Thermal remote sensing of urban microclimates by means of time-sequential thermography

Thermale Fernerkundung urbaner Mikroklimate mit Hilfe von Bildzeitreihen

  • Surface temperature is an important variable for studies of the urban atmosphere. It directly controls emission of thermal-infrared (TIR) radiation, is central to the energy balance of the surface, modulates the air temperature of the adjacent urban atmosphere, helps to determine the internal climate of buildings and affects the comfort of city dwellers. TIR remote sensing techniques can significantly contribute to urban climatology because TIR imagery provide time-synchronised spatially distribSurface temperature is an important variable for studies of the urban atmosphere. It directly controls emission of thermal-infrared (TIR) radiation, is central to the energy balance of the surface, modulates the air temperature of the adjacent urban atmosphere, helps to determine the internal climate of buildings and affects the comfort of city dwellers. TIR remote sensing techniques can significantly contribute to urban climatology because TIR imagery provide time-synchronised spatially distributed data of upward long-wave radiation, which is an important component of the surface radiation budget. Furthermore, it is possible to retrieve the surface temperature from observed radiance via Planck's law under consideration of atmospheric influences and the non-blackbody properties of surfaces. However, applications of TIR remote sensing in urban climatology are difficult because of the complex structure of the surface-atmosphere interface. This contribution demonstrates the potential of ground-based TIR remote sensing using an industrial-type thermography camera system mounted on building roofs in order to study urban microclimates. Thermography allows a simultaneous sampling of spatial and temporal changes of surface temperatures by recording a time-series of thermal images referred to as time-sequential thermography (TST). In this context, an adequate data pre-processing chain was developed. The chain includes a comprehensive atmospheric correction procedure, which works on a pixel-by-pixel basis considering explicitly the three-dimensional form of the urban environment and resulting differences in the line-of-sight due to an oblique viewing geometry. The thesis answers the question in which way individual elements of the urban surface interact with the adjacent atmosphere. The results from a study of an urban courtyard microclimate clearly demonstrate the influence of shadow and thermal properties of surface materials on thermal patterns, which can persist from several minutes to hours leading to nocturnal thermal anisotropy. The microclimate of urban trees revealed clear differences between tree genera and strong spatio-temporal variability of canopy temperature. The results show that canopy temperature depends on tree genus, leaf size, degree of sealing around the tree and atmospheric conditions especially vapour pressure deficit. Tree-specific canopy temperature in response to the urban environment is essential for comprehensive research concerning the energy and water balance of individual trees. With knowledge from these studies, it is then possible to evaluate the function of urban trees and to optimise the benefits of trees in urban environments. The use of a high sampling frequency (1 Hz) in TST observations allows for the extraction of information on the dynamic response of the surface energy balance induced by atmospheric turbulence and thermal properties of surface materials. Further, high-frequency thermography enables the visualization of turbulent motions.show moreshow less
  • In der Erforschung des Stadtklimas ist die Temperatur urbaner Oberflächen von großer Bedeutung. Die Oberflächentemperatur beeinflusst direkt die langwellige Ausstrahlung, sie ist von zentraler Bedeutung für die Energiebilanz einer Oberfläche, moduliert die Lufttemperatur in der oberflächennahen städtischen Atmosphäre, beeinflusst das Innenraumklima von Gebäuden und den thermischen Komfort der Stadtbewohner. Die Thermalfernerkundung kann einen erheblichen Beitrag zur Erforschung des Stadtklimas lIn der Erforschung des Stadtklimas ist die Temperatur urbaner Oberflächen von großer Bedeutung. Die Oberflächentemperatur beeinflusst direkt die langwellige Ausstrahlung, sie ist von zentraler Bedeutung für die Energiebilanz einer Oberfläche, moduliert die Lufttemperatur in der oberflächennahen städtischen Atmosphäre, beeinflusst das Innenraumklima von Gebäuden und den thermischen Komfort der Stadtbewohner. Die Thermalfernerkundung kann einen erheblichen Beitrag zur Erforschung des Stadtklimas leisten. Thermalbilder liefern zeitsynchrone und räumlich verteilte Daten der langwelligen Ausstrahlung einer Oberfläche. Zudem ist es möglich, die Oberflächentemperatur aus der beobachteten langwelligen Ausstrahlung abzuleiten unter Berücksichtigung der Emissionseigenschaft der observierten Oberfläche und der atmosphärischen Einflüsse auf das Signal. