INTACTGIS for fuglevennlig turbinplassering

ESRI Norsk brukerkonferanse 2016

Frank Hanssen og Roel May

BrukerstyrtInnovasjonsprosjekt

2013-2016

Foto: Roel May

Formål med INTACT

Teste tiltak og utvikle verktøy som kan redusere fuglers risiko for å kollidere med vindturbiner:

• GIS for fuglevennlig plassering av vindturbiner i fht. topografi, landskapsorientering og vindforhold

• Modell for justeringer av turbinhastigheter

• Avbøtende tiltak (male rotorblad/turbintårn)

• Bruk av UV-lys for å få fugler til å fly utenom vindturbinene i perioder med dårlig sikt

Foto: Roel May

Foto: https://stocksnap.io, Creative Commons CC0

Agenda

1. Innledning

• Litt om rovfuglers flyveatferd

• Vindkraft og miljøkonsekvenser

2. INTACT GIS

3. Konklusjon

4. Veien videre

Litt om rovfuglers flyveatferd

• Rovfugl orienterer seg etter topografiske ledelinjer og lokale oppdriftsområder

• Oppdrift brukes i sveveflukt og glideflukt for å spare energi og vinne høyde

• Stor artspesifikk spesialise-ring til ulike typer oppdrift

Heintzelman 1986, Kerlinger 1989, Goodrich et.al 2008, Bohrer et. Al. 2011 & Pocewicz et. Al 2013

X

Smøla

Havørnas arealbruk- 59 havørn merket på Smøla

Foto: Espen Lie Dahl

Overlappende arealbruk medflere planlagte og eksisterende vindkraftverk langs kysten

Grønn versus Grønn- Vindkraft og miljøkonsekvenser

Kollisjoner Forstyrrelser Barriereeffekter

Foto: Espen Lie Dahl

Bevanger et. al. (2014)

Figur: M.Desholm

Figur: Espen Lie Dahl

Modelled risk

INTACT GIS formål

• GIS-basert verktøy for:

Plan- og beslutningsstøtte

Simulere økologiske effekter av vedtak og etterprøve beslutninger

• Forbedre vindkraftens omdømme som produsent av miljøvennlig energi

• Unngå kostbare anleggstiltak i konstruksjons- og driftsfasen

Teknisk plattform

•Desktop ArcGIS 10.2 Advanced

•Spatial Analyst

• Python algoritmer

•Modelbuilder (grafisk brukergrensesnitt)

•Tre verktøybokser

Landscape Orientation Toolbox

• Geomorfologisk klassifikasjon av landskapet (DEM)

• Topografisk og hydrologisk orientering i azimuth

Updraft Estimation Toolbox

• Orografisk oppdrift basert på DEM og proxy vinddata

• Termisk oppdrift basert på met. konstanter, flyhøyde og bakketemperatur (LandSat 8 termisk bånd)

Migratory Raptor Stopovers Toolbox

• Vekting av kart fra de to første verktøykassene

• Beregner relativ fordeling av risikoområder for fugl

Landscape Orientation Toolbox

• Geomorfologisk klassifikasjon av landskapet (DEM)

• Topografisk og hydrologisk orientering i azimuth

Landscape Orientation Toolbox

Landskapsklassifikasjon

• Topographical Position Index (TPI) sammenligner høyde i et piksel med snitthøyde i et søkevindu (3 x 3 piksler):

TPI < 0 (Daler)

TPI > 0 (Rygger)

TPI = 0 (Dalbunner/sletter)

• Slope & TPI for to søke-vindu gir en mer nøyaktig klassifikasjon

Kalkuler TPI 3 x 3

• LOWTPI1 (Mean - 1 SDE)

• HIGHTPI1 (Mean + 1 SDE)

• MEDTPI1 (Low TPI – High TPI)

Kalkuler TPI 60 x 60

• LOWTPI2 (Mean - 1 SDE)

• HIGHTPI2 (Mean + 1 SDE)

• MEDTPI2 (Low TPI – High TPI)

Reklassifiser SLOPE

<= 5 = 0 & > 5 = 1

Landskapsklassifikasjon

Jenness, J. (2006)

Landskapets orientering

Minimum Bounding Geometry (MBG) beregnes ved hjelp av Geometri-typen Convex Hull.

MBG Axis ratio

- Lengde/Bredde < 1,5 fjer-nes (irregulære polygoner)

Nordlighetsindeks (Ni):Ni = (Abs([Azimuth Orientation]-90)/90)+1

- Øst-Vest = 1 (grønt)

- Nord-Sør = 2 (rødt)

Pocewicz et. al. (2013)

Elvedalers «tiltrekkingskraft»

Elver klassifiseres etter elve-

hierarki (Strahlers elveorden)

Avstand fra elv

- Euclidian distance (500 m.)

Estimerer elvenes avtagende «tiltrekningskraft» på fugl som en funksjon av avstand (Distance Decay):

- Dist*1/Square(Log10(Dist))

Pocewicz et. al. (2013).

