Изучение сезонной динамики теплового излучения городских ландшафтов по снимкам landsat-7 ETM+ (на примере Москвы)

Несмотря на то, что эффект городского «теплового острова» (urban heat island) был впервые обнаружен ещё в начале XIX века, широкие возможности для его изучения появились только в конце XX века с развитием дистанционного зондирования Земли в тепловом диапазоне. Вопросы изучения городских «тепловых островов» весьма важны, поскольку современное население Земли проживает преимущественно в городах. Однако, несмотря на важность вопроса, его изученность в России ещё крайне низка (в то время как учёными других стран, в первую очередь США, проведено значительное количество исследований в данной области, разработаны различные методики). При этом изучение сезонной динамики городских «тепловых островов» нечасто является темой исследований. В данной работе рассматриваются возможности применения космических снимков Landsat-7 ETM+ в тепловом инфракрасном диапазоне для исследования сезонной динамики «теплового острова» Москвы как наиболее значительного российского мегаполиса.
Для проведения исследования в общедоступных веб-архивах было отобрано 11 безоблачных снимков Landsat-7 ETM+ с изображением Москвы в разные сезоны 1999 - 2003 гг. Разработана методика анализа тепловых снимков, позволяющая выявить межсезонные различия теплового излучения городских объектов, которая включает следующие этапы:
1. Предварительная обработка: приведение всех изображений к идентичным границам, построение гистограмм снимков и их анализ с учетом данных о погодных условиях на дату съемки.
2. Квантование полученных изображений на основе анализа гистограмм, применение операций синтеза разновременных изображений.
3. Сопоставительный анализ полученных квантованных и синтезированных разносезонных изображений.
4. Выделение участков с однотипным характером сезонной динамики и составление карты «тепловых зон» на территории Москвы.
В результате применения разработанной методики были выявлены закономерности формирования наиболее характерных черт сезонной динамики теплового излучения различных городских объектов (к примеру, водные объекты имеют максимум теплового излучения в конце осени - начале зимы в связи с высокой тепловой инертностью воды; промышленные объекты имеют высокий уровень теплового излучения практически во все сезоны года; леса и парки характеризуются отчётливым летним минимумом и т.д.).
Результатом работы явилась систематизация полученных сведений об изменениях теплового излучения основных типов городских объектов в течение года в виде карты «тепловых зон» Москвы, на которой выделено 4 класса и 11 подклассов объектов с различным характером сезонной динамики теплового излучения. Эти зоны имеют прямую связь с функциональными зонами города. Так, к примеру, активные промышленные объекты характеризуются в целом наиболее высоким уровнем теплового излучения в течение всего года, а леса и парки – наоборот – достаточно низким. При этом в пределах таких зон можно также выделить подзоны, в пределах которых обнаруживаются менее значительные особенности годового хода интенсивности теплового излучения.
Результаты работы показывают, что тепловые снимки открывают широкие возможности для изучения сезонной динамики теплового излучения городских объектов, тем более что это излучение можно увидеть только на таких снимках.