Использование космических снимков в тепловом инфракрасном
диапазоне для географических исследований
    
    Исследование городских территорий по тепловым снимкам (обзор литературы)

Городская среда изменяет температуру поверхности по сравнению с температурой природного окружения, что обуславливает целесообразность привлечения материалов тепловой съёмки при экологических исследованиях городских территорий.

Хотя сам феномен городского острова тепла, или, согласно англоязычным источникам, urban heat island (UHI), т.е. увеличения температуры воздуха в городе по сравнению с окружающей его местностью (Рис.1), был впервые открыт англичанином Люком Ховардом (Luke Howard) ещё в 1810-х гг. [30], к исследованиям островов тепла в основном приступили в середине XX века. К настоящему времени накоплен достаточно большой объём исследований этого явления.

Рис. 1  Городской остров тепла.

Основная причина повышенных температур в городе – антропогенные преобразования земной поверхности. Они проявляются в плотной застройке городской среды; покрытии естественной поверхности материалами, активно поглощающими тепловое излучение, и сокращении площадей, занятых зелеными насаждениями, что ведет к изменениям в термических свойствах земной поверхности и понижает суммарное испарение (испарение + транспирация). Такие материалы, как бетон и асфальт, обычно используемые в городах для строительства дорог и крыш, существенно отличаются по своми термическим свойствам (включая теплоёмкость и теплопроводность) и поверхностным излучательным свойствам (альбедо и излучательная способность), от свойств окружающих природных территорий. По оценкам специалистов некоторый объём бетона может удержать приблизительно в 2000 раз больше тепла, чем эквивалентный объём воздуха. Это приводит к изменению энергетического баланса территории, что и влечёт за собой повышение температуры в городе по сравнению с окружающей местностью.

Формирование "теплового острова" связано также с особенностями геометрии земной поверхности на территории города. Высокие здания имеют большую площадь поверхности для отражения и поглощения солнечного излучения, что увеличивает интенсивность нагрева городских территорий. Это явление носит название "эффект городских каньонов" (urban canyon effect). Другая особенность вклада зданий в формирование "теплового острова" - в городе происходит блокирование ветров, что приводит к снижению интенсивности конвективного охлаждения. Автомобили, промышленные предприятия и другие источники также вносят свой вклад в формирование избыточного тепла. Высокий уровень загрязнения городских территорий также может усилить эффект "теплового острова", так как многие виды загрязнителей изменяют радиационные свойства атмосферы. Тепловые потери в энергетике являются вторым ведущим фактором. При росте урбанизированных центров происходит изменение всё больших территорий, растёт и средняя температура поверхности в их пределах. 

Тепловой остров города характеризуется хорошо выраженной суточной динамикой: наибольших значений разница температур между городом и пригородом достигает вечером и ночью — здания переизлучают накопленное за день тепло. Если говорить о сезонной динамике, то следует отметить, что тепловой остров проявляется как летом, так и зимой. Различают остров тепла, связанный с температурой воздуха, и остров тепла, связанный с температурой земной поверхности (поверхностный остров тепла).  и с недостатком растительности на городских территориях. 

Формирование острова тепла приводит к снижению комфортности городской среды для людей. Слишком высокие температуры летом и повышенная влажность зимой неблагоприятно влияют на здоровье горожан. Это обстоятельство способствует развитию исследований городского острова тепла и поиску путей снижения эффекта повышения температуры воздуха и поверхности в черте города.

Исследуется, например, суточная динамика теплового поля города; влияние особенностей использования городских земель на пространственно-временную динамику локальных тепловых аномалий города;  взаимосвязь изменений температуры воздуха и температуры земной поверхности в пределах города; проводится моделирование городского острова тепла, как температуры поверхности, так и температуры воздуха; моделирование энергетического баланса города; проводится сопоставление температур в городе и за его пределами; изучаются различия в интенсивности теплового излучения объектов днём и ночью; при сопоставлении с рассчитанным по данным видимого и ближнего инфракрасного диапазонов значениям вегетационного индекса (NDVI) изучают взаимосвязи между обилием растительного покрова и  интенсивностью теплового излучения, особенностями использования земель и мн. др. [31]. Во многих работах основным источником информации являются данные космической съёмки в тепловом инфракрасном диапазоне. 

