Θερμική υπέρυθρη τηλεπισκόπηση της αστικής θερμότητας: Hotspots, βλάστηση και αξιολόγηση τεχνικών για χρήση στον αστικό σχεδιασμό

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος: Thermal infrared remote sensing of urban heat: Hotspots, vegetation, and an assessment of techniques for use in urban planning

Συγγραφείς: Andrew M. Coutts, Richard J. Harris, Thu Phan, Stephen J. Livesley, Nicholas S.G. Williams, Nigel J. Tapper

Πηγή: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425716303509

Περίληψη

Η μείωση των περιοχών με υψηλή θερμοκρασία, των αστικών "hotspots" αποτελεί πρόκληση στον αστικό σχεδιασμό. Η μελέτη εξετάζει τη χρήση υπερυψηλής ανάλυσης αεροπορικών θερμικών υπερύθρων αισθητήρων για τον εντοπισμό αυτών των hotspots σε γειτονιές και δρόμους. Παρά την αναγνώριση περιοχών υψηλής θερμοκρασίας εδάφους, διαπιστώνεται ότι η σύνδεση με την υψηλή ατμοσφαιρική θερμοκρασία είναι πρόβλημα. Προτείνεται η χρήση πιο προσιτών και οικονομικών δορυφορικών προϊόντων, καθώς τα δεδομένα υψηλής ανάλυσης αποδεικνύονται μη κατάλληλα για την υποστήριξη αποφάσεων σχετικά με τον αστικό σχεδιασμό και την πράσινη ανάπτυξη της πόλης.

Εισαγωγή

Η σημασία της αύξησης της αστικής βλάστησης είναι μια καίρια στρατηγική για τη μείωση της αστικής θερμότητας, με αναφορά σε διάφορες μελέτες και ευρήματα από δορυφορική τηλεπισκόπηση. Το έλλειμμα πρακτικών κατευθυντηρίων γραμμών για την υλοποίηση της αστικής πράσινης ανάπτυξης αναδεικνύεται ως πρόκληση για τις δημοτικές αρχές με περιορισμένους πόρους. Ορισμένες αρχές εξετάζουν τη χρήση πολύ υψηλής ανάλυσης θερμικής υπέρυθρης (TIR) τηλεπισκόπησης για τον εντοπισμό των "σημείων ζέστης" και την ενημέρωση των στρατηγικών πράσινης ανάπτυξης της πόλης. Ωστόσο, υπάρχουν πολυπλοκότητες και περιορισμοί στη συλλογή και ερμηνεία των δεδομένων TIR, περιλαμβανομένων ζητημάτων όπως η διόρθωση εκπομπής, οι γωνίες θέασης και η χρονική συχνότητα. Η μελέτη έχει ως στόχο να εξετάσει την πιθανή εφαρμογή της πολύ υψηλής ανάλυσης TIR τηλεπισκόπησης για τον εντοπισμό των "σημείων ζέστης", να κατανοήσει την επίδραση της βλάστησης στην LST και να αξιολογήσει την καταλληλότητα της TIR τηλεπισκόπησης για την ενημέρωση των πράσινων επεμβάσεων για τη μείωση της αστικής θερμότητας. Στόχος είναι να παρέχεται καθοδήγηση για τους πολεοδόμους σχετικά με το πόσο χρήσιμη είναι η TIR τηλεπισκόπηση για στρατηγικές μείωσης της θερμότητας στις πόλεις.

2. Μεθοδολογία

2.1. Απόκτηση δεδομένων τηλεπισκόπησης TIR υψηλής ανάλυσης

Η πόλη του Πορτ Φίλιπ (CoPP) στη Μελβούρνη, Αυστραλία, πραγματοποίησε ένα έργο τηλεπισκόπησης θερμικής υπερύθρου (TIR) κατά το καλοκαίρι του 2011-12 για τη συλλογή δεδομένων υψηλής ανάλυσης για την υλοποίηση μιας πολιτικής αυξημένης κάλυψης από δέντρα. Ο στόχος ήταν o εντοπισμός των "hotspots" (περιοχές με υψηλή θερμοκρασία) στο δήμο με χρήση θερμικών εικόνων και η προτεραιοποίησή τους για αστική πράσινη διαμόρφωση προκειμένου να αντιμετωπιστούν οι υψηλές θερμοκρασίες. Το έργο περιλάμβανε συνεργασία μεταξύ του CoPP, γειτονικών δήμων, της κυβέρνησης του Βικτοριανού κράτους, συμβούλων και ερευνητών πανεπιστημίου με στόχο την εξερεύνηση και αξιοποίηση των θερμικών εικόνων. Οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα πρωτόκολλο για τη συλλογή δεδομένων VHR TIR, καθορίζοντας συνθήκες πτήσης κατά τη διάρκεια της ημέρας και πριν την αυγή, με χαμηλές ταχύτητες ανέμου και σαφείς συνθήκες ορατότητας. Τα δεδομένα αποτύπωσαν "hotspots" με υψηλή θερμοκρασία ενώ η πτήση πραγματοποιήθηκε κατά τη διάρκεια μιας περιόδου υψηλών θερμοκρασιών τον Φεβρουάριο του 2012. Η ανάλυση των δεδομένων επέτρεψε στους ερευνητές να προτείνουν στρατηγικές αντιμετώπισης του θερμικού φορτίου στις αστικές περιοχές και να παράσχουν πληροφορίες για τη χρήση υψηλής ανάλυσης TIR στον προγραμματισμό πόλεων για την προσαρμογή στη θερμότητα..

