Development of methodology for the record & analysis of systematic activities & travels with use of geostatistical methods: Contribution in the estimation of the exposure to air pollution

City is man’s natural and physical environment. Is the environment which is completely familiar to man and in which all of his activities take place. In city man lives, inhabits, works, entertains him self, in general participates to activities, but also is inspired, roused, organized. City can not exist without citizens and at the same time modern man can not live outside of the city.Modern cities are complex systems dynamically changing over space and time. The citizen is indisputably the main factor who forms and changes the city. At the same time the structure and the functions of a city affects and influences on citizen’s life.The urban, transport, social and environmental organization of cities, as well as the problems that they have to confront are correlative to the habits and the choices of their inhabitants, especially in the level of the activities and travels choices. The “where” citizens chose to live, work and in general participate to activities and the transport mean (or means) which choose to use in order to approach and depart from the activities location catalytically influence cities’ conditions and the intensification or attenuation of the problems that cities have to confront.Already from the beginning of the previous century citizens’ habits constituted the subject of deep and systematic scientific study. The formation of a complete image regarding citizens’ activity and travel choices was considered extremely important for the comprehension, on the one hand, of the primary causes of those choices and on the other hand, the interaction procedures between citizens habits and system “City”.In the 1950’s this study was mainly focused on analyzing the travel habits and choices of citizens - the trip – based approach. Trip – based approach was widely used due to the continuous growth of individual and commercial transport needs (as result of economies regeneration after WW2).But for individuals the need for travel is a direct result of the need to participate to activities. If citizens did not participate to activities outside their residence, there would not be (or even) exist any reasons for them to travel along the city. In this perspective in the 1970’s citizens’ activity and travel habits and choices integrated studied by the activity – based approach. Both trip – based and activity based approaches limit their analysis in short time periods, thus recording travels and activities characteristics of the previous one or two days. In parallel both approaches do not record various activities and travel characteristics like the time spent in the external city environment during activities, or the depended walking time (the walking time for approaching motor vehicles). But those characteristics are extremely important for the better understanding of citizens’ habits. As result of the above mentioned the data which are collected either for travels or for activities combined with travels are not sufficient for in depth analysis of citizens’ activity and travel behaviour not only in daily but also in weekly, monthly and annual level and the diversification of this behaviour by annual season (winter – summer). Further more the personal activity – travel pattern can not be determined as well as the interaction between the various pattern and their influence in the cities’ conditions and problems.In this framework the scope of this dissertation concerns the development of a new methodology for the record and analysis of citizens’ activities and travels. The main goals of this