Данные тепловой инфракрасной съёмки применяются в географических исследованиях городских островов тепла разного пространственного охвата, определяемого характеристиками съемочной системы: шириной полосы обзора, пространственным разрешением снимков. Так, многоканальные радиометры AVHRR спутников NOAA и MODIS, установленные на спутниках Terra и Aqua с полосой обзора в 2-3 тыс км, предоставляют снимки низкого пространственного разрешения (около 1 км), которые  используются в исследованиях значительного пространственного охвата[10, 15, 19, 24]. Это позволяет оценить общую мощность и протяжённость теплового острова [10, 15], его влияние на окрестности, сопоставить размер и интенсивность тепловых островов разных городов. Преимущество таких материалов в высокой повторяемости съёмки, большом количестве съёмочных каналов, однако пространственное разрешение 1 км недостаточно для изучения пространственных неоднородностей внутри острова тепла.

Например, данные теплового инфракрасного диапазона, получаемые с метеорологических спутников серии NOAA, позволили еще в в 1998-1999 гг. создать в Институте космических исследований РАН подсистему спутникового экологического мониторинга  города Москвы, которая была в состоянии обнаруживать крупные тепловые аномалии, в частности, выбросы промышленных отходов (ТЭЦ, крупные производства, пруды-охладители), регистрировать дымные шлейфы от труб, возникающие в результате крупных лесных и торфяных пожаров в окрестностях города[3]. Процесс обнаружения тепловых аномалий включал в себя: классификацию участков изображения по значениям радиационной температуры и выявление аномальных на данной территории источников излучений; выделение тепловых аномалий на основе анализа временных рядов. В зависимости от помеховой обстановки, времени суток и природно-климатических условий использованы различные стандартные алгоритмы выявления тепловых аномалий, а также алгоритмы, которые успешно апробированы при обнаружении пожаров.

Пример выделения источников излучения от тепловых электростанций на территории г. Москвы (14 декабря 1997 г.) приведен на Рис. 2-4. При известных размерах источника тепловых излучений, например, труб ТЭЦ, прудов-охладителей, корпусов сталелитейных производств и тому подобных объектов, а также при осуществлении тепловой съёмки в нескольких спектральных диапазонах одновременно, возможно получение абсолютных значений температур.

Локализация московских тепловых электростанций по данным космической съёмки AVHRR/NOAA от 14 декабря 1997 г., разрешение 1100 м.:



Рис. 2 Космическое изображение города Москвы
 



Рис. 3 Температурный профиль поверхности
 

Рис. 4 Координаты точек и величины пикселов

 

Другой подход представляет использование в исследовании острова тепла снимков с пространственным разрешением не ниже 100-120 м, таких как ETM+/Landsat-7 и ASTER/Terra, Рис. 5-7. Снимки со спутников Landsat являются одними из самых распространённых материалов дистанционного зондирования Земли в географических исследованиях регионального уровня. В том числе это касается и снимков в тепловом инфракрасном диапазоне [8, 17, 21, 22]. Такие снимки позволяют увидеть внутреннюю пространственную структуру городских островов тепла, проследить развитие во времени и пространстве локальных тепловых аномалий, оценить тепловое влияние различных городских объектов друг на друга. В исследованиях городских островов тепла снимки со спутников Landsat используются как в качестве дополнительного материала [14, 28, 33], так и в качестве основного [8, 17, 20].

Рис. 5 Фрагмент снимка Landsat-7 в тепловом инфракрасном диапазоне
на территорию Москвы. Съёмка 7 ноября 1999 г.

Космические снимки ASTER/Terra города Индианаполис (США, штат Индиана) в тепловом инфракрасном диапазоне, разрешение 90 м [16]. Различия в изображении городской территории и в первую очередь водных объектов на поздне-осеннем снимке Москвы (Рис. 5) и ранне-осеннем и летнем (Рис. 6, 7) снимках Индианаполиса обусловлено сезонным состоянием местности: не успевшая остыть вода на снимке Москвы (белый тон)  резко контрастирует с остывшей (серой) территорией города, в то время как для Индианаполиса характерно типично летнее состояние, когда вода холоднее (темнее на снимках), чем городская территория. 



Рис. 6 Дата съёмки - 3 октября 2000 г.


Рис. 7 Дата съёмки - 25 июня 2001 г.

