Αειφόρες στρατηγικές για έξυπνες πόλεις
Από RemoteSensing Wiki
Αειφόρες στρατηγικές για έξυπνες πόλεις
Συγγραφείς : Stefania Bonafoni, Giorgio Baldinelli , Paolo Verducci
Τίτλος: Sustainable strategies for smart cities: Analysis of the town development effect on surface urban heat island through remote sensing methodologies.
Εισαγωγή
Τα τελευταία χρόνια η χρήση δορυφορικών τεχνικών τηλεπισκόπησης έχει αποδειχθεί χρήσιμο εργαλείο για την παρακολούθηση αστικών παραμέτρων επιφάνειας: δεδομένα που παρέχονται σχετικά με την ανακλαστική και θερμική κατάσταση της αστικής υφής. Οι δύο αυτές κατηγορίες δεδομένων σε τοπική και παγκόσμια κλίμακα, παρέχουν βασικές πληροφορίες σχετικά με τον έλεγχο της αστικής θέρμανσης των αστικών ζωνών (SUHI) του πολεοδομικού σχεδιασμού. Σε αυτή την εργασία, η ανάκτηση της αστικής λευκαύγειας και της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης (LST) από δορυφορικά δεδομένα τα οποία προέρχονται από εικόνα Landsat 7 της πόλης Terni της Κεντρική Ιταλίας.
Η «βιωσιμότητα» αποτελεί ένα από τα θεμελιώδη ζητήματα με τα οποία αμφισβητείται ο εκσυγχρονισμός και επηρεάζονται διάφορες πτυχές όπως οι χρήσεις γης, η βαθμιαία εξάντληση της ενέργειας, οι μαζικές γραμμές πολιτισμό και τα ρυπασμένα τοπία. Από την μία πλευρά οι πόλεις αποτελούν την κύρια κινητήρια δύναμη της οικονομικής ανάπτυξης από την άλλη όμως αντιπροσωπεύουν ένα περιβαλλοντικό πρόβλημα. Στην πραγματικότητα ευθύνονται για το 60-80% της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας και περίπου το ίδιο μερίδιο της παγκόσμιας εκπομπής άνθρακα . Η μελέτη νέων στρατηγικών για τη μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων αποτελεί μια ηθική και επιστημονική δέσμευση. Ένα παράδειγμα στρατηγικής μείωσης των περιβαλλοντικών επιπτώσεων φαίνεται να είναι η "έξυπνη πόλη" η οποία αναφέρεται σε ένα αστικό μοντέλο αειφόρο, ευφυές, ανταγωνιστικό, χωρίς αποκλεισμούς, δημιουργικό, υπερ-συνδεδεμένο, τεχνολογικό, αποτελεσματικό, ηλεκτρονικό και ανοιχτό. Οι πόλεις που μετατρέπονται σε έξυπνες πόλεις έχουν ως στόχους την επαναχρησιμοποίηση της υπάρχουσας χρησιμοποιούμενης γης αποφεύγοντας την «κατανάλωση» νέας γης, την προστασία και την ενίσχυση του αστικού πράσινου, την προώθηση της ενεργειακής απόδοσης και την μείωση των ρυπογόνων εκπομπών: για τη βελτίωση της ζωής των ανθρώπων που ζουν σε αυτές. Στο ζήτημα της βιώσιμης ανάπτυξης των πόλεων, ο μετριασμός της αστικής θερμότητας (UHI) αποτελεί βασικό στοιχείο. Το UHI είναι ένα φαινόμενο που οφείλεται στην αύξηση της αστικοποίησης, σε συνδυασμό με την αύξηση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης και των ανθρωπογενών πηγών θερμότητας. Επί του παρόντος, το φαινόμενο αυτό επηρεάζει όχι μόνο μεγάλες μητροπόλεις, αλλά και μικρότερες πόλεις. Γενικά, μια κατοικημένη περιοχή παρουσιάζει μεταβλητή θερμική επιφάνεια με υψηλές και χαμηλές ζώνες θερμοκρασίας εδάφους (LST), που αντιστοιχούν σε αδιάβροχες επιφάνειες χαμηλής και υψηλής ανακλαστικότητας, αντίστοιχα. Μια υψηλή ανακλαστική επιφάνεια τυπικά είναι ελαφριά στην κολλητική ουσία απορροφά λιγότερη ηλιακή ακτινοβολία από μια συμβατική σκούρα χρωματισμένη: η λιγότερο απορροφημένη ακτινοβολία οδηγεί σε χαμηλότερο LST, μειώνοντας άμεσα τη θερμότητα του κτιρίου και τη ζήτηση κλιματισμού. Η λευκαύγεια ή αντανακλαστικότητα είναι μια παράμετρος που περιγράφει ποσοτικά την αντανακλαστική συμπεριφορά μιας επιφάνειας: αντιπροσωπεύει την συνολική ημισφαιρική αντανάκλαση της επιφάνειας που ενσωματώνεται στο ηλιακό φάσμα. Μπορεί να θεωρηθεί ότι το μέσο albedo των υφιστάμενων στεγών δεν υπερβαίνει το 0,30 αλλά μπορεί να αυξηθεί σε περίπου 0,55 ÷ 0,60 με την κατάλληλη ανακαίνιση και επεμβάσεις . Πιο συγκεκριμένα, είναι δυνατό να εφαρμοστούν καλύμματα. Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης και οι μεθοδολογίες επεξεργασίας δεδομένων επιτρέπουν την ανάκτηση παραμέτρων επιφάνειας και αέρα, με στόχο την παρακολούθηση της γήινης επιφάνειας τόσο σε τοπική όσο και σε παγκόσμια χωρική κλίμακα και σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα.
