνες πρασίνου, κήποι, πάρκα και σιντριβάνια νερού είναι ανεπαρκή και απαιτούνται για τη μείωση των UHI σε όλη την πόλη.

4. Οι πράσινες εκτάσεις που έχουν καταγραφεί από τις δορυφορικές εικόνες (από την κάλυψη γης και τον NDVI) παρουσιάζουν μείωση. Η εξέλιξη αυτή έχει αρνητικές επιπτώσεις στο ρυθμό εξατμισοδιαπνοής, ο οποίος μειώνει τη ροή θερμότητας σε μια πόλη.