Urban surface temperature time series estimation at the local scale by spatial-spectral unmixing of satellite observations

The study of urban climate requires frequent and accurate monitoring of land surface temperature (LST), at the local scale. Since currently, no space-borne sensor provides frequent thermal infrared imagery at high spatial resolution, the scientific community has focused on synergistic methods for retrieving LST that can be suitable for urban studies. Synergistic methods that combine the spatial structure of visible and near-infrared observations with the more frequent, but low-resolution surface temperature patterns derived by thermal infrared imagery provide excellent means for obtaining frequent LST estimates at the local scale in cities. In this study, a new approach based on spatial-spectral unmixing techniques was developed for improving the spatial resolution of thermal infrared observations and the subsequent LST estimation. The method was applied to an urban area in Crete, Greece, for the time period of one year. The results were evaluated against independent high-resolution LST datasets and found to be very promising, with RMSE less than 2 K in all cases. The developed approach has therefore a high potential to be operationally used in the near future, exploiting the Copernicus Sentinel (2 and 3) observations, to provide high spatio-temporal resolution LST estimates in cities

Urban energy exchanges monitoring from space

One important challenge facing the urbanization and global environmental change community is to understand the relation between urban form, energy use and carbon emissions. Missing from the current literature are scientific assessments that evaluate the impacts of different urban spatial units on energy fluxes; yet, this type of analysis is needed by urban planners, who recognize that local scale zoning affects energy consumption and local climate. However, satellite-based estimation of urban energy fluxes at neighbourhood scale is still a challenge. Here we show the potential of the current satellite missions to retrieve urban energy budget, supported by meteorological observations and evaluated by direct flux measurements. We found an agreement within 5% between satellite and in-situ derived net all-wave radiation; and identified that wall facet fraction and urban materials type are the most important parameters for estimating heat storage of the urban canopy. The satellite approaches were found to underestimate measured turbulent heat fluxes, with sensible heat flux being most sensitive to surface temperature variation (-64.1, +69.3 W m-2 for ±2 K perturbation); and also underestimate anthropogenic heat flux. However, reasonable spatial patterns are obtained for the latter allowing hot-spots to be identified, therefore supporting both urban planning and urban climate modelling

Copernicus for urban resilience in Europe

The urban community faces a significant obstacle in effectively utilising Earth Observation (EO) intelligence, particularly the Copernicus EO program of the European Union, to address the multifaceted aspects of urban sustainability and bolster urban resilience in the face of climate change challenges. In this context, here we present the efforts of the CURE project, which received funding under the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Framework Programme, to leverage the Copernicus Core Services (CCS) in supporting urban resilience. CURE provides spatially disaggregated environmental intelligence at a local scale, demonstrating that CCS can facilitate urban planning and management strategies to improve the resilience of cities. With a strong emphasis on stakeholder engagement, CURE has identified eleven cross-cutting applications between CCS that correspond to the major dimensions of urban sustainability and align with user needs. These applications have been integrated into a cloud-based platform known as DIAS (Data and Information Access Services), which is capable of delivering reliable, usable and relevant intelligence to support the development of downstream services towards enhancing resilience planning of cities throughout Europe