Μεθοδολογία
Οι δύο εικόνες, που λήφθηκαν από το USGS σε ανάλυση 30 m, υποβλήθηκαν σε επεξεργασία σύμφωνα με την τεχνική βαθμονόμησης που πρότειναν οι Chander, Markham, & Helder, προκειμένου να μετατραπούν οι τιμές ψηφιακού αριθμού σε τιμές φασματικής ακτινοβολίας σε αισθητήρα. Ο υπολογισμός της ανάκλασης της επιφάνειας των αντανακλαστικών ζωνών ΕΤΜ + πραγματοποιήθηκε εφαρμόζοντας ατμοσφαιρική διόρθωση.
Η ανακλαστικότητα είναι η βιοαιμισφαιρική ανάκλαση, δηλαδή η αναλογία της ακτινοβολούμενης ροής που ανακλάται από την επιφάνεια μιας μονάδας στο σύνολο του ημισφαιρίου έως την προσπίπτουσα ροή ακτινοβολίας ημισφαιρικής γωνιακής έκτασης. Οι φασματικές ανακλάσεις επιφάνειας Landsat αντιστοιχούν στη διαμόρφωση ημισφαιρικής (εισερχόμενης ακτινοβολίας) - κωνικής (ανακλώμενης ακτινοβολίας). Με την παραδοχή της επιφάνειας Lambertian, οι φασματικές ανακλάσεις Landsat μπορούν να θεωρηθούν αλδενοί στενής ζώνης από τους οποίους εκτιμάται το ευρυζωνικό albedo. Το συνολικό ευρυζωνικό αντανακλαστικότητας για την περιοχή μελέτης ανακτάται χρησιμοποιώντας τη σχέση Liang. Στη συνέχεια, τα δεδομένα LST από τη ζώνη Β6 ελήφθησαν με αναστροφή της ακόλουθης εξίσωσης μεταφοράς ακτινοβολίας:
όπου Lsens, λ είναι η ακτινοβολία στον αισθητήρα στην κορυφή της ατμόσφαιρας, εj είναι η επιφανειακή εκπομπή, Bλ (Ts) είναι ο νόμος του Planck όπου Ts είναι η LST, είναι η ατμοσφαιρική ακτινοβολία κάτω από την επιφάνεια, τλ είναι η συνολική ατμοσφαιρική διαπερατότητα και είναι φωτεινή ατμοσφαιρική ακτινοβολία. Το LST ανακτάται από (2) με αναστροφή του νόμου του Planck, όταν είναι γνωστή η επιφανειακή εκπομπή. Οι ατμοσφαιρικές παράμετροι τλ και Lλ υπολογίστηκαν χρησιμοποιώντας ένα διαδικτυακό εργαλείο (http://atmcorr.gsfc.nasa.gov) που λαμβάνει τα ατμοσφαιρικά προφίλ των Εθνικών Κέντρων Περιβαλλοντικής Πρόγνωσης (NCEP) ως εισροές στον κώδικα μεταφοράς ακτινοβολίας MODTRAN. Η εκπεμπόμενη επιφάνεια της γης εκτιμήθηκε με τη μέθοδο κατωφλίου κανονικοποιημένης διαίρεσης δείκτη βλάστησης (NDVI) με NDVI που υπολογίστηκε ως:
(B4-B3)/(B4 + B3)
Διεξήχθη μια πειραματική εκστρατεία για να εκτιμηθεί η αξιοπιστία της εκτίμησης λευκαύγειας από δορυφορικές παρατηρήσεις χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1). Οι επιτόπιες μετρήσεις της, τα κόκκινα σημεία της εικ. 1 b) και c), πραγματοποιήθηκαν από ένα αλδελόμετρο Delta Ohm Pyra 05, αποτελούμενο από δύο πυρανόμετρα κατηγορίας 1 και λειτουργώντας εντός 0,3 μm ÷ 3,0 μm φασματική περιοχή. Η πειραματική διαδικασία πραγματοποιήθηκε στις 26 Ιουλίου 2016, περίπου στις 11:30 τοπική ώρα, σε αντιστοιχία με ένα πέρασμα Landsat 7 πάνω από τη ζώνη.
Αποτελέσματα και συμπεράσματα
Η πόλη αυτή παρουσιάζει μια σημαντική αστική αλλαγή τα τελευταία 10 χρόνια. Συγκρίνοντας δύο δορυφορικές εικόνες το 2005 και το 2015, το χωρικό το σχήμα της ανακλαστικότητας και του LST δείχνει μια μέση μείωση κατά 0,03 της ανακλαστικότητας κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου και κατά τη διάρκεια της ημέρας 2,3 oC. Η επικύρωση των δορυφορικών παρατηρήσεων με μετρήσεις εδάφους έδειξε ότι η ανάκτηση λεθκάυγειας από το δορυφορικό datacan χρησιμοποιείται με ένα ικανοποιητικό επίπεδο ακρίβειας, με το τεράστιο πλεονέκτημα να παρέχει μια ευρεία χωρική κάλυψη, καθιστώντας εφικτή την παρακολούθηση των μεταβολών της αντανακλαστικότητας και του LST να αλλάζει με το χρόνο. Διαπιστώθηκε επίσης ότι αν το albedo δεν αναλυθεί προσεκτικά στις μεταβολές της επιφάνειας του αστικού χώρου, δημιουργείται ο κίνδυνος αύξησης του SUHI.Η προτεινόμενη ανάλυση με δεδομένα τηλεπισκόπησης μπορεί να θεωρηθεί αποτελεσματικός δείκτης ικανός να επισημάνουμε εάν οι αστικές αλλαγές όπως οι παρεμβάσεις και οι νέες κατασκευές κινούνται προς μια βιώσιμη αστική ανάπτυξη όσον αφορά τον μετριασμό των θερμικών νησίδων
