Assessing building’s rooftop potential to integrate food, water, and energy systems: The use of remote sensing technology and perceptual aspects in a Mediterranean region

Abstract

Els terrats representen espais potencials a les ciutats per integrar sistemes que puguin subministrar aliments, aigua i energia als ciutadans. La producció de recursos en les ciutats aporta beneficis ambientals, socials i econòmics i pot contribuir a la sostenibilitat urbana. Alguns treballs han avaluat la possible integració de l’agricultura urbana en les cobertes, els sistemes de recollida d’aigua de pluja i els sistemes fotovoltaics. No obstant això, la majoria dels treballs existents els consideren com un únic sistema aïllat. Pel que falten procediments per avaluar la seva integració de forma holística. Per avaluar la viabilitat de les cobertes és necessari comptar amb dades sobre les seves característiques. Pel que fa a l’agricultura urbana a les cobertes, encara falta informació sobre les polítiques, els factors, les barreres i les oportunitats per promoure la integració d’aquests projectes. En aquest sentit, l’objectiu general d’aquesta tesi és establir les etapes per avaluar el potencial d’integració de l’agricultura urbana, la recollida d’aigua de pluja i els sistemes d’energia solar als terrats, des d’una perspectiva holística, utilitzant la tecnologia de teledetecció, així com analitzar els aspectes socials. El Capítol 3 descriu el procés per obtenir dades de reflectància de diversos materials de cobertes. L’estudi es va realitzar en laboratori, utilitzant un sensor d’alta resolució espacial a partir de les dades es va desenvolupar una llibreria espectral. El Capítol 4 descriu un procés per identificar els materials de les cobertes utilitzant imatges hiperespectrals, obtinguda amb sensors aeris hiperespectrals. El cas d’estudi se situa a la comarca de l’Vallès Occidental, a nord de Barcelona, i comprèn 15 km2. Es van identificar set classes de cobertes. Al Capítol 5 es va establir un marc de referència per a identificar i analitzar la viabilitat tècnica dels terrats per integrar l’agricultura urbana, la recollida d’aigua de pluja i els sistemes fotovoltaics utilitzant diversos sensors remots. El procediment es va aplicar a el mateix cas d’estudi de l’Capítol 4, aquesta àrea inclou formes urbanes compactes i disperses, diversos usos i tipologies d’edificis. Es van establir tres nivells de requisits d’accés solar per a diferents cultius: tomàquets, els cultius de fulla, maduixes i microgreens. A més, es va calcular l’autoabastiment d’enciams, tomàquets, aigua per al reg dels cultius, el consum d’aigua i d’energia dels habitants. El capítol 6 ofereix una visió general dels possibles factors clau, les polítiques i les barreres associades a la integració de l’agricultura urbana en terrats, a partir de les perspectives de les parts interessades en quatre ciutats europees: Barcelona, ​​Berlín, Bolonya i París . La investigació es va desenvolupar en dues fases, un taller i una enquesta. Algunes de les conclusions són que l’educació, el medi ambient, la recerca, la innovació tecnològica, la producció d’aliments i els factors socials tenen un paper important en la integració de l’agricultura urbana a les teulades. Finalment, el Capítol 7 analitza les barreres i oportunitats percebudes sobre la implantació de cobertes agrícoles a Barcelona. En aquest treball es va utilitzar el mètode World Cafè. Es van discutir cinc categories de barreres i oportunitats. Es van identificar un total de 129 barreres i oportunitats. Els resultats de l’escala d’impacte de les cobertes agrícoles van mostrar una distribució homogènia entre “edifici” i “ciutat”, mentre que l’escala “global” és residual. La majoria de les oportunitats apareixen durant l’etapa de “ús” de la coberta, mentre que les barreres ho fan durant l’etapa de “projecte”.

