Εκτίμηση μέσω τηλεπισκόπησης και GIS της αστικής επέκτασης στο δέλτα Zhujiang στην Κίνα και ο αντίκτυπος της στην επιφανειακή θερμοκρασία
Από RemoteSensing Wiki
A remote sensing GIS evaluation of urban expansion and its impact on surface temperature in the Zhujiang Delta, China
Συγγραφέας: Q. Weng
Πηγή: http://www.mendeley.com/research/a-remote-sensinggis-evaluation-of-urban-expansion-and-its-impact-on-surface-temperature-in-the-zhujiang-delta-china/
Εισαγωγή
Οι αλλαγές στην κάλυψη εδάφους περιλαμβάνουν αλλαγές στη βιοτική ποικιλομορφία, την πραγματική και πιθανή πρωταρχική παραγωγικότητα, την εδαφολογική ποιότητα και τα ποσοστά ιζηματογένεσης (Steven και λοιποί. 1992) και δεν μπορούν να γίνουν κατανοητά χωρίς τη γνώση της αλλαγής χρήσεων γης που τα οδηγεί. Επομένως, η χρήση γης και οι αλλαγές κάλυψης εδάφους έχουν περιβαλλοντολογικές επιπτώσεις σε τοπικό και περιφερειακό επίπεδο, και ίσως συνδέονται με τη παγκόσμια περιβαλλοντολογική διαδικασία.
Η αστικοποίηση, η μετατροπή δηλαδή άλλων τύπων εδαφών σε χρήσεις που συνδέονται με την αύξηση των πληθυσμών και της οικονομίας, είναι ένας κύριος τύπος χρήσης γης και αλλαγής κάλυψης εδάφους στη ιστορία της ανθρωπότητας και ασκεί επίσης μεγάλη επίδραση στο κλίμα. Με την κάλυψη, με τα κτήρια, τους δρόμους και άλλες αδιαπέραστες επιφάνειες, οι αστικές περιοχές έχουν γενικά μια υψηλότερη ηλιακή απορρόφηση ακτινοβολίας, μεγαλύτερη θερμική ικανότητα και αγωγιμότητα, ώστε η θερμότητα να αποθηκεύεται κατά τη διάρκεια της ημέρας και να απελευθερώνεται τή νύχτα. Επομένως, οι αστικές περιοχές έχουν μια σχετικά υψηλότερη θερμοκρασία έναντι των περιβαλλουσών αγροτικών περιοχών.
Στην Κίνα, τα σχέδια κάλυψης χρήσεων γης και εδάφους έχουν υποβληθεί σε μια θεμελιώδη αλλαγή λόγω της επιταχυνόμενης οικονομικής ανάπτυξης από την οικονομική πολιτική μεταρρύθμισή το 1978. Η αστική αύξηση έχει επιταχυνθεί με αποτέλεσμα πολλές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Αυτό συμβαίνει ιδιαίτερα στην παράκτια περιοχή του δέλτα Zhujiang όπου η αγροτική γη εξαφανίζεται χρόνο με το χρόνο και μετατρέπεται σε αστική.
Ο στόχος αυτής της μελέτης είναι να αναδειχθεί η ενσωμάτωση της χρήσης τηλεπισκόπησης και GIS για να εξεταστούν τα περιβαλλοντολογικά θέματα στην Κίνα σε τοπικό επίπεδο. Συγκεκριμένος στόχος είναι να αξιολογηθεί η αστική επέκταση στο δέλτα Zhujiang και να αναλυθεί ο αντίκτυπος της αστικής αύξησης στην επιφανειακή θερμοκρασία.
Περιοχή μελέτης
Η περιοχή μελέτης, το Zhujiang δέλτα (Pearl River Delta), βρίσκεται μεταξύ των γεωγραφικών πλατών 21° 40 Ν και 23° Ν, και των γεωγραφικών μηκών 112° Ε και 113° 20 Ε. Είναι το τρίτο μεγαλύτερο δέλτα στην Κίνα και έχει έκταση 17.200 τμ2 (εικ.1).