Μελέτη της θερμοκρασίας της επιφάνειας του εδάφους με την βοήθεια δεδομένων μέσω του αισθητήρα MODIS για την ευρύτερη περιοχή της Αττικής

Η θερμοκρασία της επιφάνειας του εδάφους (LST) είναι μια θεμελιώδης μεταβλητή στη φυσική των διεργασιών της επιφάνειας της γης τόσο σε περιφερειακό όσο και σε παγκόσμιο επίπεδο. Η σημασία της LST αναγνωρίζεται όλο και περισσότερο και υπάρχει έντονο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη μεθοδολογιών μέτρησης της από το διάστημα. Η γνώση της LST παρέχει πληροφορίες σχετικά με τις χρονικές και χωρικές μεταβολές της κατάστασης της ισορροπίας της επιφάνειας και έχει θεμελιώδη σημασία σε πολλές εφαρμογές. Χρησιμοποιείται ευρέως σε ποικίλους τομείς όπως η εξατμισοδιαπνοή, η μελέτη του κλίματος, ο υδρολογικός κύκλος, η παρακολούθηση της βλάστησης, το αστικό κλίμα και οι περιβαλλοντικές μελέτες Σε τοπικό επίπεδο, όσο αφορά τα αστικά κέντρα, η ισορροπία της ακτινοβολίας, οι ροές θερμότητας καθώς και άλλα κλιματικά φαινόμενα, έχουν επηρεαστεί έντονα από ανθρωπογενείς δομές και ανθρώπινες δραστηριότητες. Ένα από τα αποτέλεσμα είναι η ενίσχυση του φαινομένου της αστικής θερμικής νησίδας (Urban Heat Island, UHI) το οποίο αποτυπώνεται μέσω της LST. Η παρακολούθηση και η μελέτη της LST είναι πολύτιμη για την αξιολόγηση και την εκτίμηση της έντασης και έκτασης αυτού του φαινομένου. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της LST μέσω του αισθητήρα MODIS, που είναι τοποθετημένος στον δορυφόρο TERRA και του προϊόντος MOD11A2. Έχει γίνει εκτίμηση των δεδομένων: LST Day 1km, LST Day 1km Land Cover Mask, LST Night 1km, LST Night 1km Land Cover Mask. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα του εθνικού εργαστηρίουOak Ridge National Laboratory Distributed Active Archive Center (ORNLDAAC) https://daac.ornl.gov για τη χρονική περίοδο 2000-2017 για την περιοχή των Μεγάρων σε εύρος 3x5km, του Θριάσιου πεδίου σε εύρος 11x5km, την ευρύτερη περιοχή της Αθήνας χωρισμένη σε βόρειο, κεντρικό και νότιο τμήμα εύρους 3x5km το κάθε ένα και της περιοχής των Μεσογείων σε εύρος 3x5km. Αρχικά πριν την μελέτη της LST γίνεται μια μελέτη των τιμών θερμοκρασιών του αέρα, για τις περιοχές της Ελευσίνας, του Ελληνικού και του Ελ. Βενιζέλος, χρησιμοποιώντας δεδομένα από την ιστοσελίδα https://www.wunderground.com. για την χρονική περίοδο 2000-2017 και για τις αντίστοιχες ημερομηνίες με αυτές των δορυφορικών δεδομένων. Παρατηρήθηκε ότι ενώ ορισμένες περιοχές εμφανίζουν ελάχιστες τιμές LST κατά την διάρκεια της ημέρας, την νύχτα οι τιμές της LST εμφανίζονται υψηλότερες και αντίστοιχα περιοχές με μεγάλες τιμές κατά την διάρκεια της ημέρας την νύχτα παρουσιάζουν χαμηλότερες τιμές LST. Δηλαδή υπάρχουν περιοχές οι οποίες δεν ψύχονται όσο θα έπρεπε κατά την διάρκεια της νύχτας με αποτέλεσμα να παραμένουν θερμότερες. Στη διάρκεια της ημέρας για τα δεδομένα day-night τα Μεσόγεια παρουσιάζουν τις μέγιστες τιμές LST Παρατηρήθηκε κατά την διάρκεια της νύχτας ότι η περιοχή που παρουσιάζει τις μέγιστες τιμές LST με βάσει τα δεδομένα day-night είναι αυτή του νότιου τμήματος της Αθήνας όπου είναι θερμότερη σε σχέση με το Θριάσιο έως και 4,5°C,αυτή η