Updraft Estimation Toolbox

• Orografisk oppdrift basert på DEM og proxy vinddata

• Termisk oppdrift basert på met. konstanter, flyhøyde og bakketemperatur (LandSat 8 termisk bånd)

The Updraft Estimation Toolbox (1)

X

Input parametre:• Område• Vannmaske• LandSat8: Bånd 4 (Red), bånd 5

(NIR) og bånd 10 (TIR)• Proxy flyvehøyde for fugl• Horisontal vindhastighet• Atmosfæriske konstanter

Bakketemperatur (celsius)

Landsat Thermal Remote Sensing Algoritmer fra Walawender et.al 2012:

1. Konvertere rådata 0-254 (10) Spectral Radiance

Brightness Temperature

2. Bakkens varmeutstråling (4/5) Beregne Normalized Difference Vegetation

Index (NDVI) for segmentering av jord-, vegetasjons- og blandingspiksler

3. Beregne bakketemperatur vha1, 2 og atmosfæriske konstanter(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)

Termisk oppdrift W* (m/s)

W* = [gzH / θ]1/3

• g = gravitasjonens akserelasjon• z = proxy flyvehøyde for fugl• H = overflatens varmevariasjon

Lufttetthet, isobarisk varmekapa-sitet, bakketemperatur (L8) og aerodynamisk motstand bakke til luft

• θ = potensiell lufttemperatur Faktisk lufttemperatur, lufttrykk,

gasskonstanter og atmosfærisk trykk

Bohrer et. Al. 2011 & Hue et. al 1999

Områder med skydekke gir NoData

The Updraft Estimation Toolbox (2)

X

Bohrer et. Al. 2011

Orografisk oppdrift w0 (m/s) Cα = Sin (slope) * Cos (α – aspect)

w0 = v (vindhastighet) * Cα

Migratory Raptor Stopovers Toolbox

• Vekting av kart fra de to første verktøykassene

• Beregner relativ fordeling av risikoområder for fugl

Faktor/Modifikator Verdi og beskrivelse

Topografi (Faktor)- Større fjell og rygger- Alt annet terreng

1: Høy betydning0: Ingen betydning

Orografisk oppdrift (Faktor)- Områder i framherskende vindretning (f.eks Vest)- Områder i framherskende vindretning +/- 45 grader

(f.eks NV og SV)- Alle andre områder

1: Høy betydning0.5: Middels betydning0: Ingen betydning

Termisk oppdrift (Faktor)- Områder med termisk oppdrift >= 0.7 m/s- Områder med termisk oppdrift < 0.7 m/s

1: Høy betydning0: Ingen betydning

Avstand til elv (Faktor)- Distance decay >= 0.5- Distance decay > 0 & < 0.5- Distance decay = 0

1: Høy betydning0.5 Middels betydning0: Ingen betydning

Landskapets orientering (Modifikator)- Northness index = 2 (Nord-Sør)- Northness index = 1 (Øst-Vest)

2: Faktor økt1: Faktor uendret

Pocewicz et. al. (2013)

Risikoområder Modifikator (orientering)

Modifiserte risikområder

Zonal Statistics - Min & Max

Relativ risikofordeling på en skala fra lav (0) til høy kollisjonsrisiko (1) i Hitra Vindkraftpark.

Seks turbiner er lokaliserti et kolllisjonsutsatt område

NB! Modellen er ikke validert

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 − 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟𝑀𝑖𝑛

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟𝑀𝑎𝑥

Normalisert risikokart

Konklusjon

• INTACT GIS

– Basert på internasjonal F&U

– GIS, fjernmåling, ornitologi og meteorologi

– Identifiserer kollisjonsutsatt terreng

– Kan brukes i forundersøkelser & utredninger

– Billig, enkelt og effektivt i bruk

– Må valideres i felt

• Det er få slike verktøy på markedet

Foto: Espen Lie Dahl

Veien videre

• Publisere resultater (2016/2017)

• Generell videreutvikling

• Vindskygge og kanaleffekter

• Validering (radar & satelittelemetri)

– Hitra, Smøla og Gibraltar

Foto: https://stocksnap.io, Creative Commons CC0

Vil du vite mer?

• Bevanger, K., Hanssen, F., May, R. m.fl. Pre- and post-construction studies of conflicts between birds and

wind turbines in coastal Norway. Trondheim: Norsk institutt for naturforskning 2010 (978-82-426-2198-6).

NINA rapport 620.

• Bohrer, G. , Brandes, D., Mandel, J. T., Bildstein, K. L., Miller, T., Landzone, M., Kazner, T., Mai-sonneuve,

C. and Tremblay, J.A. Estimating updraft velocity components over large spatial scales: contrasting migration

strategies of golden eagles and turkey vultures. Ecology Letters, (2011).

• Goodrich LJ, Smith JP (2008) Raptor migration in North America. In: Bildstein JP, Smith E, Ruelas Inzunza

E, Veit RR, editors. State of North America’s Birds of Prey. Cambridge, MA and Wash-ington, DC: Nuttall

Ornithological Club and American Ornithologist’s Union.

• Heintzelman DS (1986) The migration of hawks. Bloomington, IN: Indiana University Press

• Hue, Z., Islam, S. and Jiang L. Approaches for aggregating heterogeneous surface parameters and fluxes for

mesoscale amd climate models. Boundary-Layer Meteorology 93: 313-336, 1999.

• Jenness, J. 2006. Topographic Position Index (tpi_jen.avx) extension for ArcView 3.x, v. 1.3a. Jenness

Enterprises. Available at: http://www.jennessent.com/arcview/tpi.htm

• Kerlinger P (1989) Flight strategies of migrating hawks. Chicago, IL: University of Chicago Press.

• Pocewicz A, Estes-Zumpf W. A., Andersen M. D., Copeland H. E., Keinath D. A. , Griscom H. R. (2013).

Mapping Migration: Important places for Wyoming’s migratory birds. Lander, Wyoming: The Nature

Conservancy.

• Walawender, J., Hajto, M. J. & Iwaniuk, P. A new ArcGIS toolset for automated mapping of land surface

temperature with the use of LANDSAT Satelite data. 2013.

Takk for oppmerksomheten!

frank.hanssen@ninaroel.may@nina.no

Foto: Espen Lie Dahl