Local climate zone classifications with satellite imagery and volunteered geographic information

Abstract

O aumento da população mundial e das suas atividades e a crescente concentração de população nos centros urbanos resultam em alterações não só nas características físicas da superfície terrestre como igualmente, nas características climáticas. Como resultado desta ação antropogénica, as cidades registam valores mais elevados de temperatura em comparação com as áreas rurais circundantes. A constatação de que as temperaturas da cidade são mais elevadas, já foi estudada e documentada por um longo período temporal, referindo-se a este fenómeno como “ilhas de calor urbano”.Ao longo dos últimos anos, esta temática tem registado grande destaque, em particular, nos meios de comunicação social, pela existência de um fenómeno denominado aquecimento global. Este fenómeno pode ser descrito como o aumento significativo das temperaturas a nível mundial e que com uso de modelos matemáticos de previsão do futuro climático foi perspetivado como sendo bastante significativo no futuro.Contudo, para que possa ser efetivamente possível avaliar de uma forma mais precisa as futuras características climáticas do planeta, é importante perceber qual são as características do local onde estão implantadas as estações meteorológicas usadas nos modelos matemáticos. Isto porque nestas projeções são utilizados dados históricos das estações. Ora, se uma estação estava anteriormente localizada num ambiente rural e se, com o passar do tempo, sofreu ao seu redor um processo de urbanização, as temperaturas registadas passaram a verificar um aumento significativo. O uso de mais estações localizadas em ambiente urbano, em comparação com estações localizadas em ambiente rural nestes modelos tem suscitado o interesse científico, dado que pode ter ‘enviesado’ os resultados dos modelos das projeções climáticas.Assim o principal objetivo deste trabalho é testar uma metodologia que ajude a melhorar a classificação de áreas urbanas a nível mundial feita no âmbito do projeto World Urban Database and Access Portal Tools (WUDAPT), para que se possa conhecer o ambiente envolvente das estações meteorológicas. Para isso, propõe-se uma metodologia que recorre a dados de Informação Geográfica Voluntária, especificamente, a dados do OpenStreetMap (OSM), para complementar os resultados da classificação de imagens de satélite nestas áreas.A metodologia baseia-se na combinação, usando regras previamente estabelecidas, dos resultados obtidos através da classificação de imagens de satélite com a informação obtida a partir do OSM, depois de associada às classes usadas no projeto WUDAPT.Os objetivos propostos inicialmente foram cumpridos, no entanto existem ainda limitações associadas à metodologia proposta, que deverão ser abordadas em trabalho futuro.

The increase in the world’s population and its activities, and the increasing concentration of population in the urban centers, has resulted in alterations, not only in the physical characteristics of the terrestrial surface, but also in terms of the climate. As a result of this anthropogenic action, cities are experiencing higher temperature values compared to the surrounding rural areas. The evidence that the city temperatures are higher has been studied and documented for a long time, referred to as the "urban heat island."Over the last few years, this issue has become particularly prominent in the media, due to the existence of a phenomenon called global warming. This phenomenon can be described as the significant increase of temperatures worldwide, which, with the use of mathematical models of the prediction of the future climate, has been foreseen as being quite significant in the future.However, in order to be able to accurately assess the future climatic characteristics of the planet, it is important to understand the characteristics of the location of the meteorological stations used in mathematical models. This is important because, in these projections, historical data of the stations are used. However, if a station was previously located in a rural environment and if, over time, it had an urbanization process around it, the temperatures registered will have increased significantly. The use of more stations located in an urban environment compared to stations located in rural environments in these models has aroused scientific interest, since it may have 'biased' the results of the climate projection models.Thus, the main objective of this work is to contribute and propose a methodology that will help to improve the precision of the classification of urban areas of the world made in the framework of the World Urban Database and Access Portal Tools (WUDAPT) project, so that the surrounding environment of the meteorological stations is better known. For this, a methodology is proposed that uses Volunteered Geographic Information, specifically OpenStreetMap data, to complement the results of the classification of satellite images in these areas.The methodology was based on the combination, using previously established rules, of the results obtained in the classification of satellite images and the data available in OpenStreetMap once they are associated to the classes used in the WUDAPT project.The objectives initially proposed were fulfilled; however, there are still some limitations associated with the proposed methodology, which should be addressed in future work.