διαφορά παρατηρείται τον μήνα Δεκέμβριο. Με βάσει τα δεδομένα day-night LCM η περιοχή του κεντρικού τμήματος της Αθήνας είναι θερμότερη από τα Μεσόγεια έως και 3,6°C με την διαφορά αυτή να παρατηρείται τον μήνα Απρίλιο. Την ημέρα με βάσει τα δεδομένα day-night η περιοχή που παρουσιάζει τις μέγιστες τιμές LST είναι τα Μεσόγεια με εξαίρεση τους μήνες Ιούλιο και Αύγουστο όπου τις μέγιστες τιμές της παρουσιάζει το Θριάσιο με την διαφορά να παρατηρείται στους 0,2°C και 0,4°C αντίστοιχα, ενώ η περιοχή που παρουσιάζει τις ελάχιστες τιμές LST είναι το νότιο τμήμα της Αθήνας. Με βάση τα δεδομένα day-night LCM επίσης τα Μεσόγεια είναι η περιοχή που παρουσιάζει τις μέγιστες τιμές LST ενώ η περιοχή που παρουσιάζει τις ελάχιστες τιμές LST είναι επίσης το νότιο τμήμα της Αθήνας. Την νύχτα με βάση τα δεδομένα day-nightτο νότιο τμήμα της Αθήνας είναι η περιοχή που παρουσιάζει τις μέγιστες τιμές ενώ τις ελάχιστες το Θριάσιο με εξαίρεση τον μήνα Ιούλιο όπου τα Μεσόγεια εμφανίζουν την χαμηλότερη LST με μια διαφορά στους 0,1°C.Με βάση τα δεδομένα day-night LCMτο κεντρικό τμήμα της Αθήνας είναι η περιοχή που παρουσιάζει τις μέγιστες τιμές LST και η περιοχή παρουσιάζει τις ελάχιστες τιμές LST είναι τα Μεσόγεια.Land Surface Temperature (LST) is a fundamental variable in the physics of processes of the Earth surface both regional and global level. The meaning of LST is becoming more and more acknowledged and there is intense interest in developing measurement methods from space. The knowledge of LST provides information about temporal and spatial changes of the state of equilibrium of surface and has a fundamental meaning in many applications. It is used vastly in many fields, such us the evapotranspiration, the climate study, the hydrological cycle, the monitoring of vegetation, the urban climate and the environmental studies. At a local scale, concerning the urban centers, the equilibrium of radiation, the temperature flows and many other climate phenomena have been intensely affected by anthropogenic structures and human activities. One of the results is the enhancement of the phenomenon of Urban Heat Island (UHI), which is depicted through LTS. The monitoring and the study of LTS is valuable for the evaluation and the assessment of the intensity and the extent of this phenomenon. The aim of this study is to investigate the LST through the MODIS sensor, which is located in the satellite TERRA, and the product MOD11A2. The data have been estimated: LST Day 1km, LST Day 1km Land Cover Mask, LST Night 1km, LST Night 1km Land Cover Mask. Data from the national laboratory: Oak Ridge National Laboratory Distributed Active Archive Center (ORNLDAAC) https://daac.ornl.gov. have been used for the time span between 2000 and 2017 for the region of Megara in a range of 3x5km, of Thriasio Field in a range of 11x5km, and the area of Athens divided in north, central and south part in a range of 3x5km each and for the Mesogia area in range of 3x5km. Moreover, the correlation between satellite data with values of air temperature, which have been measured by meteorological stations, located in the areas of Elefsina, Elliniko and the airport Eleftherios Venizelos, using data from the website: https://www.wunderground.com. It was found that some areas appear minimum values of LST during the day, but the values are higher during the night and respectively, some areas appear maximum values of LST during the day, but the values are lower during the night. That means, there are areas that are not cool as they should be during the night, so they remain warmer. During the day, for the day-night data, the area of Mesogia appear the maximum