Από οικονομικής άποψης, το δέλτα Zhujiang είναι ο μεγαλύτερος τομέας οικονομικής συγκέντρωσης στη Νότια Κίνα. Από το 1978, το δέλτα έχει γίνει ανερχόμενο αστέρι λόγω της οικονομικής επέκτασης του υπό την οικονομική πολιτική μεταρρύθμιση της κυβέρνησης της Κίνας και επομένως έχει θεωρηθεί ως πρότυπο για την κινεζική επαρχιακή ανάπτυξη. Αυτή η γρήγορη ανάπτυξη έχει επιφέρει θεμελιώδεις αλλαγές στην κάλυψης χρήσεων γης και εδάφους.
Μεθοδολογία
Ανίχνευση και ανάλυση αστικής επέκτασης
Τα πρότυπα χρήσης/κάλυψης γης για το 1989 και το 1997 χαρτογραφήθηκαν με την χρήση στοιχείων Landsat Thematic Mapper (TM - ημερομηνίες:13 Δεκεμβρίου 1989 και 29 Αυγούστου 1997). Εντοπίστηκαν και χρησιμοποιήθηκαν επτά τύποι εδαφικής χρήσης/κάλυψηςι: (1) αστικό ή οικιστικό έδαφος, (2) άγονο έδαφος, (3) σοδειές, (4) αγροκτήματα δενδροκηποκομίας, (5) έδαφος ανάχωμα-λιμνών, (6) δάσος, και (7) νερό. Με τη βοήθεια του λογισμικού Erdas κάθε εικόνα ενισχύθηκε χρησιμοποιώντας την εξίσωση μέσω ιστογράμμων έτσι ώστε να έχουμε περισσότερο όγκο ορατών πληροφοριών. Αυτή η διαδικασία είναι σημαντική γιατί βοηθά να προσδιοριστεί ο επίγειος έλεγχος που γίνεται κατόπιν στη διόρθωση. Πραγματοποιήθηκε επιβλεπόμενη ταξινόμηση με τον αλγόριθμο της μέγιστης πιθανοφάνειας για να ταξινομηθούν οι εικόνες, χρησιμοποιώντας τα κανάλια 2 (πράσινο), 3 (κόκκινο) και 4 (ερυθρό). Η ακρίβεια της ταξινόμησης πιστοποιήθηκε από επίγειους ελέγχους και με σύγκριση με χάρτες χρήσης/κάλυψης που έλεγχτηκαν σύμφνα με τα πραγματικά εδαφικά δεδομένα. Στην εκτέλεση της ανίχνευσης αλλαγών στη χρήση/κάλυψη γης, υιοθετήθηκε μια ανίχνευση διαγώνιας ταξινόμησης σε πίνακα και παρήχθη μια μήτρα αλλαγής με τη βοήθεια του Erdas.
Η αστική εικόνα επέκτασης επιστρώθηκε περαιτέρω με διάφορες γεωγραφικές εικόνες αναφοράς έτσι ώστε να αναλυθούν τα πρότυπα της αστικής επέκτασης, συμπεριλαμβανομένης μιας εικόνας του ορίου νομών/πόλεων, βασικών δρόμων, και σημαντικών αστικών κέντρων. Αυτά τα στρώματα κατασκευάστηκαν σε ένα διανυσματικό περιβάλλον GIS και μετατράπηκαν σε ράστερ (πλέγμα καννάβου=30 μ).
