Ημερήσιες θερμικές αστικές νησίδες από δεδομένα Landsat ETM+ και Καλύψεις Corine: Μια εφαρμογή σε μεγάλες πόλεις στην Ελλάδα

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 16:09, 9 Φεβρουαρίου 2017

Ημερήσιες θερμικές αστικές νησίδες από δεδομένα Landsat ETM+ και Καλύψεις Corine: Μια εφαρμογή σε μεγάλες πόλεις στην Ελλάδα

Marina Stathopoulou *, Constantinos Cartalis

Remote Sensing and Image Processing Laboratory, Division of Applied Physics, Department of Physics, Building PHYS-5,University Campus, 157 84 Athens, Greece

Link: [1]

ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ: Τηλεπισκόπηση, Αστικές θερμικές νησίδες, ETM+, Χρήσεις γης, CORINE

Αντικείμενο

Αντικείμενο του παρόντος άρθρου είναι οι αστικές νησίδες και ο τρόπος με τον οποίο εκτιμούνται με την βοήθεια της τηλεπισκόπησης.

Σκοπός

Το παρόν άρθρο μελετά την κατανομή των αστικών θερμικών νησίδων σε μεγάλες πόλεις της Ελλάδας, όπως η Αθήνα, η Θεσσαλονίκη, ο Βόλος, Η Πάτρα και το Ηράκλειο. Ο εντοπισμός τους πραγματοποιείται μέσω της χρήσης δορυφορικών εικόνων Landsat ETM+, ενώ μέσω των δεδομένων για τις καλύψεις γης Corine εκτιμάται η συσχέτιση της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης και των χαρακτηριστικών της.

Εισαγωγή

Το φαινόμενο της αστικής θεσμικής νησίδας (UHI) αφορά την σύγκριση της θερμοκρασία της αστικής, δομημένης επιφάνειας συγκριτικά με τον μη δομημένο χώρο. Γενικά, εντοπίζονται 3 τύποι UHI. Δύο από αυτούς αφορούν την ατμοσφαιρική θερμοκρασία και οι μετρήσεις τους πραγματοποιούνται καλύτερα τις βραδινές ώρες μέσω μετεωρολογικών μέσων (canopy layer heat island (CHI), boundary layer heat island (BHI)) ενώ οι επιφανειακές αστικές θερμικές νησίδες (SUHI) εκτιμούνται πιο αποδοτικά κατά την διάρκεια της μέρας με τη χρήση δορυφορικών εικόνων μεσαίας ανάλυσης. Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιούνται εικόνες από τον δορυφόρο Landsat 7, υψηλής χωρικής ανάλυσης (60m) σε συνδυασμό με τις πληροφορίες καλύψεων γης που προσφέρει το Corine. Αυτή η μεθοδολογία μπορεί να αποτελέσει οδηγό για την ερμηνεία του φαινομένου των UHIs σε πολλές περιοχές του κόσμου. Το συγκεκριμένο παράδειγμα χρησιμοποιεί ελληνικές μεγάλες πόλεις με λιμάνια (Αθήνα, Θεσσαλονίκη, Βόλος, Πάτρα και Ηράκλειο). Προηγούμενες μελέτες δίνουν στην Θεσσαλονίκη και το Ηράκλειο 8 ºC (νυχτερινή μέτρηση) και 7 ºC στο Βόλο και την Πάτρα. Η Αθήνα, ομοίως εμφανίζει θερμοκρασία 5 ºC (σχήμα 1).

Μεθοδολογία

Η μεθοδολογία που ακολουθείται περιλαμβάνει τα εξής βήματα:

• Επεξεργασία δεδομένων Landsat ETM+ με σκοπό την απόκτηση τιμών θερμοκρασιών φωτεινότητας. Επιλέγεται ο δορυφόρος Landsat ETM+ 7 καθώς παρέχει συνεχή καταγραφή της γης αλλά και δεδομένα υψηλής χωρικής ανάλυσης (30m). Με τον τρόπο αυτό πραγματοποιείται η χαρτογράφηση του θερμικού αστικού περιβάλλοντος των πόλεων της Αθήνας, της Θεσσαλονίκης, του Βόλου, της Πάτρας και του Ηρακλείου. Το κανάλι 6 με χωρική ανάλυση 60 m θεωρείται πως παρέχει τις πληροφορίες αναφορικά με τις ενδο-αστικές επιφανειακές διαφορές θερμοκρασιών με τη χρήση μιας διαδικασίας 2 βημάτων όπως διαμορφώθηκε από το Landsat Project Science Office Τα δορυφορικά δεδομένα παρέχονται από το US Geological Survey (USGS) Earth Resource Observation Systems Data Center και στον πίνακα 1 παρουσιάζονται τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν.
• Επεξεργασία των δεδομένων κάλυψης Corine. Ο κατάλογος Corine αποτελεί έναν πανευρωπαϊκό χάρτη καλύψεων γης ακρίβειας 44 κλάσεων όπως παρουσιάζονται στο σχήμα 4. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιούνται τα διανυσματικά δεδομένα για τις καλύψεις Corine από το 1990 και συγχωνεύονται σε 5 κλάσεις: αστική/πυκνοδομημένη περιοχή, προαστιακή/μεσαία δομημένη περιοχή, μικτή αστική περιοχή, αγροτική περιοχή και υδάτινη επιφάνεια για κάθε πόλη (σχήμα 5).
• Επαναπροσδιορισμός της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης. Η εκπεμπόμενη ακτινοβολία που υπολογίστηκε στο πρώτο βήμα της μεθοδολογίας δεν λαμβάνει υπόψη την ανομοιόμορφη ικανότητα του εδάφους να εκπέμπει ακτινοβολία. Η διόρθωση πραγματοποιείται μέσω της χρησιμοποίησης τιμών ακτινοβολίας εδάφους για κάθε χρήση γης. Η διαδικασία περιλαμβάνει συνδυασμό των τιμών που προκύπτουν από τον δείκτη NDVI (Normalized Difference Vegetation Index Thresholds Method) με τις χρήσεις γης από την βάση Corine. Για τον ακριβή προσδιορισμό της θερμοκρασίας απαιτείται και ατμοσφαιρική διόρθωση αλλά εξαιτίας της μικρής κλίμακας εργασίας η ατμόσφαιρα θεωρείται ομοιογενής.
• Εκτίμηση της έντασης του φαινομένου της Επιφανειακής Αστικής Θερμικής Νησίδας (UHI). Για την τελική εκτίμηση και τελικά τον προσδιορισμό των θερμοκρασιών κάθε κάλυψης γης πραγματοποιείται υπέρθεση και συνδυασμός των ψηφιδωτών και διανυσματικών δεδομένων μέσω GIS διαδικασιών. Ως τελική εκπεμπόμενη θερμοκρασία θεωρείται η μέση των δύο αντίστοιχων τιμών.

