Análisis espacial de islas de calor en la ciudad de Bogotá: los efectos de la urbanización, un estudio desde la teledetección.
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2019-07-19
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El cambio climático representa uno de los mayores retos de la humanidad en la actualidad exigiendo cambios en conductas sociales, económica y ambientales. Las ciudades como hogar de la mayor parte de la población mundial y siendo grandes centros de consumo, demandadores de cantidades desmesuradas de recursos naturales y servicios las convierte posiblemente en los agentes que mayor contaminación y amenaza ambiental están generando para el planeta. Actualmente en el mundo se están investigando los efectos del cambio climático en el contexto urbano, pues bien, la ciudad es el lugar al que el cambio climático y el desarrollo sostenible le han puesto el mayor reto; optar por un crecimiento ambiental y socialmente viable o estará la ciudad moderna en riesgo por su propio desarrollo. Dentro del contexto de cambio climático surge un fenómeno local de variación de temperatura conocido como islas de calor, el cual parece tener un comportamiento inherente a los procesos de urbanización en una ciudad y unido a un cambio climático global podría poner en riesgo la calidad de vida de los habitantes de un centro urbano, se conoce que desde un par de décadas atrás la temperatura terrestre ha tenido un aumento por actividades humanas, ahora el fenómeno de islas de calor puede se generador de un microclima urbano con aumentos de la temperatura de superficie en relación con cambios del uso del suelo y una no muy oportuna configuración espacial de la ciudad.
Bogotá como una de las ciudades más pobladas de América Latina y con una historia particular de desarrollo urbanístico, no es ajena a este fenómeno. Desde el Jardín Botánico José Celestino Mutis de Bogotá surge la necesidad de monitorear este fenómeno y desde el semillero de investigación GRSS se formula esta investigación en la cual se realiza un análisis multitemporal en la ciudad de Bogotá del cambio del uso del suelo de los últimos 30 años, usando herramientas de la teledetección como la clasificación supervisada orientada a objetos o el cálculo de índices espectrales se logra extraer información de la superficie y la variación del suelo en el tiempo. A partir de la clasificación supervisada se determina un aumento del 18% en la urbanización y una disminución del 57% de las áreas verdes de la ciudad en los últimos 29 años, lo cual presenta una alta correlación con el aumento de la temperatura del suelo. Monitoreando la temperatura de la ciudad a partir de los datos Landsat se encuentra un aumento de la temperatura del suelo en áreas con alta densidad de urbanización, esto hecho se comprobó realizando un análisis exploratorio, demostrando por un lado que la temperatura de la ciudad no se distribuye aleatoriamente sino que presenta patrones de temperatura conocidos como islas de calor, por otro lado también estadísticamente mediante el índice de Moran Bivariado local se logra corroborar que el suelo urbano incide en el aumento de la temperatura de superficie mientras que las zonas verdes pueden actuar como factor mitigador.
Con el fin de cuantificar el efecto de la vegetación y el suelo urbano se realizó un modelo espacial SARAR usando la temperatura de superficie como variable respuesta y los índices espectrales NDVI y NDBI como variables independientes, los resultados confirmaron la teoría y complementan los procesos desarrollados en esta investigación determinando que el suelo urbano puede aumentar la temperatura del suelo en 20º C y que la vegetación podría disminuirla en 13º C, es así como en esta investigación se confirma la presencia de islas de calor en la ciudad de Bogotá y se cuantifican las alteraciones que pueden generar las cubiertas urbanas en la variación de la temperatura del suelo.
Desde la plataforma de Google Earth Engine se calculó la temperatura de superficie de 14 imágenes satelitales, con un periodo de tiempo que fue desde 1985 a 2018, corrigiendo lo gaps de las imágenes ETM+. Esto permitió tener una serie temporal de datos de temperatura muy valiosos, al cual se le calcularon los valores de media, moda de temperatura, estos fueron correlacionados con los datos que describen el fenómeno Niña y Niño. Usando el coeficiente de Pearson para esta correlación se encontró que estos datos tienen relación de -0.30 lo cual quiere decir que la temperatura del suelo tiene una baja relación con el clima regional, este resultado demuestra que en la ciudad de Bogotá se está conformando un micro clima urbano, influenciado por procesos de urbanización que están calentando el suelo y formando patrones de islas de calor.