Las azoteas representan espacios potenciales en las ciudades para integrar sistemas de producción de alimentos, agua y energía. La producción de recursos en las ciudades aporta beneficios ambientales, sociales y económicos y puede contribuir a la sostenibilidad urbana. Algunos trabajos han evaluado el potencial de integración de la agricultura urbana en las cubiertas, los sistemas de recogida de agua de lluvia y los sistemas fotovoltaicos. Sin embargo, la mayoría de los trabajos existentes los consideran como un único sistema aislado. Por lo que faltan procedimientos para evaluar su integración de forma holística. Para evaluar la viabilidad de las cubiertas es necesario contar con datos sobre sus características. En cuanto a la agricultura urbana en las cubiertas, aún falta información sobre las políticas, los factores, las barreras y las oportunidades para promover la integración de estos proyectos. En este sentido, el objetivo general de esta tesis es establecer las etapas para evaluar el potencial de integración de la agricultura urbana, la recolección de agua de lluvia y los sistemas de energía solar en las azoteas, desde una perspectiva holística, utilizando la tecnología de teledetección, así como analizar los aspectos sociales. El Capítulo 3 describe el proceso para obtener datos de reflectancia de diversos materiales de cubiertas. El estudio se realizó en laboratorio, utilizando un sensor de alta resolución espacial a partir de los datos se desarrolló una librería espectral. El Capítulo 4 describe el proceso para identificar los materiales de las cubiertas utilizando imágenes hiperespectrales, obtenidas con sensores aéreos de alta resolución espacial. El caso de estudio se sitúa en la comarca del Vallés Occidental, al norte de Barcelona, y comprende 15 km2 esta área incluye formas urbanas compactas y dispersas, diversos usos y tipologías de edificios. A partir de este trabajo, se identificaron siete clases de cubiertas. En el Capítulo 5 se estableció un marco de referencia para identificar y analizar la viabilidad técnica de las azoteas para integrar la agricultura urbana, la recolección de agua de lluvia y los sistemas fotovoltaicos utilizando varios sensores remotos. El procedimiento se aplicó al mismo caso de estudio del Capítulo 4. Se establecieron tres niveles de requisitos de acceso solar para diferentes cultivos: tomates, los cultivos de hoja, fresas y microgreens. Además, se calculó el autoabastecimiento de lechugas, tomates, agua para el riego de los cultivos, el consumo de agua y de energía de los habitantes. El Capítulo 6 ofrece una visión general de los posibles factores clave, las políticas y las barreras asociadas a la integración de la agricultura urbana en azoteas, a partir de las perspectivas de las partes interesadas en cuatro ciudades europeas: Barcelona, Berlín, Bolonia y París. La investigación se desarrolló en dos fases, un taller y una encuesta. Algunas de las conclusiones son que la educación, el medio ambiente, la investigación, la innovación tecnológica, la producción de alimentos y los factores sociales desempeñan un papel importante en la integración de la agricultura urbana en los tejados. Por último, el Capítulo 7 analiza las barreras y oportunidades percibidas sobre la implantación de cubiertas agrícolas en Barcelona. En este trabajo se utilizó el método World Café. Se discutieron cinco categorías de barreras y oportunidades. Se identificaron un total de 129 barreras y oportunidades. Además se identificó que la mayoría de las oportunidades aparecen durante la etapa de “uso” de la cubierta, mientras que las barreras lo hacen durante la etapa de “proyecto”.

Rooftops represent potential spaces in cities for integrating systems that can supply food, water, and energy (FEW) to citizens. The production of resources in cities contributes to environmental, social, and economic benefits and can contribute to urban sustainability. Some works assess the potential integration of rooftop urban agriculture (RUA), rainwater harvesting systems (RWHS), and photovoltaic (PV) systems. Nevertheless, most of the existing works consider them as isolated only one system. Regarding FWE nexus there is a lack of procedures to assess their integration holistically. To assess the feasibility of roofs data about their characteristics, such as materials, geometry, and solar access are required. Regarding RUA, in Europe emerged initiatives for integrating RUA, for example, Paris, Copenhagen, and Berlin are promoting and have developed general guidelines and urban building regulations. Nevertheless, there is still a lack of information, about policies, factors, barriers, and opportunities to support RUA especially in the Southern Europe region, where incentives to support RUA projects have recently appeared. In this regard, this thesis aims to establish the stages for assessing the potential integration of urban agriculture, rainwater harvesting, and solar energy systems on rooftops, from a holistic perspective, using remote sensing technology as well as analyze social aspects. Chapter 3 outlines the process for obtaining the reflectance data of roof materials from the Mediterranean region, in a laboratory condition using a high-spatial-resolution sensor. Chapter 4 describes a process for mapping roof materials using a hyperspectral image obtained whit two airborne sensors. The case study is in The Vallès Occidental region, north of Barcelona, and comprises 15 km2 this area included compact and disperse urban forms, and various building typologies. From the hyperspectral image and using a k-means clustering algorithm, seven roof classes were identified. In Chapter 5 a framework was established to identify and analyze the technical feasibility of roofs for integrating urban agriculture, rainwater harvesting, and photovoltaic systems using various remote sensing. The framework was applied to the same case study of Chapter 4. For this work, three levels of solar access requirements for different crops tomatoes, leafy crops, strawberries, and microgreens were established. In addition, self-sufficient of lettuce, tomatoes, water for crops irrigation, water and energy consumption of citizens was calculated. Chapter 6 provides an overview of potential key factors, policies, and barriers associated with the integration of RUA, building on the stakeholder’s perspectives in four European cities: Barcelona, Berlin, Bologna, and Paris. The research was developed in two phases, a workshop and a survey to stakeholders involved on RUA from the four cities. Some of the findings are that education, environmental, research, technological innovation, food production, and social factors play an important role in implementing RUA. Finally, Chapter 7 analyzes the perceived barriers and opportunities about the implementation of urban agri-green roofs (UAGR) in Barcelona. The World Café method was used in this work. Five categories of barriers and opportunities were discussed (social, environmental, legal/administrative, technological/architectural, and economic) by interdisciplinary stakeholders. A total of 129 barriers and opportunities were identified. It was also identified that the stage of the UAGR life cycle is where most opportunities appear during the “use” stage of the roof, whereas barriers do so during the “project” stage.