Wprowadzenie

Poniższa publikacja jest efektem końcowym projektu naukowego realizowanego w ramach wyjazdu na Obóz Naukowy w Białej Górze przez Sekcję Geoinformacji Studenckiego Koła Naukowego na Uniwersytecie im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. Celem projektu była statystyczna ocena korelacji znormalizowanego różnicowego wskaźnika wegetacji oraz temperatury gruntu z zagospodarowaniem terenu dla Wolińskiego Parku Narodowego i miasta Międzyzdroje.

Woliński Park Narodowy jest zlokalizowany w województwie zachodniopomorskim, na największej polskiej wyspie - Wolin. Jest jedną z najchętniej odwiedzanych atrakcji turystycznych w kraju - w roku 2015 pod tym względem plasował się na 8. miejscu, z liczbą odwiedzających dochodzącą do 1,5 mln osób. Park charakteryzuje się obfitą różnorodnością pokrycia terenu, w tym głównie lasów, które zajmują niemal 45 procent powierzchni z ok. 110 km². Graniczy z Międzyzdrojami, małym, stricte turystycznym miastem, zajmującym 4,5 km². Daje to dość kontrastowy, pod względem potencjalnych różnic temperatury, obszerny pas zieleni.

Metodologia i dane

Analiza wykorzystująca wskaźnik NDVI i temperaturę gruntu została przeprowadzona w oparciu o zobrazowanie satelitarne z programu Landsat 8, prowadzonego przez dwie amerykańskie instytucje: Narodową Agencję Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) oraz Służbę Geologiczną Stanów Zjednoczonych (USGS). Jednym z głównych źródeł danych były warstwy wektorowe pokrycia terenu, pozyskane z projektu CORINE Land Cover CLC2018, realizowanego w ramach programu Copernicus Land Monitoring, będącego częścią ogólnego projektu Copernicus. W projekcie wykorzystano ogólnodostępne dane pochodzące z OpenStreetMap - były to wyłącznie granice administracyjne miasta Międzyzdroje oraz Wolińskiego Parku Narodowego.

Zobrazowanie satelitarne pozyskano na dzień 24 czerwca 2022 roku - wówczas na badanym obszarze występowała temperatura powietrza 27°C. Wartości NDVI oraz temperatury gruntu zostały uzyskane na podstawie szeregu obliczeń wykorzystujących poszczególne kanały spektralne - czerwony, bliskiej podczerwieni, a także termalny. Obliczenie temperatury gruntu wymagało wyszczególnienia promieniowania widmowego górnej atmosfery, temperatury promieniowania, emisyjności powierzchnii ziemi, a także znormalizowanego różnicowego wskaźnika wegetacji NDVI.

Pokrycie terenu zostało podzielone na 10 kategorii: zabudowę miejską, tereny rekreacyjne, łąki i pastwiska, obszary rolnicze, lasy liściaste, iglaste i mieszane, obszary podmokłe oraz obszary wodne i morze. Podział ten różni się od oryginalnego podziału CLC, aby uniknąć szczegółowości - nieistotnego statystycznie zagospodarowania terenu o znikomej powierzchni. Dwie ostatnie kategorie zostały wydzielone jako osobne w celu przedstawienia różnic statystyk wód zewnętrznych i wód wewnętrznych, do których zaliczają się jeziora, cieki i laguny przybrzeżne, posiadające bardzo zbliżone wartości w przypadku badanych zmiennych. W celu wyliczenia średniej temperatury gruntu i średniej wartości wskaźnika NDVI, a także korelacji obu zmiennych dla całego terenu WPN i Międzyzdrojów, obszar morza oraz wód wewnętrznych nie został wliczony do analizy.

