Modelling the potential of Green roof installation for the decarbonization of urban areas. Case study of Valencia, Spain

Abstract

[ES] Las soluciones basadas en la naturaleza (SBN), en particular los tejados verdes (TV), desempeñan un papel crucial en la mitigación de la isla de calor urbana y la mejora de la eficiencia energética en entornos urbanos. Los TV, caracterizados por su cubierta vegetal, no solo aportan beneficios estéticos, sino que también ofrecen notables ventajas ambientales y sociales al mejorar la eficiencia energética, la gestión del agua, el confort acústico y el bienestar social en paisajes urbanos. A pesar de la creciente exploración de su potencial en grandes ciudades mediante tecnologías como el modelado 3D (LiDAR), imágenes de alta resolución y análisis de datos espaciales, la falta de metodologías altamente automatizadas ha limitado su implementación a gran escala.

Este estudio presenta una metodología innovadora que simplifica y delimita la estimación del área potencial de instalación de tejados verdes en ciudades mediante el uso de visión artificial. La metodología proporciona a los usuarios la capacidad de ajustar valores de entrada, adaptando la visión artificial a características específicas de la ciudad y permitiendo modificaciones manuales para mejorar la precisión. Utilizando las últimas ortofotos del Plan Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA), estas imágenes se procesan en QGIS para crear máscaras georreferenciadas mediante MATLAB, definiendo áreas aptas para tejados verdes de 50 a 100 m² y preservando los metadatos. Se calcula el número estimado de tejados verdes en la ciudad al dividir el área total obtenida por el tamaño estándar de un tejado verde.

Respecto al impacto en el consumo energético y emisiones, se considera la información catastral y los certificados energéticos de la ciudad, calculando el ahorro de energía y la reducción de emisiones de CO2 relacionadas con el uso de energías finales en los hogares. Además, se asigna a cada tejado verde un factor de captura de CO2 según las especies vegetales utilizadas. El resultado incluye la disminución de kWh para la climatización de los hogares, así como la cantidad total de CO2 secuestrado durante un periodo determinado. El método concluye con la generación de un ráster georreferenciado a partir de las máscaras, abordando eficazmente posibles errores de procesamiento de imágenes individuales.

Este enfoque se aplicó a la ciudad mediterránea de Valencia, revelando un potencial estimado de aproximadamente 740 hectáreas de tejados verdes modificables. Se anticipa que los beneficios en ahorro de energía y captura de CO2 serán significativos, posicionando la implementación de tejados verdes y otras soluciones basadas en la naturaleza como opciones atractivas para abordar los desafíos ambientales en entornos urbanos.

[EN] Nature-based solutions (NBS), in particular green roofs (TV), play a crucial role in mitigating the urban heat island and improving energy efficiency in urban environments. TVs, characterized by their vegetation cover, not only provide aesthetic benefits, but also offer remarkable environmental and social advantages by improving energy efficiency, water management, acoustic comfort and social well-being in urban landscapes. Despite the increasing exploration of their potential in large cities through technologies such as 3D modeling (LiDAR), high-resolution imagery and spatial data analysis, the lack of highly automated methodologies has limited their large-scale implementation.

This study presents an innovative methodology that simplifies and delineates the estimation of the potential area for green roof installation in cities through the use of computer vision. The methodology provides users with the ability to adjust input values, adapting the machine vision to specific city characteristics and allowing manual modifications to improve accuracy. Using the latest orthophotos from the National Aerial Orthophotography Plan (PNOA), these images are processed in QGIS to create georeferenced masks using MATLAB, defining areas suitable for green roofs from 50 to 100 m² and preserving metadata. The estimated number of green roofs in the city is calculated by dividing the total area obtained by the standard size of a green roof.

Regarding the impact on energy consumption and emissions, cadastral information and energy certificates of the city are considered, calculating the energy savings and CO2 emissions reduction related to the use of final energies in homes. In addition, each green roof is assigned a CO2 capture factor according to the plant species used. The result includes the kWh reduction for the air conditioning of homes, as well as the total amount of CO2 sequestered during a given period. The method concludes with the generation of a georeferenced raster from the masks, effectively addressing possible individual image processing errors.

This approach was applied to the Mediterranean city of Valencia, revealing an estimated potential of approximately 740 hectares of modifiable green roofs. The benefits in energy savings and CO2 capture are anticipated to be significant, positioning the implementation of green roofs and other nature-based solutions as attractive options for addressing environmental challenges in urban settings.