Μοντέλα αστικής εξάπλωσης και παρακολούθηση με τηλεπισκόπηση νυκτερινών φώτων

Abstract

The dissertation aims at monitoring and analyzing the urban activity of greek cities through the exploitation of a particular category of remote sensing data, the night time lights. It is observed that night lights significantly reflect urbanization levels and economic development and are strong correlated with economic variables such as GDP, population, construction activity and consumption electricity. The dissertation is supported by the main datasets of night lights (DMPS/OLS, snpp-VIIRS, ISS) to capture the greek urban reality. Nighttime lights datasets are available without having undergone pre-processing steps to remove factors affecting their quality and research results. Significant external factors are influencing data quality, such as lunar radiation. Technical features and limitations, such as the overglow and saturation of DSMP/OLS data, continue to concern the scientific community. In the framework of the dissertation new methods will be proposed to correct lunar radiation from snpp-VIIRS datasets. An attempt will be made to improve DMSP/OLS data with the support of SAR data. In addition, datasets from the Luojia 1-01 satellite and images from the ISS, through their separate features, can help assessment accuracy of existing and established data (DMPS/OLS, snpp-VIIRS). The aim of the dissertation is to take advantage of the night light data to record the seasonality of urban areas in Greece, to simulate the urban sprawl that will take place in the future, to predict the intensity of urban activity, to estimate in a detailed spatial and temporal scale economic variables such as GDP. Night time lights will be used to evaluate the consequences of extraordinary conditions in urban activity, to assess burden on light pollution and to describe the commuting patterns in modern greek cities. The results arising from the dissertation are remarkable. Innovative methods improve data and analysis, prediction and interpretation of urban phenomena. The use of night lights is an important tool in the hands of the researcher but it requires deep awareness of technical limitations and of exogenous factors affecting their capabilities.

Η διατριβή στοχεύει στην παρακολούθηση και ανάλυση της λειτουργίας των ελληνικών αστικών περιοχών μέσω της εκμετάλλευσης μιας ιδιαίτερης κατηγορίας δεδομένων τηλεπισκόπησης, των νυκτερινών φώτων. Τα νυκτερινά φώτα έχει παρατηρηθεί ότι αντικατοπτρίζουν σε σημαντικό βαθμό τα επίπεδα αστικής και οικονομικής ανάπτυξης και είναι άρρηκτα συνδεδεμένα με οικονομικά μεγέθη όπως το ΑΕΠ, ο πληθυσμός, η οικοδομική δραστηριότητα και η κατανάλωση του ηλεκτρικού ρεύματος. Η διεξαγωγή της διατριβής υποστηρίζεται από τα κυριότερα σύνολα δεδομένων νυκτερινών φώτων (DMPS/OLS, snpp-VIIRS, ISS) για την αποτύπωση της ελληνικής αστικής πραγματικότητας. Τα δεδομένα νυχτερινών φώτων διατίθενται χωρίς να έχουν υποστεί την απαραίτητη προεπεξεργασία για την αφαίρεση παραγόντων που επηρεάζουν την ποιότητά τους και τα αποτελέσματα της έρευνας. Σημαντικοί εξωγενείς παράγοντες επιρροής της ποιότητας των δεδομένων, όπως η σεληνιακή ακτινοβολία, δεν έχουν αφαιρεθεί. Τεχνικά χαρακτηριστικά και περιορισμοί όπως η υπερλάμψη και ο κορεσμός των δεδομένων DSMP/OLS συνεχίζουν να απασχολούν την επιστημονική κοινότητα. Στα πλαίσια της διατριβής προτείνονται μεθόδοι για την διόρθωση της σεληνιακής ακτινοβολίας από τα δεδομένα snpp-VIIRS και επιχειρείται η βελτίωση των δεδομένων DMSP/OLS με την συνδρομή δεδομένων SAR. Στόχος της διατριβής είναι να εκμεταλλευτεί τα δεδομένα νυχτερινών φώτων για να καταγράψει την εποχικότητα των αστικών περιοχών στον Ελλαδικό χώρο, να προσομοιώσει την αστική διάχυση που θα λάβει χώρα στο μέλλον, να προβλέψει την ένταση της αστικής δραστηριότητας, να εκτιμήσει σε λεπτομερή χωρική και χρονική κλίμακα οικονομικές μεταβλητές όπως το ΑΕΠ. Τα νυχτερινά φώτα χρησιμοποιούνται για να αποτιμηθούν οι συνέπειες έκτακτων συνθηκών στην αστική δραστηριότητα, για να εκτιμηθεί η επιβάρυνση από την φωτορύπανση και για να περιγραφούν τα πρότυπα μετακίνησης στις σύγχρονες ελληνικές πόλεις. Από τα αποτελέσματα προκύπτουν αξιόλογες και καινοτόμες μέθοδοι για την βελτίωση των δεδομένων και την ανάλυση, πρόβλεψη και ερμηνεία των αστικών φαινομένων. Η χρήση νυχτερινών φώτων αποτελεί ένα σημαντικό εργαλείο στα χέρια του ερευνητή αλλά απαιτεί βαθειά επίγνωση των τεχνικών περιορισμών και των εξωγενών παράγοντων που επηρεάζουν τις δυνατότητές τους.