Τηλεπισκόπηση θερμικού περιβάλλοντος εσωτερικού χώρου από το εξωτερικό του κτιρίου μέσω ανοίγματος παραθύρου με χρήση κάμερας υπερύθρων

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος: Remote sensing of indoor thermal environment from outside the building through window opening gap by using infrared camera

Συγγραφείς: Xiaomeng Chen, Ziwei Zou, Fulin Hao, Yang Wang, Chuansong Mei, Yuhan Zhou, Da Wang, Xudong Yang

Πηγή: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378778823002050?via%3Dihub

Περίληψη

Η έρευνα επικεντρώνεται στη σημασία της διερεύνησης της εσωτερικής θερμοκρασίας των κατοικιών για την κατανόηση της άνεσης και της υγείας των κατοίκων. Προτείνεται μια νέα μέθοδος μέτρησης, χρησιμοποιώντας κάμερα υπερύθρων στην περιοχή ανοίγματος του παραθύρου, για εξ αποστάσεως αξιολόγηση της θερμοκρασίας. Η μέθοδος αυτή φαίνεται να είναι αποτελεσματική και άνετη σε σύγκριση με την παραδοσιακή μέθοδο μέτρησης με αισθητήρες. Πειράματα επιβεβαιώνουν την ακρίβεια της μεθόδου, αν και υπάρχουν περιορισμοί σε συγκεκριμένες συνθήκες ψύξης. Η νέα μέθοδος παρέχει υποσχόμενες πληροφορίες για την κατανόηση της θερμοκρασίας σε επίπεδο κοινότητας και πόλης.

Εισαγωγή

Εστιάζοντας στη σχέση του θερμικού περιβάλλοντος εσωτερικών χώρων με την άνεση και την υγεία των ανθρώπων, επισημαίνεται ο κίνδυνος από ακραίες θερμοκρασίες, τονίζοντας τη σημασία της εσωτερικής θερμοκρασίας για την υγεία. Η έλλειψη δεδομένων και η ποικιλία στις μελέτες επισημαίνονται, με επίκεντρο την ανάγκη για περισσότερες έρευνες στον τομέα. Εξετάζεται η πρακτική λήψη δεδομένων θερμοκρασίας, ενώ προτείνεται η χρήση υπέρυθρης θερμογραφίας για τη μέτρηση αυτής της θερμοκρασίας από απόσταση. Η πειραματική μελέτη επικεντρώνεται στην αξιολόγηση της νέας μεθόδου, παρουσιάζοντας αναλυτικά αποτελέσματα και συζητώντας τους περιορισμούς της προσέγγισης.

2. Μεθοδολογία

Η έρευνα επικεντρώνεται στην ανάλυση της υπέρυθρης θερμογραφίας στο διάκενο ανοίγματος του παραθύρου σε πολυώροφα κτίρια. Παρατηρείται διαφορά στη θερμοκρασία αυτού του διακενού σε σχέση με άλλες επιφάνειες του κτιρίου κατά το άνοιγμα του παραθύρου. Η υπόθεση ότι η υπέρυθρη θερμοκρασία αντικατοπτρίζει το εσωτερικό θερμικό περιβάλλον εξετάζεται με πειραματική μελέτη. Τα ερωτήματα περιλαμβάνουν το εάν η υπέρυθρη θερμοκρασία αντικατοπτρίζει την θερμοκρασία του χώρου, τον βαθμό αντανάκλασης της θερμοκρασίας του δωματίου από την υπέρυθρη θερμογραφία, και τους παράγοντες που επηρεάζουν την ακρίβεια αυτής της μεθόδου. Σε μια κλιματιζόμενη αίθουσα δοκιμών πραγματοποιήθηκε πείραμα με στόχο να εξεταστεί η δυνατότητα και η σκοπιμότητα τηλεπισκόπισης του εσωτερικού θερμικού περιβάλλοντος χρησιμοποιώντας υπέρυθρες κάμερες εκτός του κτιρίου.

2.1 Πειραματική εγκατάσταση

Το πείραμα πραγματοποιήθηκε στην πανεπιστημιούπολη του Πανεπιστημίου Tsinghua στο Πεκίνο, Κίνα. Χρησιμοποιήθηκε ένα δωμάτιο με εξωτερικούς τοίχους από σκυρόδεμα, με ένα μεγάλο παράθυρο στον νότιο τοίχο. Για τον έλεγχο της εσωτερικής θερμικής κατάστασης, χρησιμοποιήθηκε σύστημα ψύξης και θέρμανσης. Αισθητήρες θερμοκρασίας τοποθετήθηκαν σε διάφορες θέσεις μέσα στο δωμάτιο για την παρακολούθηση της θερμοκρασίας. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε υπέρυθρη κάμερα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας από απόσταση, ενώ τα δεδομένα καταγράφηκαν σε τακτικά χρονικά διαστήματα.