Ανάλυση επίδρασης της αστικής επέκτασης
Για να μετρηθεί η αλλαγή στην επιφανειακή θερμοκρασία από το 1989 ως το 1997, προσδιορίστηε η θερμοκρασία της επιφανειακής ακτινοβολίας από τα ραδιομετρικά διορθωμένα θερμικά υπέρυθρα στοιχεία του TM, χρησιμοποιώντας το ακόλουθο τετραγωνικό πρότυπο έτσι ώστε να μετατραπεί ο ψηφιακός αριθμός (DN) σε θερμοκρασία ακτινοβόλίας (Malaret κ.α. 1985):
Τ(Κ) =209.831+0.834DN 0.00133 DN2 (1)
Κατόπιν, εφαρμόστηκαν διορθώσεις για την ικανότητα της ακτινοβολιας (ε) σύμφωνα με τη φύση της κάλυψης εδάφους, η οποία υπολογίζεται από τον τύπο:
Ts = T((K) / 1+(λT(K)/α)ln ε (2)
Στην εξέταση της χωρικής σχέσης μεταξύ των τύπων χρήσης γης/κάλυψης και της απάντησης της ενεργειακής επιφάνειας όπως μετριέται από το TS, οι ταξινομημένες εικόνες κάλυψης εδάφους του 1989 και 1997 επιστρώθηκαν στην εικόνα TS των αντίστοιχων ετών.
Αποτελέσματα και συζήτηση
Αστική επέκταση στο δέλτα Zhujiang, 1989-1997
Η συνολική ακρίβεια των χαρτών χρήσης/κάλυψης γης για το 1989 και το 1997 καθορίστηκε ως 90.57% και 85.43% αντίστοιχα. Οι δείκτες Κ για τους χάρτες του 1989 και το 1997 ήταν 0.8905 και 0.8317, αντίστοιχα. Σαφώς, αυτά τα στοιχεία έχουν εύλογα υψηλή ακρίβεια, και είναι έτσι επαρκή για την ανίχνευση της αστικής επέκτασης. Ο πίνακας 1 παρουσιάζει μια μήτρα χρήσης γης και αλλαγής κάλυψης εδάφους του δέλτα Zhujiang από το 1989 ως το 1997. Από αυτόν τον πίνακα, είναι σαφές ότι έχει υπάρξει μια σημαντική αλλαγή (12.82% της συνολικής περιοχής) στη χρήση γης και την κάλυψη εδάφους στην περιοχή μελέτης κατά τη διάρκεια των οκτώ αυτών ετών. Τα αστικά ή οικιστικά αγροκτήματα εδάφους και δενδροκηποκομίας έχουν αυξηθεί στην περιοχή (από 47.68% και 88.66%, αντίστοιχα), ενώ οι σοδειές έχουν μειωθεί (από 48.37%). . Η εικόνα 3 παρουσιάζει το βαθμό και τη χωρική διάταξη της αστικής επέκτασης. Η επικάλυψη αυτού του χάρτη με μια μάσκα νομών και πόλεων αποκαλύπτει το χωρικό περιστατικό της αστικής επέκτασης μέσα στις διοικητικές περιοχές. Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι αυτή η ραγδαία ανάπτυξη σε μορφή μικρών πόλεων στην ανατολική πλευρά του δέλτα είναι υψηλά επηρεασμένη από επενδύσεις που έρχονται από το Hong Kong. Οι διαδικασίες αστικής επέκτασης στο δέλτα Zhujiang κατά τη διάρκεια της περιόδου 1989 ως το 1997 εξετάζονται περαιτέρω με τη χάραξη μιας καμπύλης αποσύνθεσης (decay) απόστασης από έναν βασικό δρόμο, και την καθιέρωση μιας μαθηματικής εξίσωσης. Το αποτέλεσμα δείχνει ότι η πυκνότητα της αστικής επέκτασης μειώνεται καθώς η απόσταση από ένα βασικό δρόμο μεγαλώνει.
