Ανίχνευση αστικής εξάπλωσης και θερμοκρασιακής μεταβολής της επιφάνειας εδάφους με τη χρήση εικόνων Landsat
Από RemoteSensing Wiki
Τίτλος: Ανίχνευση αστικής εξάπλωσης και θερμοκρασιακής μεταβολής της επιφάνειας εδάφους με τη χρήση εικόνων Landsat
Πρωτότυπος τίτλος: Detection of urban expansion and land surface temperature changeusing multi-temporal landsat images
Συγγραφείς: Shenming Wang, Qifang Ma, Haiyong Ding, Hanwei Liang,
Πηγή: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921344916301215
Εισαγωγή
Η ταχύρρυθμη αστικοποίηση που λαμβάνει χώρα σε πολλές χώρες συνδέεται άμεσα με την αλλαγή κάλυψης και χρήσεων γης στις περιβάλλουσες περιοχές η οποίες με τη σειρά τους επιδρούν στην επικρατούσα θερμοκρασία της εδαφικής επιφάνειας και του αέρα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα ραγδαίας αστικής επέκτασης αποτελεί η πόλη Nanjing της Κίνας, λόγω της πληθυσμιακής και οικονομικής της ανάπτυξης, επομένως επιλέχθηκε ως περιοχή μελέτης.
Στόχος του άρθρου είναι η ανίχνευση της αστικής επέκτασης και η συνεπαγόμενες διαφοροποιήσεις της θερμοκρασίας του εδάφους στην περιοχή. Η μεθοδολογία περιλαμβάνει τη χρήση χρονοσειρών δορυφορικών εικόνων Landsat TM/ETM+.
Δεδομένα
Δορυφορικές εικόνες Landsat TM για τις χρονολογίες 1985, 1991 και 1996 και Landsat ETM+ για το 2009 χρησιμοποιήθηκαν ως πρωτογενή δεδομένα, κατόπιν επεξεργασίας που περιλάμβανε προβολή σε κατάλληλο σύστημα αναφοράς και ραδιομετρική και ατμοσφαιρική διόρθωση. Επιπλέον, εικόνες Google Earth και IKONOS χρησιμοποιήθηκαν για την κατάλληλη επιλογή περιοχών εκπαίδευσης ταξινόμησης, ενώ ελήφθησαν και δεδομένα για τη θερμοκρασία του αέρα, ώστε να υπολογιστεί η εξέλιξή της.
Μεθοδολογία
Ταξινόμηση εικόνας: Ο αλγόριθμος επιβλεπόμενης ταξινόμησης Support Vector Machine (SVM) χρησιμοποιήθηκε για τους σκοπούς της μελέτης και οι περιοχές εκπαίδευσης ορίστηκαν στις εικόνες Landsat, σύμφωνα με τις φασματικές τους ιδιότητες. Για την επιλογή των δειγμάτων χρησιμοποιήθηκε η πληροφορία από τις διαθέσιμες εικόνες υψηλής χωρικής ανάλυσης. Οι ταξινομημένες εικόνες παρουσιάζονται στην εικόνα 1.
Υπολογισμός θερμοκρασίας επιφάνειας εδάφους (LST): Για τον προσδιορισμό της LST χρησιμοποιήθηκε το θερμικό υπέρυθρο κανάλι του Landsat TM/ETM+. Αρχικά προσδιορίστηκε η εκπομπή από την επιφάνεια του εδάφους με τη χρήση του δείκτη βλάστησης NDVI και στη συνέχεια έγινε ο υπολογισμός της LST σε τρία βήματα: α) τον υπολογισμό της ακτινοβολίας top-of-atmosphere (, η ολική ακτινοβολία που εκπέμπεται από έδαφος και ατμόσφαιρα) με χρήση των ψηφιακών τιμών του θερμικού καναλιού, β) τον υπολογισμό θερμοκρασίας φωτεινότητας (brightness temperature, BT) και γ) τον υπολογισμό της LST από τον τύπο 𝐿𝑆𝑇=BT/(1+λ·BT·ln𝜀/𝜌) , όπου ΒΤ υπολογίστηκε προηγουμένως και λ, ρ, ε είναι σταθερές.