2.2 Πειραματική διάταξη

Το πείραμα πραγματοποιήθηκε τον Ιούνιο του 2021, χρησιμοποιώντας την υπερύθρων κάμερα VarioCAM HiRes της Jenoptik. Η κάμερα τοποθετήθηκε σε απόσταση 5 m από το παράθυρο ανοίγματος, ενώ τα πειράματα διεξήχθησαν τη νύχτα για να αποφευχθεί η επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, οι υπέρυθρες εικόνες καταγράφηκαν κάθε περίπου 60s. Εξετάστηκε η επίδραση του μεγέθους του ανοίγματος του παραθύρου στην ακρίβεια της τηλεπισκόπησης, με το βαθμό ανοίγματος να μειώνεται σταδιακά από 100% σε 10% κατά τη διάρκεια της καταγραφής. Επίσης, εξετάστηκε η πιθανή επίδραση της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού περιβάλλοντος, χειριζόμενη το εσωτερικό θερμικό περιβάλλον με διάφορους τρόπους λειτουργίας. Για να διατηρηθεί η θερμοκρασία του δωματίου σταθερή κατά τη διάρκεια της νυχτερινής κινηματογράφησης, η θέρμανση ή η ψύξη πραγματοποιήθηκε 10 ώρες πριν από την έναρξη του πειράματος. Αυτό έγινε για να διασφαλιστεί ότι η θερμοκρασία σε κάθε σημείο μέτρησης δεν θα διακυμάνθει περισσότερο από 1 °C κατά τη διάρκεια του πειράματος.

2.3. Διαδικασία επικύρωσης

Η πειραματική μελέτη έχει ως στόχο την επικύρωση της σκοπιμότητας και της ακρίβειας της μεθόδου. Με τη χρήση υπέρυθρης εικόνας και τοποθέτησης αισθητήρων θερμοκρασίας σε διάφορες θέσεις στο εσωτερικό της αίθουσας, εξάγονται υπέρυθρες θερμοκρασίες σε συγκεκριμένα σημεία, οι οποίες συγκρίνονται με τις μετρούμενες θερμοκρασίες. Η διαδικασία επικύρωσης περιγράφεται λεπτομερώς, χρησιμοποιώντας MATLAB για την επεξεργασία εικόνων υπερύθρων με διάφορους βαθμούς ανοίγματος παραθύρου.

3. Αποτελέσματα

3.1. Προσδιορισμός θερμοκρασίας με υπέρυθρες ακτίνες

Στο Σχήμα 5(α), παρουσιάζεται μια υπέρυθρη εικόνα πλήρους μεγέθους κατά τη διάρκεια της θέρμανσης, με το παράθυρο πλήρως ανοικτό. Η ανάλυση δεδομένων από μια ορθογώνια περιοχή οδηγεί στη χωρική κατανομή της θερμοκρασίας εσωτερικού χώρου (Σχήμα 5(γ), αποκαλύπτοντας σταθερή κατακόρυφη διαστρωμάτωση της θερμοκρασίας κατά τη θέρμανση.

Στο Σχήμα 6(α) παρουσιάζεται η οριζόντια κατανομή της υπέρυθρης θερμοκρασίας σε διάφορα ύψη, ενώ το Σχήμα 6(β) αποκαλύπτει την αύξηση της θερμοκρασίας κατά μήκος του ύψους. Η υπέρυθρη θερμοκρασία αυξάνεται κατά 1,6 °C με το ύψος, αναδεικνύοντας την ομοιόμορφη οριζόντια και τη σταδιακά αυξανόμενη κατανομή στην κατακόρυφη κατεύθυνση.

Η ίδια μέθοδος χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση της υπέρυθρης εικόνας κατά τη μεταβατική λειτουργία και τη ψύξη (Σχήμα 7). Η υπέρυθρη θερμοκρασία εμφανίζει σχετικά ομοιόμορφη οριζόντια κατανομή με μικρή αύξηση στην κατακόρυφη κατεύθυνση.

Στο Σχήμα 8 παρουσιάζεται ο πίνακας υπέρυθρης θερμοκρασίας κατά τη λειτουργία ψύξης, με κατανομή που συνάδει με τη ροή του κρύου αέρα, δημιουργώντας ανομοιόμορφη κατανομή και κατακόρυφα και οριζόντια (Σχήμα 8 (γ) και (δ)). Η ανάλυση των τριών συνθηκών λειτουργίας αποκαλύπτει ότι τα δεδομένα υπέρυθρης θερμοκρασίας στο άνοιγμα του παραθύρου παρέχουν πληροφορίες για τη χωρική κατανομή της θερμοκρασίας, χρήσιμες για την κατανόηση του θερμικού περιβάλλοντος. Ωστόσο, η ακρίβεια της υπέρυθρης θερμοκρασίας συγκρίθηκε με τα μετρημένα δεδομένα θερμοκρασίας για επιπρόσθετη επιβεβαίωση.

