Αειφορία και τηλεπισκόπηση: διερεύνηση, ανάλυση και πειραματική εφαρμογή σύγχρονων τεχνικών απεικόνισης, για τον προσδιορισμό του βιοκλιματικού αποτυπώματος ενός αστικού ιστού

Abstract

This PhD Thesis, with the title “Sustainability and Remote Sensing: Introducing and applying new satellite-based remote sensing techniques, for evaluating the sustainability footprint of an urban environment”, was carried out in the Department of Cadastre, Photogrammetry and Cartography in the School of Rural and Surveying Engineering, at Aristotle University of Thessaloniki, with supervisor professor Mr. Petros Patias. Sustainable urban planning is one of the most important issues nowadays due to the serious impacts that the urban structures have on the environment, on the decrement of natural resources and finally on the quality of our life. What it is becoming therefore evident, is the importance of a sustainable urban planning for every country and every community. Urban planners and Energy analysts have traditionally focused on energy policy efforts for buildings and equipment to apply demand-side management measures that lower energy consumption or balance demand more efficiently. Today, analysts are closely examining the role of urban infrastructure and urban land uses patterns to better determine urban sustainability and energy consumption levels¹. The interconnection of urban forms and land-use with the determination of the sustainable urban environment and its fundamental parameters using remotely sensed data, is the key issue in this study. The contemporary remotely sensed data, with high spectral and spatial resolution, enable the monitoring of the complex urban tissue, giving the opportunity to scientists to process credential, high quality spatial data. The use of this kind of data though, demands the adoption of new approaches regarding their processing, as the up to now applied methodologies prove to be insufficient. In this research, taking into account the new demands that arise from the sustainable urban planning, a new, knowledge-based framework is introduced for high resolution satellite image processing, regarding the extraction of bioclimatic parameters of an urban tissue. Alongside with this ‘road map’ of procedures, investigation takes place for evaluating the possibility of the new proposed methods to extract information of a complex urban environment. Combined with spatial analyses, these methods are to be used in order to develop strategies for the improvement of the sustainable footprint of the urban tissue. The first section of this ‘road map’, aims at introducing new, improved methodologies and satellite image analysis, for calculating the morphological parameters of a complex urban environment. The use of the 8-band multispectral image of Worldview-2, is of great importance in this level of processing. In current satellite-based remote sensing techniques for land use studies, satellites with traditionally visible to near infrared bands (VNIR) are able to discern fine scale features. The 8-band multispectral imagery is expected to increase even more the feature extraction and to take the land use/land cover beyond this level. Accordingly, feature extraction techniques using the additional multispectral bands of the image, (Coastal Blue, Red Edge Yellow, NIR-2) are applied on the image, introducing new Normalized Difference Indexes and rules, for evaluating and extracting the necessary information of the examined urban area. Continuously, the calculation of morphological