A Simulation Based Urban Heat Island Mitigation Framework Linking Climate Adaptation and Development Cooperation : Insights from Ho Chi Minh City = 기후 적응과 개발협력을 잇는 시뮬레이션 기반 도시열섬 완화전략: 호치민시를 중심으로

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The urban heat island (UHI) effect poses a serious challenge in rapidly urbanizing regions, where climate change intensifies heat accumulation and undermines public health and energy stability. This study develops a simulation-based optimization framework for UHI mitigation in Ho Chi Minh City, a designated smart city pilot that has experienced severe thermal stress in recent decades. The analysis is grounded in the author’s patented Green Infrastructure Placement System for Mitigating Urban Heat Island Effects (Patent Application No. 10-2025-0026423), which enables a spatially explicit assessment of three major interventions: green roofs, green walls, and street trees. The framework integrates economic cost, cooling performance, and carbon reduction potential by combining satellite-derived datasets, empirical parameter estimates, and on-site observations conducted between August 25 and September 2, 2025. Thermal and vegetation indices from Landsat 8 and Sentinel-2 were analyzed using Google Earth Engine (GEE), while QGIS and Python were employed to preprocess spatial data and implement a multi-objective optimization using the Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II). This approach identifies Pareto-efficient portfolios that balance fiscal feasibility with ecological effectiveness, reflecting realistic trade-offs between cost, cooling, and carbon benefits. Optimization results revealed distinct spatial advantages across interventions. Green roofs were most effective in Tan Binh, District 3, and District 10, where dense, flat-roofed structures facilitate large-scale installations. Green walls were concentrated in Thu Duc City and Districts 7 and 8, where vertical façades provide high exposure and shading potential. Street trees were prioritized along main corridors in Districts 1, 4, and Binh Thanh, where impervious coverage and traffic density amplify the need for local cooling. Field validation confirmed strong alignment between the simulated outputs and actual structural conditions, demonstrating the robustness of the framework. By integrating remote sensing, optimization modeling, and empirical fieldwork, this study contributes a decision-support tool for urban climate governance. Beyond its technical contributions, it links localized UHI mitigation with global climate adaptation and development cooperation agendas, offering practical guidance for data-driven, equitable, and sustainable urban transformation in heat-vulnerable cities such as Ho Chi Minh City.

국문 초록 (Abstract)

도시열섬(Urban Heat Island, UHI) 현상은 급속한 도시화와 기후변화가 맞물리며 심화되고 있는 주요 환경문제로, 도시의 열 축적을 가속화하고 공중보건 및 에너지 수요에 부정적인 영향을 미치고 있다. 본 연구는 이러한 문제에 대응하기 위해 최근 극심한 열 누적을 경험한 베트남 호치민시를 대상으로, 도시열섬 완화를 위한 시뮬레이션 기반 최적화 프레임워크를 구축하였다. 분석은 연구자가 개발한 특허 「도시열섬 완화를 위한 그린 인프라 배치 시스템」(출원번호 10-2025-0026423)을 기반으로 수행되었으며, 옥상녹화 (green roofs), 벽면녹화 (green walls), 가로수 (street trees) 세 가지 인프라 유형을 중심으로 열 완화 효과를 정량적으로 평가하였다. 본 연구는 경제적 비용, 냉각 효과, 탄소 저감 잠재력의 세 가지 요소를 통합하여, 위성영상 분석(Landsat 8, Sentinel-2), 실측자료, 현장조사(2025년 8월 25일~9월 2일)를 종합적으로 활용하였다. Google Earth Engine(GEE)을 통한 열 및 식생지수를 분석하고, QGIS와 Python을 이용하여 비지배 정렬 유전자 알고리즘 II(NSGA-II)를 적용한 다목적 최적화 모형을 구축하였다. 이를 통해 비용, 냉각효과, 탄소감축 간의 현실적인 상충관계를 반영한 파레토 효율 해집합을 도출하였다. 분석 결과, 인프라 유형별로 뚜렷한 공간적 특성이 확인되었다. 옥상녹화는 평지붕 구조가 밀집한 떤빈 (Tan Binh), 3군 (District 3), 10군 (District 10)에서 가장 효율적이었고, 벽면녹화는 수직면 노출이 큰 투득시(Thu Duc City), 7군 및 8군에서 높은 효과를 보였다. 가로수는 주요 도로망이 집중된 1군, 4군, 빈탄(Binh Thanh) 지역에서 우선 배치가 필요하다는 결과가 도출되었다. 현장 검증을 통해 시뮬레이션 결과와 실제 도시 구조 간의 높은 일치성이 확인되어, 제시된 프레임워크의 실효성이 입증되었다. 본 연구는 위성기반 데이터 분석, 최적화 알고리즘, 현장조사를 결합한 실증적 접근을 통해 도시 기후 거버넌스를 위한 의사결정 지원체계를 제시하였다. 또한 이러한 접근은 도시열섬 완화를 기후적응 및 개발협력의 관점으로 확장함으로써, 국제기후기금(GCF) 및 지속가능발전목표(SDGs)와 연계된 정책적 함의를 제공하고, 기후취약 도시의 지속가능한 전환을 위한 실질적 방향성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1.Study background 1
• 2. Methodological Approach 4
• 3. Climate Adaptation and Development Cooperation 5
• II. Literature Review 8
• 1. Causes and Impacts of the UHI Phenomenon 8
• 2. Empirical Studies in Ho Chi Minh City 11
• 3. Green Infrastructure and Optimization Approaches for UHI Mitigation 14
• 4. Data-Driven Decision-Support Systems for Climate-Responsive Urban Planning 18
• 5. Linking Climate Adaptation and Development Cooperation in UHI Mitigation 21
• III. Methodology 25
• 1. Simulation Framework Overview 25
• 2. Multi-objective Optimization Approach 29
• 3. Simulation Data Preparation 35
• IV. Analysis 41
• 1. Urban Heat Island Profiling through GEE-based Thermal Mapping 41
• 2. Candidate Site Extraction for Green Infrastructure Placement 48
• a. Green Roof Candidate Identification 49
• b. Green Wall Candidate Identification 50
• c. Street trees Candidate Identification 52
• 3. NSGA-II Optimization Simulation 53
• a. Cost(minimize) 54
• b. Ambient cooling (maximize) 55
• c. Carbon sequestration (maximize) 55
• 4. Model Constraints and Simulation Configuration 56
• a. Constraints and Feasibility Logic 56
• b. Normalization, Weighting, and Robustness 58
• V. Results 62
• 1. Simulation Results and Interpretation 62
• 2. Field Verification and On-site Observation 71
• 3. Integration with International Development Cooperation 75
• VI. Conclusion 81
• Bibliography 87
• Abstract in Korean 91