Το ελληνικό παράδειγμα

Η μεθοδολογία που αναλύθηκε εφαρμόζεται και στις 5 πόλεις που μελετά το παρόν άρθρο με σκοπό να εκτιμηθεί το ημερήσιο θερμικό περιβάλλον τους κατά τη διάρκεια της θερμής εποχής αλλά και ο εντοπισμός των αστικών θερμικών νησίδων. Στα σχήματα 6-10 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα με τα σκοτεινά σημεία να δείχνουν χαμηλότερη θερμοκρασία και τα πιο φωτεινά υψηλή θερμοκρασία. Η μέση θερμοκρασία δίνεται στον πίνακα 1, ενώ οι εντάσεις των επιφανειακών UHI στον πίνακα 2. Αποτελέσματα

• Αθήνα: Στην περίπτωση της Αθήνας με βάση τα αποτελέσματα της μελέτης η θερμοκρασία στις κεντρικές αστικές περιοχές είναι 3,3 ºC υψηλότερη από τις αγροτικές περιοχές. Όμως η χρήση που παρουσιάζει την υψηλότερη θερμοκρασία είναι οι μικτές αστικές χρήσεις (βιομηχανίες, εμπόριο, μεταφορές, ορυχεία, χωματερές κ.ά.) οι οποίες παρουσιάζουν θερμοκρασία 1,9 ºC υψηλότερη από τις κεντρικές αστικές χρήσεις, δηλαδή 5,9 ºC υψηλότερη θερμοκρασία από τις αγροτικές περιοχές. Στην συνολική εικόνα της επίσης τα νοτιοδυτικά προάστια (Πετρούπολη, Νίκαια κ.ά.) παρουσιάζουν υψηλότερη θερμοκρασία από τα νοτιοανατολικά (Κηφισιά, Χαλάνδρι, Ζωγράφος κ.ά.) αυτό μπορεί να οφείλεται στην χαμηλή κάλυψη από βλάστηση. Hot Spot αποτελούν αεροδρόμια, βιομηχανικές περιοχές και γενικότερα περιοχές με που συντίθενται από διάφορα εργοστάσια.
• Θεσσαλονίκη: Η πόλη της Θεσσαλονίκης ως πόλη-λιμάνι διαθέτει ένα παραλιακό μέτωπο το οποίο διαμορφώνεται από πολυώροφα υψηλής πυκνότητας κτίρια, ενώ η ενδοχώρα σε μεγαλύτερο υψόμετρο διαμορφώνεται από χαμηλότερης πυκνότητας δόμηση και υψηλότερη βλάστηση. Ως αποτέλεσμα τα προάστια είναι πιο ψυχρά από το κέντρο της πόλης και πιο θερμά από τον αγροτικό χώρο (1,5 ºC). Στην γενική εικόνα η πόλη δεν παρουσιάζει σημαντικές διαφοροποιήσεις.
• Πάτρα: Η εντονότερη διαφοροποίηση παρατηρείται στην μετάβαση από τον αγροτικό στον αστικό ιστό. Μεταξύ προαστίων και των κεντρικών περιοχών είναι σχετικά μικρή η διαφοροποίηση. Είναι και σε αυτή την περίπτωση έντονη η επιρροή του λιμανιού στο περιβάλλον της πόλης.
• Βόλος: Οι εντάσεις στην πόλη του Βόλου είναι ασθενέστερες, με διαφοροποιήσεις της τάξεως των 0.4–0.8 ºC μεταξύ του κέντρου και της αγροτικής περιοχής. Για ακόμη μια φορά οι μικτές χρήσεις γης παρουσιάζουν την υψηλότερη θερμοκρασία.
• Ηράκλειο: Στην περίπτωση του Ηρακλείου εμφανίζονται οι υψηλότερες θερμοκρασίες στο σύνολο της μελέτης με την πόλη να αγγίζει τους 40 ºC. Η υψηλότερη επιφανειακή θερμοκρασία εντοπίζεται όπως και στις υπόλοιπες πόλεις στο αεροδρόμιο.

Αυτό που πρέπει να αναφερθεί είναι πως η συγκεκριμένη μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ποικίλες περιοχές ενώ υπάρχει η αναγκαιότητα για την δημιουργία μια μεθόδου ευρωπαϊκών προδιαγραφών για την εκτίμηση του φαινομένου των επιφανειακών UHI.