3.2. Σύγκριση μεταξύ της θερμοκρασίας υπερύθρων και των μετρούμενων δεδομένων 3.2.1. Λειτουργία θέρμανσης

Στο Σχήμα 9 παρουσιάζονται τα δεδομένα των αισθητήρων θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της θέρμανσης σε διάφορες θέσεις του δωματίου. Εξετάζεται η επίδραση του βαθμού ανοίγματος του παραθύρου (OG) στην ακρίβεια αναγνώρισης, μεταβάλλοντας σταδιακά το άνοιγμα από πλήρες (OG = 100%) σε σχεδόν κλειστό (OG = 10%). Η χρονική κλίμακα για τη λήψη φωτογραφιών με διάφορα επίπεδα ανοίγματος παραθύρου υποδεικνύεται με κάθετες διακεκομμένες γραμμές. Τα σημεία της επιφανειακής θερμοκρασίας παρουσιάζονται με διακεκομμένες γραμμές διαφορετικού χρώματος, ενώ τα σημεία της θερμοκρασίας του αέρα είναι αναπαρασταμένα με φυσαλίδες διαφορετικού χρώματος. Επιπλέον, η θερμοκρασία της σφαίρας στο κέντρο του δωματίου εμφανίζεται με μαύρες φυσαλίδες. Το πείραμα διήρκεσε 10 λεπτά, με τη λήψη υπέρυθρων εικόνων για διάφορα επίπεδα ανοίγματος του παραθύρου.

Κατά τη διάρκεια του πειράματος, το θερμικό περιβάλλον ήταν σχετικά σταθερό, με μικρή διακύμανση της μετρούμενης θερμοκρασίας, που δεν ξεπέρασε τους 0,5 °C. Η υψηλότερη θερμοκρασία καταγράφηκε στην επιφάνεια της οροφής, λόγω της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας και της φυσικής ροής συναγωγής από τη θέρμανση του θερμαντικού σώματος.

Οι επιφανειακές θερμοκρασίες στους διάφορους τοίχους και το δάπεδο εξετάστηκαν κατά τη διάρκεια του πειράματος, με τις υψηλότερες θερμοκρασίες να παρατηρούνται στον δυτικό (πράσινη διακεκομμένη γραμμή) και νότιο τοίχο (μπλε διακεκομμένη γραμμή). Αντίστοιχα, το δάπεδο εμφάνισε τη χαμηλότερη επιφανειακή θερμοκρασία (περίπου 28,5 °C). Τα σημεία στον εσωτερικό αέρα κατά μήκος της κεντρικής γραμμής του δωματίου παρουσίασαν σταθερή κατακόρυφη κλίση θερμοκρασίας, με τη θερμοκρασία της σφαίρας (στο ύψος των 1,3 m) να είναι περίπου 1 °C υψηλότερη από τη θερμοκρασία του αέρα σε κοντινό σημείο. Αυτό ενδεχομένως οφείλεται στην επίδραση των θερμών επιφανειών του τοίχου και της οροφής στη θερμοκρασία της σφαίρας.

Τα μετρούμενα σημεία θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια λήψης της κάμερας με πλήρες άνοιγμα του παραθύρου (100%) παρουσιάζονται στο Σχήμα 10. Τα σημεία αναπαριστούν θερμοκρασίες εσωτερικών επιφανειών του δωματίου, θερμοκρασίες αέρα, επιφανειακές θερμοκρασίες διαχωριστικού τοίχου και θερμοκρασία σφαίρας. Οι θερμοκρασίες αέρα και επιφανειών παρουσιάζουν μονότονη αύξηση κατά μήκος της κατακόρυφης κατανομής, εκτός από τους δυτικό και ανατολικό τοίχο στο ύψος 1,3 m, που επηρεάζονται από ηλιακή ακτινοβολία. Η κατανομή της υπέρυθρης θερμοκρασίας συγκρίνεται με τις μετρούμενες θερμοκρασίες, επιβεβαιώνοντας την ακρίβεια του ανιχνευτή. Σε ύψος 1,0 m, η μέση διαφορά μεταξύ υπέρυθρης θερμοκρασίας και επιφανειακών θερμοκρασιών διαχωριστικού τοίχου ήταν 0,2 °C. Σε ύψος 1,3 m, η μέση διαφορά μεταξύ υπέρυθρης θερμοκρασίας και θερμοκρασιών αέρα ήταν 0,5 °C. Σε ύψος 1,8 m, η διαφορά ήταν 0,2 °C.

