نشریه سنجش از دور و GIS  ایران

نشریه سنجش از دور و GIS ایران

ریزمقیاس‌نمایی مکانی تصاویر حرارتی لندست 8 به منظور روندیابی مکانی-زمانی جزایر حرارتی شهر تهران

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
1 دانشیار گروه سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی، دانشگاه تربیت مدرس
2 گروه سنجش از دور و سیستم اطلاعات جغرافیایی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
چکیده
مقدمه: افزایش روزافزون سرعت شهرنشینی باعث ایجاد تغییرات عمده در الگوی پوشش و کاربری زمین و به دنبال آن تغییرات در کمیت و توزیع مکانی دمای سطح زمین و ایجاد جزایر حرارتی در محیط‌های شهری شده است. به همین خاطر پایش روند تغییرات مکانی-زمانی جزایر حرارتی در سطح شهرها می‌تواند در جهت کنترل و کاهش اثرات این پدیده در سطح شهرها، خصوصاً شهرهای بزرگ اهمیت داشته باشد. به‌منظور تعیین مکان و تغییرات جزایر حرارتی، محاسبه دمای سطح زمین ضروری می‌باشد. با توجه ‌به تنوع پوشش زمین در سطح شهرها، و تأثیرپذیری دمای سطح زمین از تغییرات پوشش زمین، نیاز به قدرت تفکیک مکانی بالا می‌باشد. این در حالی است که معمولاً تصاویر حرارتی از قدرت تفکیک مکانی بالایی برخوردار نیستند. همچنین برخی از تصاویر حرارتی مانند تصاویر لندست که دارای قدرت تفکیک مکانی مناسبی هستند، فاقد قدرت تفکیک زمانی مناسب برای پایش تغییرات دمای سطح به‌صورت پیوسته می‌باشند و به همین خاطر امکان پایش منظم تغییرات زمانی دمای سطح زمین با استفاده از این تصاویر وجود ندارد. در این پژوهش روند مکانی-زمانی این پدیده در مناطق ۳، ۶ و ۱۱ شهرداری تهران در تمام فصول سال‌های ۱۳۹۳ و ۱۴۰۱ مورد بررسی قرارگرفت. قدرت تفکیک مکانی پایین باندهای حرارتی سنجنده‌های موجود و در دسترس، به دلیل پیچیدگی میزان تأثیر عوامل مختلف شهری بر دمای سطح زمین، امکان بررسی تمایزات دمایی مناطق پیچیده و ناهمگن شهری را محدود می‌کند. ازآنجاکه بررسی هرچه بهتر دمای سطح زمین در شهرها نیاز به داده‌های حرارتی با اطلاعات مکانی دقیق دارد، در این پژوهش بهبود قدرت تفکیک مکانی نقشه دمای سطح زمین بازیابی شده از سنجنده لندست ۸ از ۱۰۰ متر به ۳۰ متر به روش آمارمبنا انجام شده است.

مواد و روش‌ها: در این پژوهش به‌منظور بهبود قدرت تفکیک مکانی نقشه دمای سطح زمین بازیابی شده از سنجنده لندست ۸ از ۱۰۰ متر به ۳۰ متر از شاخص‌های خصوصیات سطح زمین بازیابی شده از تصاویر همین سنجنده و همچنین داده‌های کمکی شامل نقشه رقومی ارتفاع و نقشه راه‌ها به‌عنوان متغیرهای پیش‌بینی‌کننده استفاده شده است. در این راستا و برای یافتن بهترین روش با بالاترین صحت از روش‌های یادگیری ماشین شامل الگوریتم‌های: جنگل تصادفی، رگرسیون ماشین بردار پشتیبان و شبکه عصبی پرسپترون چندلایه استفاده شد و نتایج نیز با روش TsHARP به‌عنوان یک الگوریتم متداول مقایسه شدند.

نتایج و بحث: نتایج در تمام تصاویر نشان‌دهنده برتری الگوریتم جنگل تصادفی نسبت به تمامی روش‌های دیگر بود. بهترین دقت مدل مربوط به فصل زمستان سال ۱۳۹۳ با ریشه میانگین مربعات خطای ۳۸/۰ و ضریب تعیین ۹۴/۰ بوده است. ترتیب اهمیت متغیرهای پیش‌بینی‌کننده ورودی این الگوریتم در فصول مختلف هر سال متفاوت بوده و همین‌طور در فصول ثابت طی سال‌های مختلف نیز تفاوت‌هایی داشته‌اند. بررسی روند مکانی-زمانی تغییرات شدت و وسعت جزایر حرارتی نشانگر روند تغییرات افزایشی طبقات دمایی منطبق بر این پدیده در تمام فصول سال‌های مورد مطالعه بوده است. میزان تغییرات این روند افزایشی از منظر وسعت در فصل بهار بیشترین و برابر با ۶۸/۳ کیلومترمربع و در فصل زمستان کمترین و برابر با ۹۹/۱ کیلومترمربع بوده است. همچنین از نظر شدت در فصل تابستان بیشترین و در فصل زمستان کمترین میزان را داشته است.