2.2. Ταξινόμηση επιφανειών γης

Σε μια μελέτη που πραγματοποιήθηκε για την επεξεργασία και ερμηνεία θερμικών υπέρυθρων δεδομένων (TIR) πραγματοποιήθηκε λεπτομερής ταξινόμηση της επιφάνειας του εδάφους, χρησιμοποιώντας διάφορες πηγές δεδομένων όπως εναέριες εικόνες, υπερφασματικά δεδομένα και δεδομένα LiDAR. Η ταξινόμηση της επιφάνειας χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της κάλυψης της βλάστησης και την ανάθεση εκπομπικών τιμών σε κάθε τύπο επιφάνειας. (Εικ.1). Η μελέτη εστίασε στην επίδραση των χαρακτηριστικών της επιφάνειας στη θερμοκρασία επιφάνειας και στον εντοπισμό περιοχών με υψηλές θερμοκρασίες. Η μεθοδολογία περιλάμβανε τη χρήση λογισμικού επεξεργασίας εικόνας και τη δημιουργία ψηφιακών μοντέλων επιφάνειας. Η ακρίβεια της ταξινόμησης ήταν υψηλή, αν και παρατηρήθηκαν κάποια σφάλματα σε περιοχές σκιών..

2.3. Αξιολόγηση επιφάνειας εδάφους του LST

Έγινε αξιολόγηση της επιφανειακής θερμοκρασίας που είχε παραχθεί από δεδομένα υπερυψηλής ανάλυσης TIR, προκειμένου να εκτιμηθεί η ακρίβεια του προϊόντος στον προσδιορισμό θερμοκρασίας διάφορων επιφανειακών τύπων. Δημιουργήθηκαν πέντε τοποθεσίες σε διάφορες επιφάνειες, προσφέροντας ομοιογενή κάλυψη για τη σύγκριση με τα υψηλής ανάλυσης TIR δεδομένα. Καταγράφηκαν δεδομένα θερμοκρασίας και υγρασίας, ενώ δεν εφαρμόστηκε διόρθωση ατμοσφαιρικών συνθηκών. Η μελέτη αυτή παρείχε πληροφορίες σχετικά με την αξιοπιστία των δεδομένων TIR στην πρόβλεψη θερμοκρασιών διαφόρων επιφανειακών τύπων.

2.4. Ατμοσφαιρικές και εκπομπικές διορθώσεις

Κατά την διαδικασία διόρθωσης δεδομένων υπέρυθρης θερμότητας (TIR) για τον υπολογισμό της επιφανειακής μαύρης ακτινοβολίας, ιδίως μετρώντας τη φασματική ακτινοβολία και λαμβάνοντας υπόψη ατμοσφαιρικές επιδράσεις έγινε υπολογιστική πρόβλεψη της πραγματικής θερμοκρασίας της επιφάνειας του εδάφους (LST), εφαρμόζοντας διόρθωση ατμοσφαιρικής επιδράσεως με χρήση μοντέλου MODTRAN-5. Η διόρθωση εκπομπικότητας υπήρξε αναγκαία για την ανάθεση τιμών θερμοκρασίας σε επιφάνειες, χρησιμοποιώντας διάφορες προσεγγίσεις, και η έρευνα έδειξε ελπιδοφόρα αποτελέσματα για την ακρίβεια της LST σε σύγκριση με σημεία επίγειας αξιολόγησης, παρουσιάζοντας προκλήσεις όπως οι εκτιμήσεις εκπομπικότητας και γωνίες θέασης του αισθητήρα. Υπογραμμίστηκε η σημασία της διόρθωσης δεδομένων TIR, για ακριβείς εκτιμήσεις θερμοκρασίας επιφάνειας, λαμβάνοντας υπόψη διαφορετικούς τύπους επιφανειών και τιμές εκπομπικότητας.

2.5. Καθιέρωση διόρθωσης εκπομπής για στέγες κτιρίων

Στην προσπάθεια να καθοριστεί μια μοναδική τιμή εκπομπής για τα κτίρια, αντιμετωπίστηκαν δυσκολίες λόγω της μεγάλης διακύμανσης των τιμών στη βιβλιογραφία, ιδίως για μεταλλικά στέγαστρα, και την εξάρτηση των τιμών από το υλικό (π.χ. γαλβανισμένος χάλυβας, επιχρυσωμένο αλουμίνιο) και την κατάσταση της στέγης (π.χ. ποσότητα σκουριάς, βρωμιά). Αναλύοντας τα δεδομένα ακτινοβολίας TIR για το CoPP, παρατηρήθηκε ότι μερικά φωτεινά μεταλλικά στέγαστρα εμφάνιζαν πολύ χαμηλές τιμές ακτινοβολίας σε σύγκριση με άλλα είδη στεγών. Ως αποτέλεσμα, αναγνωρίστηκε ότι μια μοναδική τιμή εκπομπής δεν ήταν επαρκής και αναπτύχθηκε μια εκπομπή που μεταβάλλεται γραμμικά για τις στέγες, βασιζόμενη στο εύρος των παρατηρούμενων τιμών ακτινοβολίας τη νύχτα.

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.

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

2.8. Προσδιορισμός hotspot <p align="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.</p>