2.6 Παρατηρήσεις θερμοκρασίας αέρα

Όσον αφορά τη θερμοκρασία του αέρα, χρησιμοποιήθηκε η επιφανειακή θερμοκρασία (LST) ως προσέγγιση για τη θερμοκρασία του αέρα. Οι σχέσεις μεταξύ των δύο ήταν πιο στενές υπό σταθερές ατμοσφαιρικές συνθήκες, ενώ εμφανίζονταν ασύνδετες σε υψηλές ταχύτητες ανέμου. Διενεργήθηκαν διατομές αυτοκινήτων για να εξεταστούν οι σχέσεις μεταξύ LST και Ta σε διάφορα χωρικά επίπεδα. (Εικ.2). Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν την παρουσία του Urban Heat Island (UHI) στο κέντρο της πόλης και ειδικότερα στην περιοχή του CoPP, όπου η θερμοκρασία του αέρα ήταν σημαντικά υψηλότερη από τις γειτονικές αγροτικές περιοχές. Αυτό επισημαίνει την ανάγκη για εστίαση στην έρευνα και τη σκέψη για την αντιμετώπιση της αστικής θερμαντικής επίπτωσης, πιθανώς με τη χρήση πράσινων περιοχών για τον περιορισμό του UHI.

Εικ.2. Διατομές αυτοκινήτων που διεξήχθησαν κατά τη διάρκεια των νυχτερινών αερομεταφερόμενων πτήσεων θερμικής τηλεπισκόπησης το πρωί της 26ης Φεβρουαρίου 2012. Το κόκκινο όριο είναι η πόλη Port Phillip.

2.7 Απόκτηση δορυφορικών δεδομένων τηλεπισκόπησης TIR

Την ίδια ημέρα με την αεροπορική πτήση υψηλής ανάλυσης (VHR), ελήφθησαν δεδομένα υπερύθρου (TIR) από δορυφόρο με χαμηλή ανάλυση. Τα δεδομένα TIR από τον δορυφόρο προσέφεραν ευκαιρίες για την εξέταση των σχέσεων με ταξύ της θερμοκρασίας επιφάνειας εδάφους (LST) και της θερμοκρασίας του αέρα (Ta), καθώς και τη δυνατότητα σύγκρισης διαφορετικών προσεγγίσεων τηλεπισκόπησης. Επιπλέον, αποκτήθηκε εικόνα Landsat 7 ETM+ από την ίδια ημέρα με τις θερμικές πτήσεις, παρέχοντας δυνατότητες εξερεύνησης στον τομέα της συλλογής και χρήσης των δύο διαφορετικών προϊόντων αισθητήρων στον πολεοδομικό σχεδιασμό. Τα δεδομένα υπερύθρου χαμηλής ανάλυσης (VHR TIR) συγκεντρώθηκαν, συνεκρίθησαν και επεξεργάστηκαν με τα δεδομένα Landsat. Η θερμοκρασία φωτεινότητας χρησιμοποιήθηκε για την αποφυγή πιθανών αντιφάσεων που θα μπορούσαν να προκύψουν από διορθώσεις εκπομπής για κάθε σύνολο δεδομένων. Επιπλέον, ελήφθησαν και επεξεργάστηκαν δεδομένα TIR από τον δορυφόρο MODIS για την πόλη και την ύπαιθρο, τόσο κατά τη διάρκεια της ημέρας όσο και της νύχτας, παρέχοντας σημαντικό πλαίσιο για την κατανόηση της θερμικής δυναμικής του περιβάλλοντος. (Εικ.3) Η ανίχνευση από τον δορυφόρο MODIS αποκάλυψε τη σημαντική επίδραση του αστικού τοπίου στη θερμοκρασία επιφάνειας το βράδυ, όπου περιοχές όπως το Κέντρο Πόλης της Μελβούρνης κατέγραφαν υψηλότερες θερμοκρασίες από τα περίχωρα της πόλης. Αυτή η παρατήρηση υπογραμμίζει τη σημασία της περιοχής ως υψηλής προτεραιότητας για τη μείωση της αστικής θερμότητας.οποικιλότητας

Εικ.3. Θερμοκρασία της επιφάνειας του εδάφους που προκύπτει από το MODIS (1 km) στις 13:00 EDT της 25ης Φεβρουαρίου 2014 (DAY) και στις 1:00 EDT της 26ης Φεβρουαρίου 2014 (NIGHT), και NDVI που προκύπτει από το MODIS (250 m). Εμφανίζονται οι δήμοι της Μελβούρνης και η νυχτερινή αυτοματοποιημένη διατομή από δυτικά προς νοτιοανατολικά παρουσιάζεται στις νυχτερινές εικόνες και του NDVI. Οι λευκές περιοχές είναι ελλιπή δεδομένα λόγω σύννεφων και υδάτινων επιφανειών.