parameters such as building density, urban green density, as well as building information (roof types and orientation) of the examined urban area, takes place, using the derived information from the satellite imagery. With the following section of this research, begins the analysis and the evaluation of the urban parameters that define the sustainability footprint of an urban tissue. In specific, the proposed methodologies that use the extracted features from the satellite image, are evaluated and used for estimating the surface roughness parameters, for determining the air flow type and the porosity inside the examined area, for defining the variance of temperature and finally, for calculating the incoming solar radiation. These new approaches, for determining all the aforementioned parameters that play crucial role in the sustainability of an urban environment, demonstrate the new arising potentials that satellite-based remote sensing techniques have. Finally, the final section of this research, discusses the exploitation of high resolution satellite imagery for the bioclimatic upgrade of the examined urban area. The proposed method, using the available building stock of the study area, is based absolutely on the derived features of the satellite image. This constitutes an innovative and effective approach to the evaluation of the potentials that has the urban environment, regarding its bioclimatic upgrade. With the applied method, the available roof surface area for large-scale photovoltaic development is estimated, introducing an effective way of calculating this kind of data, for which no direct data exists. The potential annual energy production is then calculated, demonstrating the effectiveness, as well as the new potentials that arise from this application.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή, με τίτλο ‘Αειφορία και Τηλεπισκόπηση: Διερεύνηση ανάλυση και πειραματική εφαρμογή σύγχρονων τεχνικών απεικόνισης, για τον προσδιορισμό του βιοκλιματικού αποτυπώματος ενός αστικού ιστού’, εκπονήθηκε στον Τομέα Κτηματολογίου Φωτογραμμετρίας και Χαρτογραφίας, του Τμήματος Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης, με επιβλέποντα καθηγητή τον κ. Πέτρο Πατιά. Τα τελευταία χρόνια, οι πρόσφατες καινοτομίες σε δορυφορικά δεδομένα, και η εξέλιξη των τεχνικών ψηφιακής ανάλυσης στο ευρύτερο επιστημονικό πεδίο της Τηλεπισκόπησης και των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (GIS), παρείχαν στους επιστήμονες ανεκτίμητες δυνατότητες στη μελέτη του αστικού περιβάλλοντος. Με την εκτόξευση μιας νέας γενιάς υψηλής ανάλυσης δορυφόρων εμπορικής χρήσης, με τις τρέχουσες τεχνολογικές εξελίξεις και τη δημιουργία καινούριων πλατφόρμων παρατήρησης με καλύτερη φασματική, χωρική και ραδιομετρική ικανότητα, η επιστημονική κοινότητα έχει πλέον διαθέσιμα αξιόπιστα ψηφιακά χωρικά δεδομένα. Ταυτόχρονα, η πολυπλοκότητα του αστικού τοπίου αλλά και ο γρήγορος ρυθμός αλλαγών που πραγματοποιούνται μέσα σε αυτό, καθιστούν δύσκολο το έργο της ακριβούς περιγραφής και καταγραφής του με τις συμβατικές μεθόδους χαρτογράφησης, οι οποίες απαιτούν χρόνο και κόστος. Στην κατεύθυνση αυτή, η αξιοποίηση των σύγχρονων τεχνικών που προσφέρει η επιστήμη της Τηλεπισκόπησης και των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών αποτέλεσε κίνητρο για την παρούσα έρευνα, στοχεύοντας στην λεπτομερή παρακολούθηση του πολυσύνθετου αστικού τοπίου και τον προσδιορισμό παραμέτρων ενός αστικού περιβάλλοντος που ορίζουν και καθορίζουν τη βιωσιμότητά του. Πιο συγκεκριμένα στην παρούσα