Αποτελέσματα
Ακρίβεια ταξινόμησης: Για τις εικόνες όλων των ημερομηνιών επετεύχθη μεγάλη συνολική ακρίβεια με ποσοστά από 88.55% έως 94.99%. Οι ακρίβειες δημιουργού των ταξινομήσεων και χρηστών ήταν επίσης αποδεκτές για τις περισσότερες κλάσεις και σε όλες τις εικόνες. Ορισμένα σφάλματα παράληψης περιοχών που ταξινομήθηκαν τελικά σε λάθος κλάσεις, όπως και χαμηλής ακρίβειας δημιουργού λόγω παρόμοιας ανακλαστικότητας κλάσεων παρατηρήθηκαν σε κάποιες από τις ημερομηνίες. Επιπλέον, στην εικόνα του 2009 παρατηρήθηκε μια καινούρια κλάση ιδιαίτερης φασματικής υπογραφής που συνδέεται με στέγες εργοστασιακών και εμπορικών εγκαταστάσεων.
Αλλαγές κάλυψης και χρήσης γης: Οι χάρτες κάλυψης και χρήσης γης, που προέκυψαν από τη μελέτη, παρουσιάζονται στην εικόνα 2. Το 1985 η κυρίαρχη κατηγορία κάλυψης ήταν η βλάστηση, η οποία σε συνδυασμό με το γυμνό έδαφος υποχώρησε μέχρι το 1991 και αυξήθηκε η δόμηση. Το 1996 η δομημένες περιοχές αναδείχθηκαν κύρια κάλυψη γης με αύξηση 29%, η οποία συνεχίστηκε και το 2009, οπότε και έκαναν την εμφάνισή τους και οι στέγες μεγάλων εγκαταστάσεων.
Κατανομή της θερμοκρασίας επιφάνειας εδάφους: Η κατανομή της LST, όπως φαίνεται και στην εικόνα 3, παρουσιάζει σημαντικές αλλαγές τόσο χωρικά όσο και στο πέρασμα των ετών. Συγκεκριμένα, παρατηρείται σταδιακή μείωσή της καθώς περνάμε από τον αστικό ιστό προς τις αγροτικές περιοχές, ενώ με το πέρασμα του χρόνου και καθώς η κάλυψη γης αλλάζει, ολοένα και περισσότερες περιοχές εμφανίζουν σχετικά αυξημένη LST.
Συμπεράσματα
Συνολικά παρατηρούνται μεγάλες αλλαγές στη μελετώμενη περιοχή κατά την περίοδο 1985 – 2009. Η αστική περιοχή αυξάνεται σημαντικά με υποχώρηση της βλάστησης και κυρίως των αγρών και των δασών. Οι μεγαλύτερες μεταβολές παρατηρούνται στις περιοχές προαστίων. Επιπλέον, η χρήση κανονικοποιημένης επιφανειακής θερμοκρασίας του εδάφους αναδεικνύει πως ίδιες καλύψεις/χρήσεις γης έχουν σχεδόν ίδια θερμοκρασία, με τις δομημένες περιοχές και ιδίως τις μεγάλες εγκαταστάσεις να εμφανίζουν τις μεγαλύτερες θερμοκρασίες και, συνεπώς, κατά κύριο λόγο να προκαλούν τη θερμοκρασιακή αύξηση στο αστικό περιβάλλον. Οι παρατηρήσεις αυτές, σε συνδυασμό με την αύξηση θερμοκρασίας του αέρα που καταγράφηκε, εγείρουν προβληματισμούς για τις ενεργειακές απαιτήσεις τέτοιων σχηματισμών και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις.