Esta investigación fue desarrollada en dos fases generales; la primera fase consistió en la extracción de información del suelo desde las imágenes satelitales, procesos como la clasificación supervisada, cálculo de índices espectrales y de temperatura del suelo fueron los datos para realizar el análisis estadístico, siendo esta la segunda fase, la cual consistió en analizar los clusters espaciales de temperatura y los asociados a la relación de la temperatura con parámetros de vegetación y suelo urbano, de manera confirmatoria se calculó un modelo espacial para cuantificar los efectos del cambio del uso del suelo. Esta investigación muestra que desde datos de teledetección es posible monitorear un fenómeno climático urbano como las islas de calor que actualmente es un tema de gran relevancia para la planeación urbana.
Resumen
Climate change represents one of the greatest challenges facing humanity today, demanding changes in social, economic and environmental behaviour. Cities are home to the majority of the world's population and are major centres of consumption, demanding excessive amounts of natural resources and services, making them possibly the agents that are generating the greatest pollution and environmental threat to the planet. The effects of climate change in the urban context are currently being investigated in the world, since the city is the place to which climate change and sustainable development have put the greatest challenge; opting for environmentally and socially viable growth or the modern city will be at risk for its own development. Within the context of climate change a local phenomenon of temperature variation known as heat islands arises, which seems to have an inherent behavior to the processes of urbanization in a city and together with a global climate change could put at risk the quality of life of the inhabitants of an urban center, it is known that since a couple of decades ago the terrestrial temperature has had an increase by human activities, now the phenomenon of heat islands can be generated from an urban microclimate with increases in surface temperature in relation to changes in land use and a not very timely spatial configuration of the city.
Bogotá, as one of the most populated cities in Latin America and with a particular history of urban development, is no stranger to this phenomenon. From the José Celestino Mutis Botanical Garden in Bogotá, the need arises to monitor this phenomenon and from the GRSS research seedbed, this research is formulated in which a multi-temporal analysis is carried out in the city of Bogotá of the change in land use over the last 30 years, using remote sensing tools such as supervised object-oriented classification or the calculation of spectral indices, it is possible to extract information from the surface and the variation of the soil over time. The supervised classification determines an increase of $19% in urbanization and a decrease of 57% in the city's green areas in the last 29 years, which presents a high correlation with the increase in soil temperature. Monitoring the temperature of the city from the Landsat data is an increase in soil temperature in areas with high density of urbanization, this was proven by performing an exploratory analysis, demonstrating on the one hand that the temperature of the city is not randomly distributed but presents temperature patterns known as islands of heat, on the other hand also statistically through the local Moran Bivariado index corroborates that urban soil affects the increase in surface temperature while green areas can act as a mitigating factor.
In order to quantify the effect of vegetation and urban soil, a SARAR spatial model was performed using surface temperature as the response variable and NDVI and NDBI spectral indices as independent variables, the results confirmed the theory and complement the processes developed in this research by determining that urban soil can increase soil temperature by 20º C and that vegetation could decrease it by 13º C. This is how this research confirms the presence of heat islands in the city of Bogota and quantifies the alterations that can generate urban cover in the variation of soil temperature.\\
The surface temperature of 14 satellite images was calculated from the Google Earth Engine platform, with a time period from 1985 to 2018, correcting the gaps in the ETM+ images. This allowed to have a temporal series of very valuable temperature data, to which the values of average and fashion of temperature were calculated, these were correlated with the data that describe the phenomenon Niña and Niño. Using Pearson's coefficient for this correlation it was found that these data have a relation of -0.30 which means that the soil temperature has a low relation with the regional climate. This result demonstrates that in the city of Bogotá an urban micro climate is being conformed, influenced by urbanization processes that are heating the soil and forming patterns of heat islands.
This research was developed in two general phases; the first phase consisted in the extraction of soil information from satellite images, processes such as supervised classification, calculation of spectral indices and soil temperature were the data for statistical analysis, being this the second phase, which consisted in analyzing the spatial temperature clusters and those associated with the relationship of temperature with vegetation parameters and urban soil, in a confirmatory way a spatial model was calculated to quantify the effects of land use change. This research shows that from remote sensing data it is possible to monitor an urban climatic phenomenon such as heat islands that is currently a topic of great relevance for urban planning.
Palabras clave
Islas de Calor, Teledetección, Planeación urbana, Cambio climático
Materias
Ingeniería Catastral y Geodesia - Tesis y disertaciones académicas, Cambios climaticos - Bogotá (Colombia), Desarrollo sostenible, Teledetección, Temperatura del suelo - Bogotá (Colombia), Urbanismo - Bogotá (Colombia)