2.8 Προσδιορισμός hotspot

Η εργασία αυτή επικεντρώθηκε στη χρήση δεδομένων υπέρυθρης θερμότητας υψηλής ανάλυσης (VHR TIR) για τον εντοπισμό "hotspots", υποθέτοντας ότι περιοχές με υψηλή θερμοκρασία επιφάνειας (LST) αντιστοιχούν σε περιοχές υψηλής θερμοκρασίας αέρα (Ta). Η κλίμακα ανάλυσης επηρέασε τον τρόπο εντοπισμού των "hotspots", με τη συγκέντρωση των δεδομένων σε συγκεκριμένη χωρική ανάλυση να επιτρέπει τον ταχύτερο εντοπισμό γειτονιάς με υψηλή θερμοκρασία. Η επιλογή μιας κατάλληλης κλίμακας, όπως οι περιοχές στατιστικών της Australian Bureau of Statistics (ABS), επέτρεψε συγκρίσεις με άλλα στατιστικά δεδομένα. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε κατηγοριοποίηση των περιοχών σε τρεις κατηγορίες προτεραιότητας για την αστική πράσινη ανάπτυξη. Επίσης, εξετάστηκε η περίπτωση εντοπισμού "hotspots" σε δρόμους και δημόσιους χώρους με υψηλή θερμοκρασία αέρα σε συγκεκριμένη περιοχή, χρησιμοποιώντας δεδομένα υψηλής ανάλυσης LST. Η προσέγγιση αυτή επέτρεψε τη στοχευμένη αντιμετώπιση των περιοχών με υψηλή θερμοκρασία και υψηλή ανθρώπινη δραστηριότητα

2.9 Σχέσεις βλάστησης και LST

Εξετάζοντας τη σχέση μεταξύ της φυτικής κάλυψης και της θερμοκρασίας επιφάνειας του εδάφους (LST) σε μια συγκεκριμένη περιοχή χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα υψηλής ανάλυσης υπέρυθρης θερμότητας (VHR TIR), τα οποία συγκεντρώθηκαν και αναλύθηκαν για να προσδιοριστεί ο μέσος όρος της LST σε όλη την περιοχή. Συγκρίθηκε με το ποσοστό βλάστησης, το οποίο χωρίστηκε σε κατηγορίες του 10%. Για πιο λεπτομερή ανάλυση, χρησιμοποιήθηκαν τμήματα δρόμων σε μια περιοχή ενδιαφέροντος, και καθορίστηκε το ποσοστό βλάστησης για κάθε τμήμα. Επιπλέον, λήφθηκε υπόψη η σχέση ύψους προς πλάτος (H:W) των αστικών φαραγγιών, με την ύψιστη πρόθεση να εξεταστεί η επίδρασή του στη μέση θερμοκρασία των φαραγγιών. Τα αποτελέσματα αναλύθηκαν χωρίζοντας τα τμήματα φαραγγιού σε ομάδες με βάση το H:W, και συγκρίθηκε ο συντελεστής γραμμικής παλινδρόμησης μεταξύ της βλάστησης και της μέσης θερμοκρασίας φαραγγιού για κάθε ομάδα.

2.10 Σχέσεις LST και θερμοκρασίας αέρα

Για να συγκριθεί η παρατηρούμενη θερμοκρασία αέρα (Ta) εντός της Κεντρικής Περιοχής Δραστηριοτήτων της Πόλης του Μελβούρνη με τη Θερμοκρασία Επιφάνειας εδάφους (LST) απαιτήθηκε η ακριβής ανάθεση της επίδρασης της επιφάνειας στη θερμοκρασία σε κλίμακα δρόμου, λαμβάνοντας υπόψη παράγοντες όπως παρακείμενες επιφάνειες, γεωμετρία τοπίου, κατεύθυνση ανέμου και τοπικές μετεωρολογικές συνθήκες. Για τον σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκαν κυκλικοί δακτύλιοι με διάφορες ακτίνες γύρω από τα σημεία μέτρησης, ενώ πραγματοποιήθηκε σύγκριση με δεδομένα LST και NDVI ανάλυσης MODIS.

3. Αποτελέσματα και συζήτηση

3.1 Προσδιορισμός σημείων πρόσβασης σε γειτονιά και δρόμους

Εξετάζοντας τα δεδομένα Very High Resolution Thermal Infrared (VHR TIR) για το Κέντρο Πόλης (CoPP), παρέχονται εικόνες τόσο για την ημέρα όσο και για τη νύχτα. (Εικ.4) Αυτές οι εικόνες χρησιμοποιούνται ως εργαλείο για να μεταφέρουν την επίδραση των επιφανειών στο αστικό κλίμα σε σχεδιαστές, συμβούλους και το κοινό. Η αναγνώριση σημείων υψηλής θερμοκρασίας αποδείχθηκε δύσκολη σε εικόνες υψηλής ανάλυσης, αλλά η προσέγγιση συγκέντρωσης επέτρεψε την άμεση αναγνώριση αυτών των σημείων. Οι εικόνες αποκάλυψαν τη σημασία των ακτινοβολητικών και θερμοδυναμικών ιδιοτήτων των επιφανειών στην επιφάνεια του εδάφους (Land Surface Temperature - LST). Επιπλέον, η ανάλυση επικεντρώθηκε στην περιοχή 'South Melbourne Central', (Εικ.6) επισημαίνοντας τη συσχέτιση της υψηλής LST με αδιαπέραστες επιφάνειες όπως στέγες και οδούς. Τα δεδομένα VHR TIR προτείνουν πιθανές τοποθεσίες για μέτρα μείωσης της θερμοκρασίας, όπως η φύτευση δέντρων για σκιά ή η άρδευση για μείωση της ημερήσιας LST. Η προσέγγιση αυτή παρέχει ένα βάσιμο σημείο εκκίνησης για περαιτέρω έρευνα και πρακτικές εφαρμογές στον χώρο της πόλης, ενισχύοντας την κατανόηση της επίδρασης των επιφανειών στο αστικό περιβάλλον.