dissertation are:1. The integrated record of activities and travels characteristics for long term periods through a new methodological framework.2. The single or integrated analysis of activities’ and travels’ characteristics.3. The application of activities and travels characteristics analysis in problems that cities have to deal with and have not thoroughly examined and investigated such as urban population’s exposure to air pollution.In the Part A of the dissertation the urban, transport, environmental and social problems that cities confront are being described, with specific reference to the problem of air pollution.In particular air pollutants, their sources, the effects and the damage they cause to human health and the environment and the limit values of their concentrations (as are set by national and international bodies) are extensively analyzed. In parallel the interaction between cities characteristics (like form, transport network development, social and economic status) and air pollutants’ diffusion are being described. Finally the problem of population exposure to air pollution is being analyzed along importance of ambient air quality monitoring. In Part B is devoted to the development and presentation of the new methodological framework for the record and analysis of citizens’ activities and travels. Central core of this new methodology is the consideration of activities and travels as activity – travel dipoles. An activity – travel dipole is consisting of two powerful situations the activity which takes place in a specific location and is static in spatial level but dynamic in temporal level and the travels for the arrival and the departure from the activity’s location which are dynamical changing in space and time. The dipoles which are repeated in frequent time daily and weekly intervals, the systematic dipoles, are those which mainly describe the activity and travel behaviour of citizens. Through the dipoles’ record and analysis is feasible from the one hand the understanding of citizens’ activities and travels choices for weekly, monthly and annual time intervals and from the other hand the creation of personal and family activity and travel pattern. The personal and family patterns interact between them and play a significant role in cities conditions.Finally the main principles for the implementation and the application of the proposed methodology are being presented. The implementation and application of the systematic dipoles methodology is carried out by a special designed research of Multidimensional Questionnaire which records the characteristics of the systematic dipoles. In specific there are analysed the procedures for the design of the Multidimensional Questionnaire, the phases for the conduct of the research and the procedures for the design of data base for the electronic registration of the collected data. Finally there are presented the various computer applications which were developed for the analysis of the collected data and the determination of population exposure to air pollutants. In Part C is devoted to the application of the systematic dipole methodology in Athens Greater Area (AGA), which resulted to the determination of Athenians exposure to air pollutants. . First of all the population, urban and transportation characteristics of AGA are briefly presented. Also the spatial and temporal variance of air pollutants concentration in AGA is presented based on the derived data of the official air pollution monitoring network, which is in operation in the area. AGA’s description fallows the description of the Multidimensional Questionnaire Research conduct for the record of the characteristics of systematic dipoles. The research was