διατριβή, λαμβάνοντας υπόψη τις ανάγκες που προκύπτουν για τον καθορισμό του βιοκλιματικού αποτυπώματος ενός σύγχρονου αστικού τοπίου, πραγματοποιείται η ανάπτυξη ενός ‘οδικού χάρτη’ χρήσης μεθοδολογιών Τηλεπισκόπησης και GIS, όπου με την προτεινόμενη ροή εργασιών του, συνίσταται ένα σύστημα προσέγγισης προσδιορισμού βασικών αστικών βιοκλιματικών παραμέτρων. Με την ανάλυση του ‘οδικού χάρτη’, πραγματοποιείται ταυτόχρονα και η διερεύνηση το κατά πόσο οι νέες τεχνικές ανάλυσης δορυφορικών εικόνων σε συνδυασμό με χωρικές αναλύσεις και επεξεργασίες δεδομένων, μπορούν να οδηγήσουν στην εξαγωγή χρήσιμων και αξιόπιστων πληροφοριών για ένα αστικό περιβάλλον, ικανών να αξιοποιηθούν για τη βελτίωση της βιωσιμότητάς του. Αρχικά, η πρώτη ενότητα του ‘οδικού χάρτη’, αφορά την εξαγωγή θεματικής πληροφορίας από την εξεταζόμενη εικόνα του αισθητήρα WorldView-2, του πρώτου δορυφόρου υψηλής ανάλυσης με 8 διαύλους στον πολυφασματικό δέκτη. Για το σωστό εντοπισμό και εξαγωγή θεματικής πληροφορίας, εφαρμόστηκαν και αξιολογήθηκαν τόσο μεθοδολογίες φασματικής (pixel based) όσο και αντικειμενοστραφούς (object based) ταξινόμησης εικόνας. Οι τέσσερις επιπλέον δίαυλοι της διαθέσιμης εικόνας: Coastal Blue, Red Edge Yellow, NIR-2, δοκιμάζονται πειραματικά και αξιοποιούνται για την δημιουργία κανόνων και κανονικοποιημένων δεικτών, με στόχο τη λεπτομερή ανάλυση του αστικού περιβάλλοντος. Στη συνέχεια, μέσα σε ένα οργανωμένο σύστημα διαχείρισης GIS, ακολουθεί ο προσδιορισμός αστικών παραμέτρων που ορίζουν τη μορφολογία ενός αστικού χώρου, όπως ο συντελεστής κάλυψης δόμησης (πυκνότητα δόμησης), η πυκνότητα αστικού πρασίνου, ο προσδιορισμός του οριζόντιου δομικού υλικού κάλυψης για τα κτίσματα της περιοχής καθώς και ο κύριος προσανατολισμός τους. Για τον προσδιορισμό τους, αναπτύσσονται μεθοδολογίες και αλγόριθμοι αξιοποιώντας αποκλειστικά και μόνο τα δεδομένα της διαθέσιμης δορυφορικής εικόνας. Το επόμενο στάδιο αποτελεί ο προσδιορισμός αστικών παραμέτρων που αφορούν το μικροκλίμα του αστικού χώρου. Σε αυτήν την ενότητα, προσδιορίζονται βασικοί παράγοντες προσδιορισμού της βιοκλιματικής ποιότητας ενός αστικού ιστού, όπως ο τύπος ροής αέρα που εντοπίζεται σε αυτό, οι παράμετροι τραχύτητας, η διακύμανση της θερμοκρασίας επιφάνειας και η προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία. Με τις μεθοδολογίες που αναπτύσσονται, αναλύονται διεξοδικά όλες οι παράμετροι χρησιμοποιώντας τα δεδομένα που προέκυψαν από τη δορυφορική εικόνα. Οι νέες προσεγγίσεις προσδιορισμού των παραπάνω παραμέτρων που καθορίζουν τη βιωσιμότητα και την ποιότητα ενός αστικού τοπίου, αναδεικνύουν τις νέες προοπτικές που δίνουν τα σύγχρονα δορυφορικά δεδομένα υψηλής ακρίβειας, στη διαχείριση δεδομένων που αφορούν ένα οικιστικό σύνολο. Με την ολοκλήρωση του προσδιορισμού των επιθυμητών παραμέτρων για το εξεταζόμενο οικιστικό σύνολο, ακολουθεί η σύνθεση και αξιοποίηση των αποτελεσμάτων, στοχεύοντας στην ανάδειξη της χρησιμότητας των Τηλεπισκοπικών δεδομένων στο σχεδιασμό σεναρίου βιοκλιματικών παρεμβάσεων σε ένα οικιστικό πλέγμα. Έτσι, ο οδικός χάρτης ολοκληρώνεται με μια εφαρμογή για την εξεταζόμενη περιοχή. Στα πλαίσια της εφαρμογής, προσδιορίζεται το ωφέλιμο εμβαδό στέγης που είναι αξιοποιήσιμο για εφαρμογή Φωτοβολταϊκών Συστημάτων, δίνοντας επακολούθως και τη δυνατότητα υπολογισμού πιθανού κέρδους σε ενέργεια. Η εκτίμηση της δυνατότητας εφαρμογής Φωτοβολταϊκών Συστημάτων με τη χρήση αποκλειστικά και μόνο δορυφορικών δεδομένων, αποτελεί μια καινοτόμο προσέγγιση στην αξιολόγηση των δυνατοτήτων βιοκλιματικής αναβάθμισης ενός αστικού χώρου.