Анализ температуры подстилающей поверхности на основе данных сверхвысокого пространственного разрешения в локальных климатических зонах городской среды

Температура подстилающей поверхности является результатом баланса между поступающей солнечной энергией и исходящей радиационной энергией. Определяющим фактором формирования микроклимата является поглощающая способность различных поверхностей. Формирование локальных климатических зон в условиях городской территории обуславливается как структурным особенностям (высота и плотность застройки и деревьев), так типами поверхности (естественные и искусственные поверхности и материалы) [1]. Наличие растительности, водоемов, различные типы дорожного покрытия, плотность застройки и т. д., влияют на микроклимат городской среды. Одним из перспективных направлений в данной области является крупномасштабное картографирование температуры подстилающей поверхности на основе данных высокого и сверхвысокого разрешения [2-3].
Объектом данного исследования является Ботанический сад Еревана. Ереван (223км2) характеризуется сухим континентальным климатом – лето здесь долгое, жаркое и сухое. Еще, город, особенно центральная часть города плотно застроен, и плотность населения достаточно высокая (4815 чел./км²). Исходя из этого, особое значение для городской среды имеет Ботанический сад (80 га), как один из важнейших элементов зеленой инфраструктуры – с большим рекреационным значением и потенциалом. На данной территории есть, согласно классификации, различные локальные климатические зоны (разные типы застройки, лесной покров, кустарники, травянистая растительность, открытые почвы, закупоренные почвы и дорожная сеть) с разными типами покрытия (асфальт, бетон, стекло, металл, шифер, рубероид и т.д.) [4].
В качестве данных дистанционного зондирования для исследования объекта были использована съемка с БПЛА – оптическая, мультиспектральная и тепловизионная съемка. Для наземной валидации использовался тепловизор Flir C2 и дистанционный ИК-термометр. Помимо наземной валидации на исследуемом объекте ведутся исследования по температурным режимам локальных климатических зон с помощью термохронов.
В результате съемки и обработки данных БПЛА получен ряд цифровых продуктов, которые позволили провести районирование территории и построить различные модели поверхности. По итогам оптической съемки получены трехмерные облака точек, цифровые модели местности (ЦММ) и ортофотоплан. Первичные продукты обработки были подвергнуты глубокой обработки, в результате которой произведена классификация облаков точек с выделением классов подстилающей поверхности на основе трехмерного анализа. На основе ортофотоплана была произведена классификация местности на основе обучающих выборок (метод опорных векторов). Постобработка ЦММ заключалась в морфометрическом анализе поверхности, по результатам которого произведен анализ и получены: индекс топографического положения (TPI), коэффициент обзора неба, индекс топографической открытости, потенциальная годовая и суточная инсоляция, прямая инсоляция. Полученные морфометрические показатели позволили оценить максимальный прогрев поверхности с учетом трехмерной геометрии объектов местности и смоделировать итоговые цифровые поверхности.
Результаты мультиспектральной съемки были использованы для получения различных индексных изображений, которые помогли более детально классифицировать отдельные типы поверхности. Полученные вегетационные, водные и почвенно-вегетационные индексные изображения позволили выделить достаточно подробно классы и подклассы наземного покрова, а также отдельные локальные климатические зоны, которые к ним приурочены. Тепловизионная съемка позволила получить температурную модель полога, которая характеризует фактическую температуру и температурные градиенты различных типов поверхностей.
По итогам исследования на основе комплексирования различных типов данных получена интегральная модель температуры локальных климатических зон исследуемой территории, которая позволит провести районирование территории большего охвата и перейти на зонирование на уровне города. Комплексное использование результатов глубокой обработки оптической, мультиспектральной и тепловизионной съемки с БПЛА дает возможность не только выделить локальные климатические зоны, но и расширить классификации подстилающих поверхностей, вплоть до выделения типов материалов и покрытий. Совмещение двухмерного и трехмерного анализа подстилающей поверхности позволяет не только выделить подклассы наземного покрова, но и смоделировать инсоляционные характеристики поверхности, которые напрямую влияют на прогрев отдельных объектов и территории в целом.