Картографирование острова тепла Москвы по разносезонным тепловым снимкам ETM+/Landsat-7

Тепловые снимки могут использоваться как основа для картографирования тепловых свойств объектов, геотемпературного поля территории, тепловых аномалий. Ниже представлены примеры картографических материалов, созданных на основе анализа космических снимков в тепловом инфракрасном диапазоне системы ETM+ (Рис. 1).

Рис. 1 Карта "тепловых зон" Москвы. Индексами обозначены следующие "тепловые зоны":

На основе серии разносезонных снимков выделены различные по сезонной динамике интенсивности теплового излучения территории. Для этих территорий и объектов построены графики измененения интенсивности теплового излучения (Рис. 2). Сопоставление этих графиков позволило провести классификацию всех городских объектов на 4 класса и 11 подклассов сезонной динамики теплового излучения. Эти классы и подклассы показаны на карте города, отражающей 4 зоны и 11 подзон, различных по сезонной динамике интенсивности теплового излучения. 

Рис. 2 Графики измененения интенсивности теплового излучения (индексы обозначают тепловые зоны, см. Рис.1)

Рассмотрим кратко основные особенности 4 выделенных «тепловых зон»: зона промышленных объектов, зона жилой застройки, зона водных объектов и зона растительности. Общими чертами сезонного изменения интенсивности теплового излучения объектов, относящихся к промышленным, являются ее высокий уровень по всем сезонам года (за счет нагрева промышленных корпусов солнечными лучами в теплый период года и тепловой энергии, вырабатываемой во время производственного процесса). Основной особенностью годового хода интенсивности теплового излучения жилых кварталов является ее слабое изменение в течение года и средний уровень на большинстве снимков. Скорее всего, это связано со сложной структурой изображения жилых кварталов на снимках Landsat-7/ETM+ в тепловом ИК-диапазоне, где в пределах одного пиксела могут усредняться яркости жилых домов с высоким уровнем теплового излучения и зеленой внутриквартальной растительности с низким уровнем теплового излучения.  Водные объекты выделяются характерным минимумом уровня интенсивности теплового излучения в летний и, особенно, весенний период и характерным максимумом в конце осени. Это обусловлено высокой теплоемкостью воды, ее способностью медленно нагреваться и так же медленно отдавать тепло. Для древесной растительности характерен самый низкий уровень относительной интенсивности теплового излучения в теплый период года и средний уровень — в холодный период. Это связано с активной транспирацией зеленой растительности, приводящей к понижению температуры растений (и, соответственно, интенсивности их теплового излучения) в теплый период года. Территории, лишенные городских строений и лесной растительности — луга, пустыри и прочие аналогичные объекты — за счет меньшей растительной массы излучают сильнее, чем территории, покрытые древесной растительностью.

Следующая карта построена по другому принципу (Рис. 3). В качестве исходных данных используются те же снимки, что и для построения карты "тепловых зон", но принцип классификации тепловых аномалий иной. В данном случае исследовался вклад каждой тепловой аномалии (положительной или отрицательной) в формирование острова тепла или, наоборот, его смягчение. Интенсивность теплового излучения жилых кварталов представлена как фоновая, относительно которой выделены положительные (выше фона) и отрицательные (ниже фона) тепловые аномалии, которые классифицированы по их устойчивости во времени и пространстве и их интенсивности.

Рис. 3 Карта тепловых аномалий СЗАО Москвы

На карте показаны основные тепловые аномалии, определяющие эффект острова тепла на территории СЗАО Москвы. Тепловые аномалии разделены на положительные (максимумы) и отрицательные (минимумы). Максимумы разделены на устойчивые и временные. Устойчивые — существующие круглый год (либо все время за исключением конца осени, когда основными положительными тепловыми аномалиями являются водные объекты). Это в основном крупные промышленные предприятия. Временные аномалии существуют некоторую часть года, в остальное время они пропадают или ослабевают. Среди таких тепловых аномалий раздельно показаны промышленные предприятия и безлесные территории, т.к. эти объекты характеризуются принципиально различными тепловыми характеристиками. Среди тепловых минимумов выделены лесные и парковые массивы и водные объекты. Лесные и парковые массивы являются мощными тепловыми минимумами в теплый период года и оказывают существенное влияние на формирование как локальных островов тепла так и острова тепла всего города. Водные объекты разделены на устойчивые тепловые минимумы (слабо подверженные тепловому загрязнению водные объекты) и водные объекты, подверженные тепловому загрязнению в значительной степени. Отдельно, как территории с фоновым уровнем теплового излучения, показаны жилые массивы. Объекты, формирующие положительные и отрицательные тепловые аномалии, подписаны.

Такие карты могут быть использованы при планировании развития городов, освоении новых городских территорий, реконструкции существующих жилых и производственных зон, как основа для экологических исследований городской среды, для оценки комфортности условий жизни в различных районах города.

Подробнее о сезонной динамике интенсивности теплового излучения различных городских объектов см. "Сезонные различия в изображении тепловых контрастов городских объектов по космическим снимкам").