values of LST, except of July and August which the maximum values present in the area of Thriasio with the deference at 0.2°C and 0.4°C, respectively, but the area, which presents the minimum values of LST, is the southern suburbs of Athens. Based on day-night LCM data, also Mesogia area presents the maximum values of LST, and on the other hand, the area which appear the minimum values LST is, also, the south suburb of Athens. During the night, the area which presents the maximum values of LST, based on the day-night LCM data, is the center of Athens, and the minimum values present at Triasio Field, except of July in which Mesogia appear the minimum LST with deference at 0.1°C. Based on day-night LCM data, the center of Athens appears the maximum LST values and the Mesogia area presents the minimum LST values

Εκτίμηση της συμβολής της αστικής μορφολογίας και λειτουργίας στο αστικό θερμικό περιβάλλον με την ανάπτυξη προηγμένων τεχνικών δορυφορικής τηλεπισκόπησης

Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιχειρήθηκε μία πολυδιάστατη μελέτη του θερμικού περιβάλλοντος του πολεοδομικού συγκροτήματος της Αθήνας. Η ερευνητική προσπάθεια είχε ως στόχο την εκτίμηση της επίδρασης της αστική μορφολογίας και λειτουργίας στο αστικό θερμικό περιβάλλον. Η μελέτη υλοποιήθηκε κατά κύριο λόγο με την ανάπτυξη τεχνικών δορυφορικής τηλεπισκόπησης και επικουρικά με την εφαρμογή Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών και αριθμητικής προσομοίωσης. Τα υφιστάμενα δορυφορικά συστήματα δεν διαθέτουν την ταυτόχρονη υψηλή χωρική και χρονική διακριτική ικανότητα η οποία απαιτείται για τη λεπτομερειακή διερεύνηση των ενδοαστικών διαφοροποιήσεων. Για τον σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκε αρχικά βελτίωση των υφιστάμενων μεθοδολογιών της στατιστικής υποκλιμάκωσης, κατά την οποία το LST ενισχύεται χωρικά βάσει της σχέσης που εμφανίζει με επιφανειακές παραμέτρους. Η υποκλιμάκωση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση πολλαπλών μεταβλητών πρόβλεψης, υψηλής χωρικής ανάλυσης τιμών του συντελεστή εκπομπής έπειτα από φασματική ταξινόμηση, και εξετάζοντας διαφορετικούς γραμμικούς και μη γραμμικούς αλγορίθμους παλινδρόμησης. Εφαρμόστηκε στις καταγραφές θερμικής ακτινοβολίας του αισθητήρα Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) των δορυφόρων Aqua και Terra, για τη χωρική ενίσχυσή τους από το 1 km στα 100 m. Βρέθηκε ότι η προτεινόμενη μέθοδος υποκλιμάκωσης —με τη χρήση του αλγορίθμου παλινδρόμησης τύπου ridge— παρείχε αξιόπιστες, χωρικά ενισχυμένες τιμές LST με σφάλμα μικρότερο των 2 K (τετραγωνική ρίζα μέσου τετραγωνικού σφάλματος, Root Mean Square Error – RMSE) και με σταθερά καλύτερη ακρίβεια (∼0.5 K) συγκριτικά με τις μεθόδους αναφοράς. Στο επόμενο στάδιο της μελέτης πραγματοποιήθηκε, σε υψηλή χωρική διακριτική ικανότητα (100 m), ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών της αστικής μορφολογίας, της λειτουργίας και των ροών ενέργειας της Αθήνας, και επακόλουθα ο συνδυασμός τους σε έναν δείκτη θερμικής επιβάρυνσης. Χρησιμοποιώντας πλήθος γεωχωρικών δεδομένων, κατέστη δυνατή η πλήρης περιγραφή του κτηριακού περιβάλλοντος, συμπεριλαμβανομένου του λόγου του ύψους των κτηρίων προς το πλάτος των δρόμων —αναλογία διαστάσεων αστικής χαράδρας (H/W)— για κάθε οδό της πόλης. Επακόλουθα, αξιοποιώντας το υψηλής χωρικής και χρονικής ανάλυσης LST από το πρώτο τμήμα της εργασίας, πραγματοποιήθηκε ο προσδιορισμός της αισθητής (QH) και της λανθάνουσας ροής θερμότητας (QE). Χρησιμοποιήθηκαν επιπρόσθετα παρατηρήσεις από μετεωρολογικούς σταθμούς και εφαρμόστηκε η μέθοδος της «αεροδυναμικής αντίστασης». Για την αξιολόγηση της ακρίβειας της εκτίμησης των ροών