carried out the period between December 2004 – December 2005 and 1086 persons participated in it. In specific there are analysed the procedures for the design and the field conduct of the research, the collected data entry procedure, the problems which were incurred during data entry and the ways that those problems were solved and also the procedure for control of the liability of the population sample which participated in the research through statistical analysis of the demographic data. It fallows the analysis of the systematic activity – travel dipoles in AGA collected data, whereas both systematic activities and systematic travels are statistically analyzed. Finally the procedure for the estimation of AGA’s population exposure to air pollutants is being presented. There are presented the mean exposure to air pollutants during systematic activities which take place in urban open space and during systematic travels. Finally is presented the mean annual exposure to air pollutants per pollutant in total population and by sex and age team.The main contribution of the dissertation is the thorough investigation of the overall citizens’ activity and travel behaviour in long term periods, which has not been in depth examined over the past. The assessment of population exposure to air pollution is another contribution of this dissertation in a problem which has not been intensively and in detail studied.Η πόλη είναι ο φυσικός χώρος του ανθρώπου. Είναι ο χώρος με τον οποίο ο άνθρωπος είναι απόλυτα εξοικειωμένος και στον οποίον εξελίσσεται το σύνολο των δραστηριοτήτων του. Στην πόλη ο άνθρωπος ζει, κατοικεί, εργάζεται, ψυχαγωγείται, αθλείται, δραστηριοποιείται, κινείται, αλλά και εμπνέεται, αφυπνίζεται, οργανώνεται. Η πόλη δεν μπορεί να υπάρξει χωρίς κατοίκους αλλά και ο σύγχρονος άνθρωπος δεν μπορεί να ζήσει εκτός της πόλης. Οι σύγχρονες πόλεις αποτελούν πολύπλοκα συστήματα που μεταβάλλονται δυναμικά στον χρόνο και τον χώρο. Ο κάτοικος είναι αδιαμφισβήτητα ο σημαντικότερος παράγοντας που διαμορφώνει και συνάμα αλλάζει την πόλη. Ταυτόχρονα η δομή, η μορφή και οι λειτουργίες μίας πόλης επιδρούν στην ζωή του κατοίκου.Η πολεοδομική, συγκοινωνιακή, κοινωνική και περιβαλλοντική οργάνωση των πόλεων καθώς και τα προβλήματα που αυτές αντιμετωπίζουν είναι συνιφασμένα με τις συνήθειες και τις επιλογές των κατοίκων τους, ιδιαίτερα στο επίπεδο των συνηθειών και των επιλογών δραστηριοποίησης και μετακίνησης. Το που επιλέγουν να μείνουν οι κάτοικοι, να εργασθούν και γενικότερα να δραστηριοποιηθούν, σε συνδυασμό με το μέσο ή τα μέσα που επιλέγουν για να προσεγγίσουν και να αποχωρήσουν από τις περιοχές δραστηριοποίησης, επιδρούν καταλυτικά στην διαμόρφωση των συνθηκών στις πόλεις και στην όξυνση ή άμβλυνση των προβλημάτων που αυτές αντιμετωπίζουν.Ήδη από τις αρχές του προηγούμενου αιώνα οι συνήθειες των κατοίκων του αστικού χώρου αποτέλεσαν αντικείμενο ενδελεχούς και συστηματικής μελέτης των επιστημόνων. Η διαμόρφωση μίας σφαιρικής εικόνας αναφορικά με τις επιλογές δραστηριοποίησης (καταρχήν) και μετακίνησης των κατοίκων θεωρήθηκε πως μπορεί να οδηγήσει αφ’ ενός στην κατανόηση των αιτιατών των επιλογών και αφ’ εταίρου στις διαδικασίες αλληλεπίδρασης που υπάρχουν ανάμεσα στις συνήθειες των κατοίκων και στην λειτουργία του συστήματος «Πόλη».Στη δεκαετία του 1950 η μελέτη αυτή επικεντρώθηκε κυρίως στην ανάλυση των επιλογών και συμπεριφορών μετακίνησης των κατοίκων (trip – based approach), εξ’ αιτίας των συνεχώς αυξανόμενων αναγκών μεταφοράς ατόμων και υπηρεσιών (απόρροια της ανασυγκρότησης των οικονομιών, σε παγκόσμιο επίπεδο, μετά τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο).Η ανάγκη για μετακίνηση όμως είναι αποτέλεσμα της ανάγκης για συμμετοχή σε δραστηριότητες. Αν ο κάτοικος δεν συμμετείχε σε δραστηριότητες εκτός της οικίας του δεν θα υπήρχε κανένας λόγος για να μετακινηθεί. Υπό αυτό το πρίσμα στην δεκαετία του 1970 οι συνήθειες και οι επιλογές δραστηριοποίησης και μετακίνησης των κατοίκων των πόλεων προσεγγίζονται ενιαία (activity – based approach).Τόσο η μεμονωμένη προσέγγιση των μετακινήσεων, όσο και η συνδυασμένη προσέγγιση δραστηριοτήτων – μετακινήσεων περιορίζουν την ανάλυση τους σε μικρά χρονικά διαστήματα καταγράφοντας τα χαρακτηριστικά των μετακινήσεων ή των μετακινήσεων συναρτήσει των δραστηριοτήτων την προηγούμενη μία ή τις προηγούμενες δύο ημέρες.Επίσης δεν καταγράφουν αναλυτικά σημαντικά χαρακτηριστικά δραστηριοτήτων και μετακινήσεων, όπως για παράδειγμα ο χρόνος παραμονής στον εξωτερικό χώρο κατά τη διάρκεια δραστηριοτήτων, ή ο χρόνος περπατήματος προς μηχανικά μέσα μετακίνησης, τα οποία ωστόσο είναι σημαντικά για την καλύτερη κατανόηση των συνηθειών των κατοίκων.Αποτέλεσμα των περιορισμών αυτών είναι τα δεδομένα και τα στοιχεία που συλλέγονται και αφορούν είτε μεμονωμένα τις μετακινήσεις, είτε τις μετακινήσεις συναρτήσει των δραστηριοτήτων των κατοίκων του αστικού χώρου, να μην είναι επαρκή για την διαμόρφωση ολοκληρωμένης εικόνας της γενικότερης συμπεριφοράς δραστηριοποίησης και μετακίνησης των κατοίκων (σε επίπεδο εβδομάδας, μήνα έτους), της διαφοροποίησης της συμπεριφοράς ανάλογα με την εποχή έτους (χειμώνας – καλοκαίρι). Κατ’ επέκταση δεν είναι εφικτός ο καθορισμός του ατομικού προτύπου δραστηριοποίησης – μετακίνησης των κατοίκων, της αλληλεπίδρασης των ατομικών προτύπων μεταξύ τους και της επιρροής τους στην διαμόρφωση των συνθηκών και στην άμβλυνση ή όξυνση των προβλημάτων των πόλεων.Σε αυτό το πλαίσιο το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής αφορά την ανάπτυξη μίας νέας μεθοδολογίας καταγραφής και ανάλυσης δραστηριοτήτων και μετακινήσεων των κατοίκων του αστικού χώρου. Κύριοι στόχοι της διδακτορική διατριβής είναι:1.Η συνδυασμένη καταγραφή των χαρακτηριστικών των δραστηριοτήτων και των μετακινήσεων σε μεγάλες χρονικές περιόδους, μέσα από ένα νέο μεθοδολογικό πλαίσιο.2.Η δυνατότητα μεμονωμένης αλλά και συνδυασμένης ανάλυσης των χαρακτηριστικών των δραστηριοτήτων και των μετακινήσεων.3.Η εφαρμογή της ανάλυσης των χαρακτηριστικών σε προβλήματα που αντιμετωπίσουν οι πόλεις και που δεν έχουν μελετηθεί συστηματικά, όπως η έκθεση των κατοίκων στην ατμοσφαιρική ρύπανση.Στο Α’ Μέρος της διδακτορικής διατριβής περιγράφονται τα πολεοδομικά, κυκλοφοριακά, περιβαλλοντικά και κοινωνικά προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι πόλεις. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην ανάλυση του προβλήματος της ατμοσφαιρικής ρύπανσης.Πιο συγκεκριμένα γίνεται εκτενής αναφορά στους ατμοσφαιρικούς ρύπους, τις πηγές τους, τις βλάβες που προκαλούν στον άνθρωπο και το περιβάλλον και τα επίσημα ανώτατα επιτρεπτά όρια των συγκεντρώσεων τους όπως αυτά έχουν καθορισθεί από διεθνείς και εθνικούς φορείς. Επίσης περιγράφονται αναλυτικά οι αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στα χαρακτηριστικά των πόλεων (όπως η δομή τους, η ανάπτυξη των μεταφορικών δικτύων, τα κοινωνικά και οικονομικά τους μεγέθη) και στην διάχυση των ατμοσφαιρικών ρύπων. Τέλος αναλύεται το πρόβλημα της έκθεση των κατοίκων στους ατμοσφαιρικούς ρύπους και των προβλημάτων που προκαλούνται από αυτήν. Παράλληλα αναλύεται η σημασία παρακολούθησης της ποιότητας της ατμόσφαιρας και ο συσχετισμός της με την έκθεση, ενώ παρατίθενται και οι προδιαγραφές των δικτύων παρακολούθησης των ατμοσφαιρικών ρύπων.