Brukerforedrag - Esri norsk brukerkonferanse 2016

1. INTACT
GIS for fuglevennlig turbinplassering
ESRI Norsk brukerkonferanse 2016
Frank Hanssen og Roel May

2. Brukerstyrt
Innovasjonsprosjekt
2013-2016
Foto: Roel May

3. 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

4. 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

5. 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

6. Smøla
Havørnas arealbruk
- 59 havørn merket på Smøla
Foto: Espen Lie Dahl
Overlappende arealbruk med
flere planlagte og eksisterende
vindkraftverk langs kysten

7. Grønn versus Grønn
- Vindkraft og miljøkonsekvenser
Kollisjoner Forstyrrelser Barriereeffekter
Foto: Espen Lie Dahl
Bevanger et. al. (2014)
Figur: M.Desholm

8. Figur: Espen Lie Dahl
Modelled risk

9. 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

10. Teknisk plattform
• Desktop ArcGIS 10.2 Advanced
• Spatial Analyst
• Python algoritmer
• Modelbuilder (grafisk brukergrensesnitt)
• Tre verktøybokser

11. 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

12. Landscape Orientation Toolbox
• Geomorfologisk klassifikasjon av landskapet (DEM)
• Topografisk og hydrologisk orientering i azimuth

13. 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

14. 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)

15. 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)

16. 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).

18. Updraft Estimation Toolbox
• Orografisk oppdrift basert på DEM og proxy vinddata
• Termisk oppdrift basert på met. konstanter, flyhøyde
og bakketemperatur (LandSat 8 termisk bånd)

19. The Updraft Estimation Toolbox (1)
X

21. Input parametre:
• Område
• Vannmaske
• LandSat8: Bånd 4 (Red), bånd 5
(NIR) og bånd 10 (TIR)
• Proxy flyvehøyde for fugl
• Horisontal vindhastighet
• Atmosfæriske konstanter

22. 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 vha
1, 2 og atmosfæriske konstanter
(http://atmcorr.gsfc.nasa.gov/)

23. 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

24. The Updraft Estimation Toolbox (2)
X

26. Bohrer et. Al. 2011
Orografisk oppdrift w0 (m/s)
Cα = Sin (slope) * Cos (α – aspect)
w0 = v (vindhastighet) * Cα

27. Migratory Raptor Stopovers Toolbox
• Vekting av kart fra de to første verktøykassene
• Beregner relativ fordeling av risikoområder for fugl

28. Faktor/Modifikator Verdi og beskrivelse
Topografi (Faktor)
- Større fjell og rygger
- Alt annet terreng
1: Høy betydning
0: 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 betydning
0.5: Middels betydning
0: Ingen betydning
Termisk oppdrift (Faktor)
- Områder med termisk oppdrift >= 0.7 m/s
- Områder med termisk oppdrift < 0.7 m/s
1: Høy betydning
0: Ingen betydning
Avstand til elv (Faktor)
- Distance decay >= 0.5
- Distance decay > 0 & < 0.5
- Distance decay = 0
1: Høy betydning
0.5 Middels betydning
0: Ingen betydning
Landskapets orientering (Modifikator)
- Northness index = 2 (Nord-Sør)
- Northness index = 1 (Øst-Vest)
2: Faktor økt
1: Faktor uendret
Pocewicz et. al. (2013)

29. Risikoområder Modifikator (orientering)
Modifiserte risikområder

30. Zonal Statistics
- Min & Max
Relativ risikofordeling på
en skala fra lav (0) til høy
kollisjonsrisiko (1) i Hitra
Vindkraftpark.
Seks turbiner er lokalisert
i et kolllisjonsutsatt område
NB!
Modellen er ikke validert
𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 − 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑀𝑖𝑛
𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑀𝑎𝑥
Normalisert risikokart

31. 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

32. 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

33. 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.

34. Takk for oppmerksomheten!
frank.hanssen@nina
roel.may@nina.no
Foto: Espen Lie Dahl