χρησιμοποιήθηκαν μετρήσεις μικρομετεωρολογικού πύργου· βρέθηκε μέσο σφάλμα RMSE ∼45 W/m2 για το QH και ∼15 W/m2 για το QE. Από τις παραπάνω τυρβώδεις ροές ενέργειας υπολογίστηκε στη συνέχεια ο λόγος Bowen β = QH/QE. Η ανθρωπογενής ροή θερμότητας (QF) προσδιορίστηκε μέσω της ανάπτυξης αλγορίθμου που συνδυάζει τις «bottom-up» και «top-down» προσεγγίσεις και είναι προσαρμοσμένος στα διαθέσιμα ενεργειακά δεδομένα της Αθήνας. Εντοπίστηκαν υψηλές ανθρωπογενείς εκπομπές θερμότητας για το κέντρο της πόλης (QF > 100 W/m2). Οι παραπάνω μεταβλητές (H/W, β και QF) μαζί με την εκτιμώμενη «καθαρή» μεταβολή του ρυθμού αποθήκευσης θερμότητας (ΔQs) ενσωματώθηκαν κατόπιν στον προτεινόμενο δείκτη θερμικής έκθεσης (Urban Heat Exposure, UHeatEx), χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της ανάλυσης σε κύριες συνιστώσες (Principal Component Analysis, PCA). Ο παραπάνω δείκτης αποτύπωσε τα σημεία του αστικού ιστού της Αθήνας με τη δυσμενέστερη θερμική ποιότητα και κατά συνέπεια μπορεί να καταστεί ιδιαίτερα πολύτιμος σε μελέτες αστικού σχεδιασμού. Επιπρόσθετα, ο UHeatEx κατάφερε να αναδείξει τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά ως προς τη μορφολογία και το ενεργειακό ισοζύγιο της πόλης, κάτι που σε σημαντικό βαθμό δεν μπορούσε να επιτευχθεί μέσω της ταξινόμησης των «Τοπικών Κλιματικών Ζωνών» (Local Climate Zones, LCZ). Στο τελευταίο μέρος το ενδιαφέρον μετατοπίστηκε στην αξιολόγηση της μέσης επίδρασης στο θερμικό περιβάλλον εκτενέστερων αστικών ενοτήτων τοπικής κλίμακας (1 km). Συγκεκριμένα, αρχικά διερευνήθηκε η επίδραση βασικών αστικών μορφολογικών παραμέτρων —το ποσοστό των αδιαπέρατων επιφανειών, το ποσοστό της επιφάνειας κάλυψης από κτήρια και το ύψος των κτηρίων— στην επιφανειακή θερμοκρασία όπως αυτή καταγράφεται από τον δορυφορικό αισθητήρα MODIS. Με σκοπό μια ευρύτερη γενίκευση των συμπερασμάτων ως προς την επίδραση της αστικής μορφολογίας στο LST, παράλληλα με την περίπτωση της Αθήνας εξετάστηκαν 24 επιπλέον ευρωπαϊκές πόλεις. Η στατιστική ανάλυση κατέδειξε ότι η πυκνή και υψηλή δόμηση έχει εν γένει ασθενή θετική ή ακόμα και αρνητική σύνδεση με το LST κατά τη διάρκεια της ημέρας, ενώ αντίθετα εμφανίζει ισχυρή θετική επίδραση τη νύχτα. Το παραπάνω ήταν ιδιαίτερα εμφανές για την Αθήνα, όπου και εξετάστηκαν επιπλέον μορφολογικές παράμετροι και πραγματοποιήθηκε ερμηνεία των αποτελεσμάτων με βάση τις τάξεις των LCZ. Στη συνέχεια, τα χαρακτηριστικά της αστικής μορφολογίας και λειτουργίας της Αθήνας ενσωματώθηκαν στο ατμοσφαιρικό μοντέλο WRF για τη διερεύνηση της προγνωστικής ικανότητάς του, όσον αφορά το αστικό θερμικό περιβάλλον. Τα αποτελέσματα της εφαρμογής του WRF (σε πλέγμα χωρικής ανάλυσης 1 km) σε συνδυασμό με ένα τροποποιημένο σχήμα αστικής παραμετροποίησης έδειξαν ότι το μοντέλο μπορεί να αναπαραγάγει τις κύριες διαφοροποιήσεις εντός του αστικού ιστού, αναφορικά με την επιφανειακή θερμοκρασία (RMSE ∼2.4 K) και τη θερμοκρασία αέρα κοντά στο έδαφος (RMSE ∼1.7 K).In this PhD thesis, a multifaceted study of the thermal environment of Athens was conducted. The motivation of the research work was to assess the influence of urban form and function on the urban thermal environment. The work was carried out primarily by applying and developing satellite remote sensing techniques, and to a lesser extent via Geographical Information Systems (GIS) methodologies and the implementation of numerical simulations. The current satellite systems do not have the synchronous spatial and temporal frequency which is needed in a detailed study of intra-urban variability. To this end, an improvement of the standard statistical downscaling methodologies was firstly developed, where LST is disaggregated