Στο Β’ Μέρος αναπτύσσεται και παρουσιάζεται η μεθοδολογία καταγραφής και ανάλυσης των δραστηριοτήτων και μετακινήσεων των κατοίκων του αστικού χώρου. Πυρήνας της μεθοδολογίας είναι η θεώρηση δραστηριοτήτων και μετακινήσεων ως διπόλων δραστηριοτήτων - μετακινήσεων. Σε κάθε μια δραστηριότητα αντιστοιχούν δύο μετακινήσεις μία για την μετάβαση σε αυτήν και μία για την επιστροφή. Τα δίπολα που επαναλαμβάνονται σε τακτά χρονικά διαστήματα ημέρας και εβδομάδας, τα συστηματικά δίπολα, είναι αυτά που κυρίως περιγράφουν την συμπεριφορά δραστηριοποίησης και μετακίνησης των κατοίκων. Μέσω της καταγραφής και της ανάλυσης των συστηματικών διπόλων δραστηριοτήτων – μετακινήσεων είναι εφικτή αφ’ ενός η κατανόηση και η διαμόρφωση πλήρους εικόνας των επιλογών δραστηριοποίησης και μετακίνησης των κατοίκων για μεγάλα χρονικά διαστήματα, εβδομάδας, μήνα, έτους και αφ’ εταίρου δημιουργία ατομικών και οικογενειακών προτύπων δραστηριοποίησης και μετακίνησης. Τα οικογενειακά και τα ατομικά πρότυπα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και διαμορφώνουν τις συνθήκες που επικρατούν στις πόλεις.Επίσης παρατίθενται οι αρχές υλοποίησης και εφαρμογής της αναπτυσσόμενης μεθοδολογίας, μέσω έρευνας ειδικά σχεδιασμένου Σύνθετου Ερωτηματολογίου καταγραφής των χαρακτηριστικών των συστηματικών διπόλων. Αναλύονται οι διαδικασίες σχεδιασμού του Σύνθετου Ερωτηματολογίου, τα στάδια διεξαγωγής της έρευνας και οι διαδικασίες σχεδιασμού και υλοποίησης βάσης δεδομένων για την ηλεκτρονική καταχώρηση των συλλεχθέντων στοιχείων. Τέλος περιγράφονται οι διαδικασίες σχεδιασμού και υλοποίησης διαφόρων εφαρμογών για την ηλεκτρονική καταχώρηση και ανάλυση των συλλεχθέντων στοιχείων και υπολογισμού της εκτίμησης της έκθεσης στην ατμοσφαιρική ρύπανση.Στο Γ’ Μέρος παρουσιάζεται η εφαρμογή της μεθοδολογίας στην Ευρύτερη περιοχή Αθήνας (ΕΠΑ), που ως τελικό αποτέλεσμα έχει την εκτίμηση της έκθεσης στην ατμοσφαιρική ρύπανση. Καταρχήν γίνεται συνοπτική περιγραφή της ΕΠΑ σε πληθυσμιακό, πολεοδομικό και συγκοινωνιακό επίπεδο. Επιπρόσθετα παρουσιάζεται η χωρική και χρονική διακύμανση των ατμοσφαιρικών ρύπων σε αυτήν, η οποία βασίζεται στις καταγεγραμμένες συγκεντρώσεις τους από το δίκτυο παρακολούθησης της ποιότητας της ατμόσφαιρας, που λειτουργεί σε αυτήν.Στην συνέχεια περιγράφεται η διεξαγωγή Έρευνας Σύνθετου Ερωτηματολογίου για την καταγραφή των χαρακτηριστικών συστηματικών διπόλων δραστηριοτήτων μετακινήσεων στην ΕΠΑ, στην οποία συμμετείχαν 1086 άτομα και διεξήχθη την περίοδο Δεκεμβρίου 2004 – Δεκεμβρίου 2005. Αναλύονται οι διαδικασίες σχεδιασμού και διεξαγωγής της, η διαδικασία ηλεκτρονικής καταχώρισης των συλλεχθέντων στοιχείων, τα προβλήματα που παρουσιάστηκαν κατά την ηλεκτρονική καταχώρηση και ο τρόπος επίλυσής τους. Τέλος, παρουσιάζεται η διαδικασία ελέγχου της αξιοπιστίας του δείγματος της έρευνας μέσω στατιστικής ανάλυσης των συλλεχθέντων δημογραφικών στοιχείων.Ακολουθεί η ανάλυση των δεδομένων που αφορούν τα δίπολα των συστηματικών δραστηριοτήτων και μετακινήσεων στην ΕΠΑ. Η ανάλυση αυτή βασίζεται σε στατιστικές αναλύσεις τόσο των συστηματικών δραστηριοτήτων, όσο και των συστηματικών μετακινήσεων. Τέλος παρουσιάζεται η διαδικασία εκτίμησης της έκθεσης του πληθυσμού της ΕΠΑ στην ατμοσφαιρική ρύπανση. Παρουσιάζεται η μέση έκθεση κατά την διάρκεια δραστηριοτήτων που εκτυλίσσονται στον εξωτερικό χώρο και κατά την διάρκεια των μετακινήσεων, καθώς και η μέση ετήσια έκθεση ανά ρύπο στο σύνολο του πληθυσμού ανά φύλο και ηλικιακή ομάδα.Η διδακτορική διατριβή συμβάλει στη διερεύνηση της συνολικότερης μακροχρόνιας συμπεριφοράς δραστηριοποίησης και μετακίνησης των κατοίκων των πόλεων, η οποία δεν έχει εξεταστεί σε βάθος κατά το παρελθόν. Η μακροχρόνια εκτίμηση της έκθεσης των κατοίκων των πόλεων στην ατμοσφαιρική ρύπανση, η οποία κατέστη εφικτή αποτελεί μία ακόμα συμβολή της διδακτορικής διατριβής στην διερεύνηση ενός προβλήματος που ελάχιστα έχει μελετηθεί. Τέλος η μεθοδολογία μπορεί να εφαρμοσθεί σε όλες τις πόλεις ανεξαρτήτως μεγέθους και λοιπών χαρακτηριστικών