Θερμικές υπογραφές των τύπων εδαφικής κάλυψης
Προκειμένου να γίνουν κατανοητές οι επιδράσεις των αλλαγών χρήσης/κάλυψης γης στην ακτινοβόλο θερμοκρασία της επιφάνειας, πρέπει να μελετηθούν πρώτα τα χαρακτηριστικά των θερμικών υπογραφών κάθε τύπου κάλυψης εδάφους.
Είναι σαφές ότι και για τα δύο έτη (πίνακας 2), το αστικό ή οικιστικό έδαφος εκθέτουν την υψηλότερη ακτινοβόλο επιφανειακή θερμοκρασία (336.30K το 1989 και 339.14K το 1997), και έπειτα ακολουθεί το άγονο έδαφος (335.52K το 1989 και 338.36K το 1997). Αυτό υπονοεί ότι η αστική ανάπτυξη όντως αυξάνει την ακτινοβόλο επιφανειακή θερμοκρασία με την αντικατάσταση της φυσικής βλάστησης με μη εξατμιζόμενες επιφάνειες όπως η πέτρα, το μέταλλο και το σκυρόδεμα. Η ακτινοβόλος θερμοκρασία των οργανισμών του νερού είναι υψηλότερη από αυτή του δάσους (0.83K το χειμώνα), ενώ το καλοκαίρι χαμηλότερη (1.86 Κ). Λόγω των διακριτικών χαρακτηριστικών των ποταμών, των λιμνών, και των ωκεανών, οι ακτινοβόλες τιμές θερμοκρασίας τους ποικίλλουν. Αυτή η διαφορά πιθανώς έχει να κάνει με το όλο και πιο σοβαρό πρόβλημα ρύπανσης των υδάτων στο δέλτα Zhujiang, όπου το νερό αποβλήτων που υπάρχει ως αποτέλεσμα της επεξεργασία ζάχαρης, της επεξεργασία πολτού χαρτιού και κλωστοϋφαντουργικού προϊόντος που βάφει και που επιμεταλλώνει με ηλεκτρόλυση συχνά άμεσα απελευθερώνεται στους ποταμούς. Τα δάση παρουσιάζουν αρκετά χαμηλή ακτινοβόλο θερμοκρασία και στα δύο έτη, επειδή η πυκνή βλάστηση μπορεί να μειώσει το ποσό θερμότητας που αποθηκεύεται στις δομές του χώματος και της επιφάνειας μέσω της εφίδρωσης.
Οι σοδειές, τα αγροκτήματα δενδροκηποκομίας, και το έδαφος ανάχωμα-λιμνών τείνουν να έχουν αραιά βλάστηση και εκτεθειμένο γυμνό χώμα. Λαμβάνοντας υπόψη τη σχέση μεταξύ της ακτινοβόλου επιφανειακής θερμοκρασίας και της σύστασης της κάλυψης του εδάφους που επηρεάζεται από τη χρήση γης, οι αλλαγές στην κάλυψη χρήσης γης και εδάφους μπορούν να έχουν ένα βαθύ αποτέελσμα στην επιφανειακή θερμορασία λόγω ακτινοβολίας σε μια περιοχή. Το GIS με την επεξεργασία εικόνας μπορεί να βοηθήσει στην απεικόνιση του αντικτύπου της χρήσης γης και της αλλαγής κάλυψης εδάφους της θερμοκρασίας αυτής. Τα αποτελέσματα της GIS ανάλυσης δείχνουν ότι η αστική ανάπτυξη μεταξύ της περιόδου 1989 - 1997 ουσιαστικά έχει προκαλέσει μία μέση άυξηση της τάξης 13.01 K στην επιφανειακή θερμοκρασία, με μια σταθερή απόκλιση ±10.60 Κ.