Ryc. 1 Mapa kategorii pokrycia terenu

Analiza

Temperatura gruntu

Na obszarze Wolińskiego Parku Narodowego temperatura gruntu wyniosła od 14,2°C do 32°C, ze średnią temperaturą 22,8°C. Najcieplejszym miejscem okazał się obszar na terenie wyspy Wielki Krzek na Zalewie Szczecińskim, w południowo-zachodniej części parku, gdzie znajdują się bagna śródlądowe. Najzimniejszym natomiast - rozległy pas morza, którego wartości nie zostały wliczone do pomiaru średniej temperatury. Interesującymi miejscami wysokiej temperatury są trzy pasy przebiegające w poprzek parku - wrzosowisko, droga E65 oraz linia kolejowa. Nie wliczając obszaru wód, najmniejsza temperatura gruntu w przypadku WPN wynosi 18,1°C.

Na obszarze Międzyzdrojów temperatura gruntu wynosiła wówczas od 15,8°C do 34,1°C, średnia temperatura natomiast 26,3°C. Najcieplejszym miejscem okazał się obszar stadionu miejskiego, znajdującego się w centrum miasta. Pozostałe wysokie temperatury zostały odnotowane na terenie osiedli mieszkalnych, resortów, dyskontów handlowych oraz na obszarze stacji elektroenergetycznej. Najniższa odnotowana temperatura dla Międzyzdrojów, bez wliczenia wód, wyniosła 20,6°C.

Rozkład wartości temperatury dla obu miejsc zaprezentowany jest za pomocą histogramów przedstawionych poniżej. Ukazują one liczbę pikseli o rozdzielczości 30 x 30 metrów w poszczególnym zakresie temperatury gruntu. W przypadku Wolińskiego Parku Narodowego najczęściej występującą wartością (niemal 18 tysięcy pikseli) jest zakres temperatury 22 - 22,4°C. Rozkład danych przyjmuje postać unimodalną symetryczną, rozległą wartościami w stronę wyższej temperatury. Międzyzdroje natomiast charakteryzują się najczęstszą temperaturą w zakresie od 23 do 23,4°C, występującym ponad 400 razy. Dla WPN, obszary przekraczające granicę 30°C wynoszą jedynie 0,15 % jego powierzchni (0,094 km²), natomiast w przypadku Międzyzdrojów jest to 6,6 % powierzchni miasta (0,283 km²).

Wskaźnik NDVI

Na obu obszarach wskaźnik stanu kondycji roślin jest bardzo zróżnicowany, jednak przybiera prawie identyczny zakres, od ok. -0.2 do 0.6. Usunięcie obszaru morza i wód wewnętrznych powoduje widoczną zmianę wartości wskaźnika, jednak nadal bardzo zbliżoną dla obu badanych miejsc, od 0 (brak roślinności) do 0.6 (bardzo dobra kondycja roślinności) w przypadku WPN i od -0.06 do 0.6 dla Międzyzdrojów. Wizualizacja wskaźnika NDVI ukazuje dokładniejsze zobrazowanie poszczególnych elementów zagospodarowania terenu, niż w przypadku wizualizacji temperatury - intensywność odbicia promieniowania bliskiej podczerwieni wpływa na możliwość rozróżnienia roślinności, w tym przypadku rodzaju lasu, ze względu na zawartość wody w komórkach danej rośliny. Z tego względu, widoczny na wschodnim wybrzeżu parku narodowego lub w południowo-zachodniej części miasta las iglasty, charakteryzuje się mniejszymi od lasu liściastego wartościami znormalizowanego różnicowego wskaźnika wegetacji.

W przypadku WPN, najwyższymi wartościami NDVI odznaczają się te same obszary, których powierzchnia ma największą temperaturę, czyli bagna śródlądowe. Najwyższe wartości przyjmują natomiast wspomniane lasy liściaste, a także łąki i pastwiska. Dla Międzyzdrojów niskie NDVI przyjmuje ścisła zabudowa miejska w centrum miasta. Dość wysokim wskaźnikiem wegetacji charakteryzują się natomiast tereny rekreacyjne z domkami letniskowymi i ogródkami działkowymi, a także obszary roślinne znajdujące się w kierunku południowo-zachodnim od centrum.