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Analyse urbaner Mikroklimate mit Hilfe meteorologischer Messungen und insbesondere thermaler Bildzeitreihen aufgenommen mit einer industriellen Thermographie Kamera, welche dauerhaft auf dem Dach eines Hochhauses in Berlin installiert wurde bzw. für kürzere Perioden auch andernorts zum Einsatz kam. In diesem Zusammenhang wurden eine Datenprozessierungskette und ein Dekompositionsschema für thermale Bildzeitreihen entwickelt. Zentrales Element der Datenprozessierung ist die Atmosphärenkorrektur. Diese erfolgt pixelbasiert und berücksichtigt ausdrücklich die dreidimensionale Form der Stadtoberfläche, die Schrägsicht der Kamera und die daraus resultierenden unterschiedlichen Sichtwinkel und Abstände zwischen Kamera und Oberfläche. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Frage, inwieweit einzelne Bestandteile der städtischen Oberfläche z.B. Bäume, Wände oder Dächer mit dem Untergrund und der bodennahen Atmosphäre energetisch interagieren. Die Ergebnisse der Mikroklimaanalyse eines Innenhofes zeigen deutlich den Einfluss der Verschattung und der thermischen Materialeigenschaften auf die Oberflächentemperatur. Hierbei erstreckt sich die Persistenz thermischer Muster von wenigen Minuten bis hin zu Stunden und sollte insbesondere bei der Interpretation und Analyse nächtlicher Thermalbilder beachtet werden. Die Ergebnisse der Mikroklimaanalyse städtischer Bäume zeigen deutliche Unterschiede zwischen den Gattungen sowie eine ausgeprägte raumzeitliche Variabilität der Baumkronentemperatur. Diese Temperaturmuster korrelieren mit den baumphysiologischen Eigenschaften der untersuchten Bäume insbesondere der Blattgröße, der Ausrichtung der Blätter und der Regulation der Spaltöffnungen (Stomata). Sie sind zudem eine Folge des Anteils versiegelter Flächen am Standort und der atmosphärischen Bedingungen, insbesondere dem Sättigungsdefizit des Wasserdampfgehalts in der Atmosphäre. Die beobachteten Unterschiede sind unerlässlich für eine umfassende Erforschung der Energie- und Wasserbilanz von Stadtbäumen. Diese weiterführenden Arbeiten würden dann die Möglichkeiten der Bewertung und Optimierung des Nutzens von Bäumen im städtischen Umfeld erweitern. Insbesondere die Anwendung einer hohen zeitlichen Auflösung (Bildaufnahmerate = 1 Hz) eröffnet neue Perspektiven in der Anwendung der Thermografie für stadtklimatologische Fragen. Die raumzeitlichen Beobachtungen der Oberflächentemperatur und deren Zerlegung in thermale Muster, Trends und Fluktuation unter Verwendung zeitlicher und räumlicher Mittelwertoperatoren liefern Informationen über den Energieaustausch zwischen Oberfläche und Umgebung d. h. das dynamische Verhalten der Energiebilanz als Reaktion auf die atmosphärische Turbulenz, die dreidimensionale Struktur der Stadt und den thermischen Eigenschaften der Oberflächenmaterialien. Die Thermographie kann einen wichtigen Beitrag in der Erforschung des Stadtklimas leisten. Insbesondere durch die hohe räumliche und zeitliche Auflösung der prozessierten Daten in Kombination mit meteorologischen Messungen und einer dreidimensionalen Beschreibung der beobachteten Oberflächen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Fred Meier
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-30451
Advisor:Prof. Dr. Dieter Scherer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2011/05/20
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Date of final exam:2011/03/16
Release Date:2011/05/20
Tag:Fernerkundung; Mikroklima; Stadtklima; Temperatur; Thermographie
microclimate; remote sensing; temperature; thermography; urban climate
Institutes:Institut für Ökologie
Dewey Decimal Classification:500 Naturwissenschaften und Mathematik
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)