Ενώ τα δεδομένα Very High Resolution Thermal Infrared (VHR TIR) μπορούν να βοηθήσουν στον εντοπισμό επιφανειών με υψηλή θερμοκρασία εδάφους κατά τη στιγμή της λήψης, υπάρχουν περιορισμοί στη χρήση αυτών των δεδομένων. Σφάλματα κατά τη συλλογή και επεξεργασία των δεδομένων, ατμοσφαιρικές διορθώσεις, και η ποιότητα της ταξινόμησης των επιφανειών γης μπορούν να επηρεάσουν την ποιότητα των δεδομένων. Επιπλέον, προβλήματα όπως μικρές ατέλειες ευθυγράμμισης, διαφορετικά μοτίβα σκίασης και αλλαγές στην κάλυψη του εδάφους μπορούν να οδηγήσουν σε ανακρίβειες στην ταξινόμηση και, συνεπώς, στην παραγωγή της θερμοκρασίας εδάφους. Επίσης η θερμοκρασία της εδαφικής επιφάνειας δεν αντικατοπτρίζει απαραίτητα τη συνολική ενεργειακή απόδοση των κτιρίων, υπογραμμίζοντας την ανάγκη για προσεκτική ερμηνεία των δεδομένων. Τέλος, παρουσιάζεται η προσέγγιση ιεράρχησης Norton et al. (2015) για τη βελτίωση της θερμικής άνεσης των πεζών, εφαρμοσμένη σε κλίμακα δρόμου, με επισημάνσεις για περαιτέρω έρευνα και επεμβάσεις στο αστικό περιβάλλον. (Εικ. 7)

Εικ.4. Δεδομένα τηλεπισκόπησης VHR TIR (°C) για την πόλη Port Phillip κατά τη διάρκεια της ημέρας και της νύχτας στις 25 (26) Φεβρουαρίου 2012 κατά τη διάρκεια θερμών καλοκαιρινών συνθηκών. Οι χρονικές κλίμακες ημέρας και νύχτας είναι διαφορετικές. Τα όρια είναι οι στατιστικές περιοχές απογραφής.

Εικ.5. Θερμοκρασιακά σημεία σε κλίμακα γειτονιάς κατά τη διάρκεια της ημέρας και της νύχτας στο CoPP που προκύπτουν από τα δεδομένα τηλεπισκόπησης VHR TIR (°C), με άθροιση της LST για στατιστικές περιοχές και κατηγοριοποίηση σε τρεις κατηγορίες προτεραιότητας για αστικό πράσινο: (με τη χρήση ποσοτικής ταξινόμησης).

Εικ.6. LST (°C) που προκύπτει από το VHR TIR για το "South Melbourne Central" κατά τη διάρκεια της ημέρας και της νύχτας και τη θέση του εντός της πόλης Port Phillip. Η ημερήσια και η νυχτερινή κλίμακα είναι διαφορετικές.

Εικ.7. Σημεία εστίασης σε κλίμακα δρόμου κατά τη διάρκεια της ημέρας και της νύχτας στην περιοχή ενδιαφέροντος που προέκυψαν από τα δεδομένα τηλεπισκόπησης VHR TIR, με τη μέση τιμή LST για τα τμήματα του αστικού φαραγγιού και την κατηγοριοποίηση σε τρεις κατηγορίες προτεραιότητας για το αστικό πράσινο:Χαμηλή, μεσαία και υψηλή (με τη χρήση ποσοτικής ταξινόμησης )

3.2 Η επίδραση της βλάστησης στις θερμοκρασίες της επιφάνειας του εδάφους

Εξετάζοντας τη σημασία της φυτοκάλυψης στη ρύθμιση της θερμοκρασίας της επιφάνειας κατά τη διάρκεια καυσώνων, παρατηρήθηκε γραμμική σχέση μεταξύ της επιφανειακής θερμοκρασίας του εδάφους (LST) και της φυτοκάλυψης κατά τη διάρκεια της ημέρας, με μείωση της LST κατά 1,2 °C για κάθε 10% αύξηση της φυτοκάλυψης. Παρόμοιες μειώσεις παρατηρήθηκαν και κατά τη νύχτα, ενώ η επίδραση αυτή ήταν μεγαλύτερη όταν η φυτοκάλυψη υπερέβαινε το 30%. Επιπλέον, η μείωση της LST συσχετίστηκε με τη φυτοκάλυψη ειδικά σε φαράγγια με φαρδείς, ανοιχτούς δρόμους, ενώ η επίδραση αυτή μειώνεται όταν τα φαράγγια είναι δομημένα με υψηλότερο ποσοστό ύψους προς πλάτος (H:W). Η έρευνα υπογραμμίζει την σημασία της βλάστησης στη μείωση της αστικής θερμότητας κατά τη διάρκεια καυσώνων, αλλά επίσης υπογραμμίζει την επίδραση άλλων χαρακτηριστικών επιφάνειας, όπως ο τύπος και η ανακλαστικότητα υλικών, που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη για αποτελεσματικό μετριασμό της αστικής θερμότητας.