Najczęściej wystepującą wartością wskaźnika NDVI na obszarze parku narodowego są wartości z zakresu 0.4 - 0.5, świadczące o występowaniu roślinności zielonej o dobrej kondycji - w zakresie tym również mieści się średnia wartości, wynosząca 0,43. Dominantą dla Międzyzdrojów są wartości ok. 0.4, ze średnią równą 0.32. Obszary z wartością NDVI poniżej 0.2, czyli terenami bez roślinności (obszary zabudowane, odkryta gleba), wynoszą dla Wolińskiego Parku Narodowego 1,07 % jego powierzchni (0,66 km²), natomiast w przypadku Międzyzdrojów jest to aż 23,34 % powierzchni (1 km²) pozbawionej roślinności.

Korelacja temperatury ze wskaźnikiem NDVI

Zależność dwóch badanych zmiennych przedstawiono na wykresie rozrzutu, wraz z naniesioną regresją liniową. W celach estetycznych wyszczególniono próbki danych proporcjonalne do powierzchni WPN i Międzyzdrojów, nie zmieniając jednocześnie wartości linii regresji. Korelacja pomiędzy temperaturą gruntu a wartością wskaźnika NDVI dla obszaru Wolińskiego Parku Narodowego metodą Pearsona wyniosła -0.42, co oznacza średnią zależność wskaźnika wegetacji od temperatury (wartość -1 oznaczałaby całkowitą korelację ujemną - dla całego obszaru wartość wskaźnika NDVI malałaby wraz ze wzrostem temperatury). Dla obszaru miasta Międzyzdroje regresja liniowa wyniosła -0.72, co oznacza bardzo silną korelację ujemną. Dla tak małego miasta, jakim są Międzyzdroje, korelacja ta jest zrozumiała ze względu na średnie zróżnicowanie zagospodarowania terenu - zabudowę miejską, łąki i pastwiska, tereny rekreacyjne i wypoczynkowe oraz lasy.

Wnioski i podsumowanie

Przedstawione wyniki wskazują na bardzo dobrą korelację znormalizowanego różnicowego wskaźnika wegetacji dla Międzyzdrojów i znacznie gorszą dla Wolińskiego Parku Narodowego. Na wartość korelacji liniowej wpłynęła głównie kilkunastokrotnie mniejsza powierzchnia miasta oraz małe zróżnicowanie zagspodarowania terenu. Z wyjątkiem morza i węwnętrznych obszarów wodnych, najniższa wartość wskaźnika NDVI występuje na terenach objętych zabudową miejską. Średnie NDVI wynosi tam zaledwie 0,24 - na obszarze lasów, przy maksymalnej wartości, jest to aż 0,48. Najwyższe temperatury odnotowano w obrębie zabudowy miejskiej - średnia temperatura wyniosła tam 27,8°C, co jest wartością wyższą od temperatury morza o niemal 14°C, a o ponad 10°C od jezior i lagun. Różnica temperatur poszczególnych kategorii pokrycia terenu jest zauważalna nawet dla tak małego miasta, jakim są Międzyzdroje.

Przestrzenna korelacja niskich temperatur z obszarami zielonymi oraz zbiornikami wodnymi jest widoczna bez potrzeby obliczania poszczególnych statystyk. Porównując wizualizację NDVI oraz temperaturę podłoża, szczegółowość pierwszej zmiennej jest o wiele większa w przypadku możliwości rozpoznania poszczególnych kategorii pokrycia terenu, rozróżniając między innymi typy lasów, ze względu na różniące wartości NDVI. Powyższa analiza ukazuje, jak istotne dla redukowania miejskiej wyspy ciepła jest występowanie terenów zielonych i obszarów wodnych na terenie miast. Na przykładzie analizowanego dnia, 24 czerwca 2022 roku, średnia temperatura podłoża zabudowy miejskiej była aż o 5,5°C wyższa od temperatury lasów, w szczególności mieszanych i liściastych, zlokalizowanych kilkaset metrów od zabudowy.