based on its relationship with surface parameters. The downscaling was accomplished using multiple predictor variables, high resolution land cover-based emissivity values, and assessing various linear and non-linear regression algorithms. It was applied to sharpen the thermal observations of the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) from 1 km to 100 m. It was found that the suggested downscaling method —using the ridge regression downscaling algorithm— produced a robust, spatially sharpened LST, with an average Root Mean Square Error (RMSE) less than 2 K and a consistent better performance compared to the reference methods. At the next stage, the urban form, function, and energy fluxes were mapped at a high resolution (100 m) and subsequently combined in an urban heat exposure indicator. Utilizing a wide range of spatial data, a full description of the building environment was accomplished, as well as the derivation of the building height to road width ratio —urban canyon aspect ratio (H/W)— at street level. Next, using the downscaled satellite-derived LST from the first part of the study and meteorological observations, the sensible (QH) and latent heat flux (QE) were calculated, applying the “aerodynamic resistance” methodology. To assess the accuracy of the calculations, micrometeorological observations; an overall RMSE error of ∼45 Wm2 for QH and ∼15 Wm2 for QE was obtained. From the above turbulent fluxes, the Bowen ratio β = QH/QE was subsequently derived. To determine the anthropogenic heat flux (QF) a new algorithm was developed, combining the “bottom-up” and “top-down” methodologies, adapted to the available data for the study area. Particularly high anthropogenic heat emissions were found for the city center (QF > 100 W/m2). Subsequently, the above urban parameters (H/W, β και QF) together with the net heat storage (ΔQs) were integrated into the proposed Urban Heat Exposure (UHeatEx) indicator through Principal Component Analysis (PCA). The indicator outlined the diverging thermal quality of the different building blocks in Athens and thereby can be valuable to urban planning adaptation responses. Moreover, UHeatEx managed to highlight the city-specific features of the urban form and energy budget of the city, which to a great extent could not be captured by the classification of the Local Climate Zones (LCZ). At the final stage of the study, focus was shifted to the study of the integrated neighborhood-scale effect (1 km) on the urban thermal climate. Specifically, it was initially assessed how basic urban morphological parameters —the impervious fraction, the building fraction, and the building height— are interlinked to the surface temperature variations, as captured by a spaceborne sensor (MODIS). To promote the generalization of conclusions, in addition to Athens, 24 additional European cities were examined. The statistical analysis showed that the closely spaced and high-rise buildings have generally a weak positive or even a negative relation to LST in daytime and a strong positive effect at night. This finding was significantly pronounced for Athens, where further urban parameters were also evaluated and the results were linked to the LCZs classes. Next, urban form and function of Athens were incorporated in the WRF model to study its predicting ability of the thermal environment. Using WRF along with a modified urban parameterization scheme (at a 1 km grid), results indicated that the prevailing intra-urban spatial patterns can be reproduced in the simulations, regarding the surface temperature (RMSE ∼2.4 K) and the near-surface air temperature (RMSE ∼1.7 K)