Χωρική διανομή της επιφανειακής θερμοκρασίας λόγω ακτινοβολίας
Η εικόνα της αλλαγής της επιφανειακής θερμοκρασίας κωδικοποιείται εκ νέου σε οκτώ θερμοκρασιακές ζώνες βασισμένες στο ταξινομημένο σχέδιο κατιόντων ίσου διαστήματος. Οι ζώνες 7 και 8 έχουν μια θετική τιμή αλλαγής θερμοκρασίας, που δείχνει μια αύξηση της θερμοκρασίας μεταξύ 1989 και 1997, ενώ οι άλλες έχουν αρνητικές τιμές. Μια ανάλυση GIS χρησιμοποιώντας buffer και λειτουργίες επικαλύψης πραγματοποιήθηε για να αποκτηθεί η πυκνότητα της θερμοκρασίας της ζώνης 8 σε κάθε ζώνη buffer 500m μακρυά από τους βασικούς δρόμους. Το αποτέλεσμα παρουσιάζει μια τάση μείωσης των πυκνοτήτων καθώς η απόσταση από τους δρόμους αυξάνεται.
Συμπεράσματα
Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν μια αξιοσημείωτη αύξηση χρήσης/κάλυψης στο αστικό έδαφος μεταξύ 1989 και 1997. Η αστική ανάπτυξη δεν ήταν ομαλή στα διαφορετικά μέρη του δέλτα, και η πυκνότητα της αστικής επέκτασης παρουσίασε μια τάση πτώσης καθώς αυξανόταν η απόσταση από το οδικό δίκτυο όπως προείπαμε. Ο συνδυασμός της χρήσης τηλεπισκόπησης και GIS επέτρεψε μια εξέταση του αντίκτυπου της αστικής επέκτασης στην επιφανειακή θερμοκρασία. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η αστική ανάπτυξη αύξησε την θερμοκρασία κατά 13.01 Κ. Αυτή η μελέτη επίσης μας έδειξε ότι μία αμέση επίδραση στην αλλαγή χρήσης/κάλυψης χρησης αστικής γης μπορεί να έχει έμμεση επίδραση σε ένα άλλο. Η αύξηση επιφανειακής θερμοκρασίας λόγω της ακτινοβολίας είχε και ως αποτέελσμα τη μείωση της βιομάζας. Η ψηφιακή ταξινόμηση της εικόνας με το GIS έχει την ικανότητα και έτσι μας παρείχε εκτενείς πληροφορίες για τη φύση, το ποσοστό και τη θέση της αστικής επέκτασης του εδάφους.
Οι περιβαλλοντικές επιδράσεις της αστικής επέκτασης μπορούν να διαμορφωθούν σε τοπικό επίπεδο χρησιμοποιώντας ολοκληρωμένη προσέγγιση τηλεπισκόπησης και GIS. Η μεθοδολογία που υιοθετείται σε αυτήν την μελέτη παρέχει μια εναλλακτική λύση στην παραδοσιακή εμπειρική παρατήρηση και ανάλυση χρησιμοποιώντας στοιχεία από την ίδια τη γη (in situ) για τις περιβαλλοντικές μελέτες. Εντούτοις, στην εφαρμογή της μεθοδολογίας που χρησιμοποιείται στο έγγραφο αυτό και τα ευρήματα του, πρέπει να σημειωθούν δύο σημεία. Κατ' αρχάς, οι υπολογισμένες επιφανειακές θερμοκρασίες μπορεί να είναι υψηλότερες από αυτές που βρέθηκαν, δεδομένου ότι οι επιδράσεις της τραχύτητας της επιφάνειας δεν έχουν ληφθεί υπόψιν. Δεύτερον, ένα πιό περίπλοκο σχέδιο διορθώσεων της ικανότητας ακτινοβολίας που να διαφοροποιεί επτά τύπους εδαφικής κάλυψης πρέπει να εφαρμοστεί σε κάθε περεταίρω μελέτη. Η αποτελεσματική μέτρηση των επιφανειακών θερμοκρασιών ζητά να αναλύσει τη σημασία της φυσικής επιφάνειας και τη τραχύτητά του στην ικανότητα ακτινοβολίας.