نتیجه‌گیری: روند تغییرات شدت جزیره حرارتی شهری همواره افزایشی بوده است. میزان این شاخص در تمام سال‌ها، در فصل تابستان بیشترین و در فصل زمستان کمترین بوده است. روند تغییرات مساحت طبقات دمایی منطبق بر جزایر حرارتی در منطقه و طی سال‌های مورد مطالعه همواره افزایشی و میزان آن در فصول مختلف تفاوت داشته است. موقعیت مکانی جزایر حرارتی در این مناطق در تمام فصول و سال‌ها ثابت بوده و جزایر حرارتی با وسعت و شدت بیشتر منطبق بر کاربری‌هایی نظیر مناطق آموزشی، تفریحی، درمانی، اماکن ادارات دولتی و همین‌طور بزرگراه‌های پرتردد و پرترافیک می‌باشند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Spatial downscaling of Landsat 8 thermal images for detecting spatiotemporal trends of heat islands in Tehran

نویسندگان English

Ali Shamsoddini 1
Hanieh Talatbakhsh 2
1 Associate professor, Department of Remote Sensing and GIS, Tarbiat Modares University
2 Department of Remote Sensing and GIS, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده English

Introduction: The increasing speed of urbanization has led to significant changes in land cover and land use patterns, resulting in alterations in the quantity and spatial distribution of land surface temperature and the formation of heat islands in urban environments. For this reason, monitoring the spatiotemporal changes of heat islands in urban areas can be important for controlling and reducing the effects of this phenomenon in cities, especially large ones. In order to determine the location and changes of heat islands, calculating the land surface temperature is essential. Considering the diversity of land cover in urban areas and the sensitivity of land surface temperature to changes in land cover, there is a need for high spatial resolution data. However, thermal images usually do not have high spatial resolution. Additionally, some thermal images, such as Landsat images, which have suitable spatial resolution, lack the appropriate temporal resolution for continuous monitoring of surface temperature changes. Therefore, it is not possible to regularly monitor temporal changes in surface temperature using these images. In this study, the spatiotemporal trend of this phenomenon in areas 3, 6, and 11 of Tehran Municipality was examined in all seasons of the years 1393 and 1401. The low spatial resolution of the thermal bands of the available and accessible sensors, due to the complexity of the impact of various urban factors on land surface temperature, limits the ability to examine the temperature distinctions in complex and heterogeneous urban areas. Since a better examination of land surface temperature in cities requires thermal data with precise spatial information, in this study, the spatial resolution of the land surface temperature map retrieved from the Landsat 8 sensor has been improved from 100 meters to 30 meters using a statistical method.

Materials and methods: In this study, to improve the spatial resolution of the land surface temperature map retrieved from the Landsat 8 data from 100 meters to 30 meters, land surface characteristic indices retrieved from images of the same sensor, as well as auxiliary data including a digital elevation map and road maps, were used as predictor variables. In this context, and to find the best method with the highest accuracy, machine learning methods, including algorithms such as Random Forest, Support Vector Regression, and Multi-Layer Perceptron Neural Network, were used, and the results were compared with the TsHARP method as a conventional algorithm.

Results and discussion: The results in all images indicate the superiority of the random forest algorithm over all other methods. The best model accuracy was related to the winter season of 2014, with a root mean square error of 0.38 and a coefficient of determination of 0.94. The order of importance of the input predictor variables for this algorithm has varied in different seasons of each year. It has also shown differences in fixed seasons over the years. The examination of the spatiotemporal trends in the intensity and extent of heat islands indicates an increasing trend in temperature classes corresponding to this phenomenon in all seasons of the studied years. The extent of these increasing changes in terms of area was the highest in spring, measuring 68.3 square kilometers, and the lowest in winter, measuring 1.99 square kilometers. Also, in terms of intensity, it was highest in the summer and lowest in the winter.

Conclusion: The trend of changes in urban heat island intensity has always been increasing. The level of this index has been highest in the summer and lowest in the winter throughout all the years. The trend of changes in the area of temperature layers corresponding to heat islands in the region over the years studied has always been increasing, with varying degrees in different seasons. The spatial location of heat islands in these areas has remained constant throughout all seasons and years, and the heat islands with greater extent and intensity correspond to land uses such as educational, recreational, and medical areas; government offices; and heavily trafficked highways.

کلیدواژه‌ها English

Thermal remote sensing
Random forest
Land surface characteristic indices
Spatial resolution improvement
Support vector regression

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 21 تیر 1405