Мониторинг температуры земной поверхности по данным спутника Landsat 8

В работе дана краткая характеристика новейшего американского спутника дистанционного зондирования Landsat 8. Рассмотрены два метода определения температуры земной поверхности – LST (Land Surface Temperature) по данным сканера TIRS (Thermal InfraRed Sensor): метод 1, предложенный Artis and Carnahan (на основе данных одного канала) и метод 2 с использованием регрессионного анализа и привлечением данных наземных измерений (в случае двух каналов). Представлены основные математические модели вычислений для двух методов.

Описан процесс обработки данных наземных измерений станций мониторинга климата для нахождения коэффициентов множественной регрессии для модели получения LST вторым методом.

Изложены проблемы обработки и получения карт LST в условиях различной облачности. Предложены два метода коррекции тепловых данных, искаженных облачностью, даны критерии использования математических моделей, рассмотрен пример использования метода коррекции данных теплового канала TIRS в случае присутствия облачности.

Приведены количественные результаты сравнений карт LST, рассчитанных обоими методами.

Представлены результаты картирования динамики изменения температуры г. Днепропетровска по данным 6-ти космоснимков Landsat 8.

В ходе исследования технологий мониторинга и обработки космических изображений, построения карт LST, а также обработки космоснимков спутника, разработан специализированный многомодульный программный комплекс обработки мультиспектральных данных. Разработка и кодирование программного комплекса выполнена с использованием языков программирования C/C++, Java и Python под Linux-совместимую операционную систему. При разработке задействована открытая библиотека обработки растровых данных GDAL, командный язык Bash. В качестве сред визуализации использованы Quantum GIS и OpenEV, а также собственные разработанные инструменты.

Полученные в результате обработки данных Landsat 8 карты мониторинга изменения температуры на территории г. Днепропетровска позволили локализовать участки, наиболее подверженные динамике изменений температур. К таким участкам, в частности, относится практически вся центральная часть города, жилой массив "Победа", жилой массив "Левобережный-3", а также район завода ПАО "Интерпайп НТЗ". На этих участках наблюдалась наибольшая динамика. К зонам с отрицательной динамикой относятся лесные массивы, расположенные в восточной части города, прилегающие к жилому массиву «Фрунзенский», поселкам Таромское, Диевка, Сухачевка. Участки с наибольшим температурным стрессом – крупные промышленные заводы города.

Результаты мониторинга могут оказаться полезными при комплексной обработке гидро-геологических данных с целью своевременного выявления и локализации участков с высоким уровнем грунтовых вод, а также выявления различных тепловых аномалий; создания карт тепловых островов городов (UHI – Urban Heat Island).