Известны примеры комплексирования данных теплового диапазона высокого и низкого разрешения (MODIS, ASTER, Landsat), полученных с разных спутников, при изучении особенностей острова тепла [14, 15, 19, 20]. Совместное применение данных разного пространственного разрешения особенно ценно тем, что даёт возможность использовать преимущества как снимков большого охвата, так и снимков высокого разрешения. Среди результатов таких работ обычно присутствуют рекомендации по использованию снимков того или иного разрешения для изучения острова тепла на разных пространственных уровнях.

Нередко для изучения пространственных особенностей острова тепла применяют различные виды классификаций по космическим снимкам  в тепловом ИК-диапазоне [8, 28, 37]. Как правило, такие методы применяют для исследования "использования земель" и создания "карт земных покровов" (land cover/land use), (Рис. 8, 9). Чаще всего к исследованиям land cover/land use привлекают снимки в разных спектральных диапазонах, одним из которых является тепловой. При анализе связи между типами "использования земель" и тепловыми аномалиями [10, 14, 17, 24],  создаются карты land cover/land use [12]. Неоднократно указывается на существование взаимосвязи между структурой островов тепла и характеристиками земных покровов (land cover/land use), а также на возможность использования тепловых снимков как надёжного источника информации для получения информации о характере использовании земель[10, 24].



Рис. 8
Изображение land cover/land use на г. Индианаполис, Индиана, США




Рис. 9
Изображение land cover/land use на территорию Доминиканской Республики.

Значительную часть научных работ по теме исследования пространственных особенностей островов тепла занимают различные варианты моделирования тепловых характеристик поверхности и извлечения параметров теплового излучения. Одна из наиболее часто поднимаемых проблем - извлечение из тепловых снимков температур земной поверхности — land surface temperarures (LST) [21, 23, 27, 36]. (Рис. 10). Значения LST можно получить при использовании аппаратуры, производящей съёмку одновременно в нескольких тепловых каналах (алгоритм "расщеплённого окна прозрачности", split-window method, SWF). Сложности возникают в том случае, если съёмка производится только в одном канале, как это происходит в системах TM и ETM+. Проблему стараются обойти, однако это не всегда удаётся; существует множество вариантов алгоритмов извлечения LST из снимков ETM+, но все они дают только приближённые результаты. Применяются различные методы максимального приближения результатов работы алгоритма к реальным. Например, точность алгоритма извлечения LST может быть оценена при сравнении с данными наземных наблюдений [21, 27, 35]; вариант с наименьшей разницей выбирают в качестве рабочего. Но наземные наблюдения должны быть тщательно спланированы, иначе их объективность как средства проверки достоверности алгоритмов может оказаться под вопросом. Так, при использовании в качестве наземных данных измерений метеорологических параметров на метеостанциях следует учитывать их микроклиматическое положение — часто метеостанции на территории города расположены в парках — локальных "островах прохлады" города [18].

Рис. 10 Изображение LST на Нью-Йорк.

Много внимания обращается на изучение связи мощности растительного покрова и интенсивности теплового излучения. При сравнении двух таких изображений всегда обнаруживается ярко выраженная обратная связь. Эту связь оценивают чаще всего через анализ изображений LST и NDVI [19, 28]. Использование NDVI совместно с LST позволяет получить дополнительную информацию о поверхности Земли, такую как суммарное испарение и влажность почвы (особенно это касается территорий с разреженным растительным покровом). Результаты совместного анализа изображений LST и NDVI часто используются для оценки воздействия урбанизации [32], а совместное использование LST, NDVI и карт land cover/land use даёт наиболее полную картину [28]. Однако нередко указывается на недостаточную эффективность NDVI как средства оценки мощности растительного покрова в городе. Предлагаются другие методы оценки воздействия урбанизации, например, совместный анализ LST и фракции растительности из модели спектральной декомпозиции [33].