Εικ.8.Σχέσεις μεταξύ της φυτοκάλυψης και της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης κατά τη διάρκεια της ημέρας και της νύχτας για α) LST VHR TIR και φυτοκάλυψη συγκεντρωτικά στα 30 m (οι μπάρες σφάλματος είναι τυπική απόκλιση)- και β) μέση LST φαραγγιού και φυτοκάλυψη όταν H:W < 0,6.

3.3 Σχέσεις μεταξύ της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης και της θερμοκρασίας του αέρα

Εξετάζοντας τη χρήση της τηλεπισκόπησης TIR για τον εντοπισμό θερμικών σημείων σε αστικά περιβάλλοντα, βασιζόμενη στην υπόθεση ότι τα πρότυπα θερμοκρασίας είναι παρόμοια με τα πρότυπα επιφανειακής θερμοκρασίας (LST), μετά από νυχτερινή πτήση, διεξήχθη τομή θερμοκρασίας (Ta) στην αστική περιοχή, συγκρίνοντας τα δεδομένα Ta με δεδομένα Very High Resolution (VHR) TIR. Τα αποτελέσματα έδειξαν ασθενή συσχέτιση μεταξύ LST και Ta σε υψηλές αναλύσεις, ωστόσο, με τη μείωση της ανάλυσης, παρατηρήθηκε σύγκλιση των περιοχών με υψηλή LST με τα θερμικά σημεία. Η LST συσχετίζεται επίσης με τη βλάστηση, ενώ παρατηρούνται αποσυνδέσεις σε ανοικτές περιοχές λόγω επιδράσεων της μεταφοράς αέριων μαζών. Συνολικά, σε κλίμακα πόλης, η LST λειτουργεί ως καλός δείκτης της Ta, ενώ παρατηρείται επιφανειακό Urban Heat Island (UHI). Το χαμηλό NDVI συσχετίζεται με υψηλή LST, υποδηλώνοντας την επίδραση της βλάστησης στη θερμοκρασία. Οι παρατηρήσεις αυτές υπογραμμίζουν τη σημασία της χωρικής και χρονικής ανάλυσης δεδομένων για την κατανόηση των σχέσεων μεταξύ φυτικής κάλυψης, επιφανειακής θερμοκρασίας και θερμοκρασίας αέρα σε αστικά περιβάλλοντα.

Εικ. 9. Διατομή της θερμοκρασίας του αέρα (κύκλοι) που πραγματοποιήθηκε στην πόλη Port Phillip στις 1:00 της 26ης Φεβρουαρίου 2012 (νύχτα της 25ης Φεβρουαρίου 2012), με επικάλυψη των στατιστικών περιοχών και των επιπέδων ιεράρχησής τους. Δίνεται επίσης μια σύγκριση των προφίλ της θερμοκρασίας του αέρα, της φυτοκάλυψης (από την ταξινόμηση της επιφάνειας της γης) και της LST (με τη χρήση ενός κινητού μέσου όρου 6 σημείων που αντιπροσωπεύει ένα χρονικό μέσο όρο 1 λεπτού και ένα ρυθμιστικό διάστημα 30 μέτρων). Ο άξονας x αντιστοιχεί στα σημεία (πλαίσια) του χάρτη.

Εικ. 10. Διατομή από δυτικά προς νοτιοανατολικά στη μητροπολιτική Μελβούρνη με τη θερμοκρασία του αέρα από μια διατομή αυτοκινήτου στις 01:00 της 26ης Φεβρουαρίου 2012, LST από το MODIS σε ανάλυση 1 km, και Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) συγκεντρωμένος σε ανάλυση 1 km (δεξιός άξονας).

3.4. Συσχέτιση μεταξύ δεδομένων Landsat και VHR TIR

Περιγράφοντας μια σύγκριση της θερμοκρασίας φωτεινότητας δύο εικόνων την ίδια μέρα, μια από δεδομένα τηλεπισκόπησης VHR TIR ανάλυσης 30 m και μια από δεδομένα Landsat 7 ETM+, παρατηρείται ότι, παρά τις διαφορές λόγω παραγόντων όπως οι τύποι επιφάνειας και οι συνθήκες υγρασίας, οι εικόνες εμφανίζουν παρόμοια πρότυπα θερμότερων και πιο δροσερών περιοχών. Η χωρική συσχέτιση μεταξύ των δύο σετ δεδομένων είναι υψηλή. Παρά τη χαμηλότερη ανάλυση των δεδομένων Landsat, αυτά εξακολουθούν να είναι χρήσιμα για τον εντοπισμό περιοχών υψηλής θερμοκρασίας επιφάνειας. Η αξιοποίηση προσεγγίσεων πολυχρονικών εικόνων και μοντελοποίησης θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει στην καλύτερη τεκμηρίωση χρονικά μεταβαλλόμενου LST. Ο Landsat αποδεικνύεται αποτελεσματικός για τον εντοπισμό "καυτών σημείων" σε αστικές περιοχές και παρέχει πληροφορίες για πιθανές παρεμβάσεις προκειμένου να μειωθεί η θερμότητα.