Исследователи занимаются и пространственно-временной динамикой островов тепла, как сезонной, так и суточной [11,12,15,27]. Используются данные таких сенсоров, как AVHRR/ NOAA, ТМ/Landsat, MODIS/Terra, а также авиационных и наземных аппаратов. Изучение суточной динамики позволяет достаточно полно оценить тепловые характеристики различных городских объектов, изменение амплитуды их температур в течение суток,  выявить объекты, формирующие тепловые аномалии в разное время суток, определить время суток, лучше всего подходящее для проведения тепловой съёмки для тех или иных целей [11]. Однако при использовании тепловых снимков со спутников Landsat иллюстрировать с помощью космических снимков суточное изменение теплового острова сложно в силу особенностей орбиты спутников (орбита солнечносинхронная, в связи с чем спутник проходит над определённым местом в одно и то же время суток). Ночные снимки со спутников Landsat имеются в архивах, но их немного. Изучение сезонной динамики позволяет выявить изменение структуры островоа тепла в течение года, особенности динамики локальных тепловых аномалий, тепловые характеристики антропогенных и природных объектов в масштабе всего года [27].

Имеют место и комплексные исследования, в которых сочетаются построение изображений LST, изучение сезонной и суточной динамики в городах с различными климатическими условиями, статистический анализ, изучение связи между изображениями LST, NDVI и картами land cover/land use, изучение тепловых потоков [15]. В таких работах используются как снимки низкого пространственного разрешения и большого охвата, так и снимки со спутников Landsat. Исследования такого типа дают многостороннюю оценку явления островов тепла и вносят существенный вклад в исследования климата города и воздействия урбанизации.

Подводя итог краткому обзору направлений исследований урбанизированных территорий по тепловым снимкам, следует отметить, что пока в работах с использованием тепловых инфракрасных снимков преобладает подход, основанный в первую очередь на моделировании и восстановлении параметров подстилающей поверхности, и в меньшей степени исследуются географические особенности температурного поля (и его изменений) антропогенных и природных объектов. Но изучение городских островов тепла - это не только геофизическая, но и географическая задача. Изучение проблемы островов тепла методами географического дешифрирования позволяет обнаружить основные закономерности распределения тепловых аномалий во времени и пространстве, их связи с природными и антропогенными объектами разных типов.

В качестве итога, отметим выявленные в результате обзора литературы основные направления спутникового геоэкологического мониторинга больших городов:

  • разработка методов теплового дистанционного зондирования мегаполисов и выявления изменений в состоянии окружающей среды урбанизированных территорий;
  • оперативное обнаружение тепловых аномалий и техногенных выбросов, например, контроля тепловых выбросов ТЭЦ и промышленных объектов. Классификация участков космических снимков по значениям радиационной температуры и выявление аномальных источников теплового излучения. Выявление дымовых шлейфов на основе специальных алгоритмов и выделение границ неоднородных областей шлейфов;
  • решение задач выявления тепловых дымовых шлейфов и зон задымления от локализованных источников;
  • построение температурных карт городов и разработка тематических методик обработки спутниковых данных;
  • выявление температурных аномалий и суммарных загрязнений природной среды объектами промышленного и городского хозяйства с использованием методов географического дешифрирования и компьютерной обработки данных ДЗЗ и ГИС-технологий;
  • построение динамических моделей техногенного воздействия по данным тепловой космической съёмки;
  • прогнозирование переноса загрязнений в городской атмосфере, основанное на анализе структуры турбулентных полей и ветра. Известно, что эти метеорологические особенности определяют распространение загрязнений в городской атмосфере. В то время как ветер средней силы вызывает адвекцию (снос) примесей, турбулентность приводит к диффузионному расплыванию облака загрязнений. Характеристики крупномасштабной турбулентности определяют размеры зон, охваченных загрязнениями воздуха. Показано, что в условиях плотной городской застройки возникают благоприятные возможности возбуждения крупных вихревых структур;
  • оценка влияния мощной техногенной системы на экологию города на основе комплексного экологического мониторинга региона;
  • формирование единой упорядоченной информационной среды региона. Создание информационного банка знаний по космическому геоэкологическому мониторингу мегаполиса. Комплексная обработка экологической информации о мегаполисе, начиная со сбора данных и заканчивая её хранением, обновлением и представлением городскому сообществу.

Следует также отметить, что в настоящее время проблеме городских островов тепла в нашей стране уделяется существенно меньше внимания, чем за рубежом, что определяет актуальность таких исследований в отечественной науке.

 

    
  © 2012 г. Балдина Е.А., Грищенко М.Ю., Федоркова Ю.В., лаборатория аэрокосмических методов, Географический факультет  Вверх | Литература | На главную