Εικ. 11. Σύγκριση των μοτίβων της επιφανειακής θερμοκρασίας φωτεινότητας σε όλη την πόλη Port Phillip στις 25 Φεβρουαρίου 2012 μεταξύ α) των δεδομένων τηλεπισκόπησης VHR TIR κατά τη διάρκεια της ημέρας (13:00) (ραδιομετρικά δεδομένα συγκεντρωμένα στα 60 m και επαναδειγματοληψία στα 30 m με χρήση κυβικής συνέλιξης)- και β) της εικόνας Landsat 7 ETM + thermal κατά τη διάρκεια της ημέρας (11:00). Οι λευκές περιοχές της εικόνας Landsat 7 είναι τα δεδομένα που λείπουν.

Εικ. 12. Σύγκριση μεταξύ της θερμοκρασίας φωτεινότητας των δεδομένων 30 m VHR TIR με επαναδειγματοληψία στις 13:00 AEDT και των δεδομένων 30 m Landsat 7 ETM + στις 11:00 AEDT στις 25 Φεβρουαρίου 2012. Οι θερμοκρασίες της επιφάνειας της γης δεν αναμένεται να ταυτίζονται λόγω των διαφορετικών χρόνων λήψης, ωστόσο τα δεδομένα συσχετίζονται χωρικά.

3.5. Πρακτική εφαρμογή της τηλεπισκόπησης VHR TIR στον πολεοδομικό σχεδιασμό

Εξετάζοντας τη χρήση προϊόντων θερμικής τηλεπισκόπησης(TIR) για τον αστικό σχεδιασμό και τη μείωση της θερμότητας η τοπική αυτοδιοίκηση επιδιώκει τον εντοπισμό θερμών περιοχών χρησιμοποιώντας δεδομένα TIR υψηλής ανάλυσης για τον καθορισμό περιοχών που χρειάζονται αύξηση των δέντρων για τη μείωση της θερμότητας. Αναφέρεται στην πρόκληση της χρήσης VHR TIR δεδομένων για τον εντοπισμό θερμών περιοχών σε γειτονιές και δρόμους. Υπογραμμίζεται ότι η υπόθεση περί αντιστοιχίας μεταξύ υψηλής LST και υψηλής θερμοκρασίας αέρα δεν είναι αξιόπιστη σε πολύ υψηλές αναλύσεις. Επισημαίνεται ότι τα δεδομένα Landsat TIR αποτελούν εναλλακτική λύση, προσιτή και με εδραιωμένες διαδικασίες επεξεργασίας. Καταλήγει ότι τα δεδομένα VHR TIR μπορούν να βοηθήσουν στον σχεδιασμό αστικών χώρων για βελτιωμένη θερμική άνεση, αλλά αναγνωρίζονται και περιορισμοί, όπως η δυσκολία συλλογής και η ανάγκη για υψηλή ποιότητα δεδομένων.

4. Συμπεράσματα

Συμπερασματικά εξετάζεται ο σημαντικός ρόλος της TIR τηλεπισκόπησης στην αντιμετώπιση του προβλήματος της αστικής θερμότητας μέσω του αστικού σχεδιασμού. Η ανάλυση των δεδομένων υπογραμμίζει τη σημασία της κατάλληλης χωρικής κλίμακας, με ανάλυση >30 μέτρα, για τον εντοπισμό περιοχών υψηλής θερμοκρασίας επιφάνειας για τον σχεδιασμό πόλεων. Επίσης, επισημαίνεται ότι οι υποθέσεις σχετικά με τη συνύπαρξη υψηλής LST με hotspots ενισχύονται σε χαμηλότερες χωρικές αναλύσεις.

Τα δεδομένα συγκεντρώνονται για τον εντοπισμό των hotspots σε επίπεδο γειτονιάς και δρόμου, παρέχοντας πληροφορίες για αποφάσεις σχεδιασμού. Το κείμενο υπογραμμίζει επίσης τη σημασία άλλων εργαλείων, όπως το αστικό μοντελοποιητικό κλίμα, και προτείνει τη χρήση των δεδομένων TIR σε συνδυασμό με άλλα για βελτίωση του αστικού περιβάλλοντος. Συμπερασματικά, επισημαίνεται η ανάγκη καθορισμού της κλίμακας εφαρμογής των δεδομένων TIR, με την παροχή παραδειγμάτων για δορυφορικά προϊόντα και TIR σε επίπεδο δρόμου ή δημοσίων χώρων.