Для картографирования тепловых аномалий города Москвы использованы осенние тепловые снимки. Снимки получены с помощью сканерных систем TM/Landsat-5 (снимок 1991 г.) и ETM+/Landsat-7 (снимок 1999 г.) в диапазоне 10,4 - 12,5 мкм (см Рис. 1 и 2) с пространственным разрешением 120 и 60 метров соответственно и с радиометрическим разрешением 8 бит. При анализе снимков необходимо иметь в виду, что они взаимно не калиброваны. Изображения TM поступили уже с «растянутой» гистограммой, что позволило сравнивать лишь относительные (качественные) температурные различия объектов по снимкам.

Оба снимка были получены в начале октября, т.е. в целом представляют схожую сезонную картину распределения тепловых аномалий, обеспечивая возможность их сравнения с целью выявления изменений. Что касается природных объектов, то к этому времени температура поверхности Земли и водные объекты уже хорошо прогреты за лето и излучают тепло. Излучение антропогенных объектов во многих случаях не зависит исключительно от сезона. Поэтому в целом сезон проведения съемки не сильно повлиял на выделение большинства городских объектов. При характеристике тепловых снимков знание состояния местности имеет особое значение, поскольку, как известно, изображение объектов на тепловых снимках зависит от их температуры, которая, в свою очередь, для природных объектов в значительной степени зависит от сезона и времени суток проведения съемки.

Сравнительная характеристика тепловых снимков TM/Landsat-5 1991 г.  и ETM+/Landsat-7 1999 г.

Снимки Landsat TM 8 октября 1991 и Landsat ETM+ 6 октября 1999 года (Рис. 1, 2) были получены в 08:56 (UTC), по московскому времени это около часа дня (12:56). Этому временному периоду суток 8.10.1991 (по данным Интернет-сервера "Погода России") соответствовала довольно высокая температура воздуха - около +14°С. В течение суток минимальная температура не опускалась ниже +4,8°С. В целом за последние несколько суток средняя температура держалась примерно на уровне +9°С. Осадков не было, видимость составляла в районе 10 км, облачность - 0%. Что касается 06.10.1999, то на момент съемки температура воздуха составляла около +20°С, видимость 6 км, облачность 0 баллов. Минимальная зафиксированная температура в течение суток была +10°С, а среднесуточная температура +16°С. Погодные условия в течение предшествующей недели наблюдались следующие: среднесуточная температура держалась в районе +14-16°С, минимальная температура не опускалась ниже +9°С. (http://meteo.infospace.ru).

Природную фенологическую и агротехническую обстановку на момент съемки для обоих снимков можно охарактеризовать следующим образом: листва на деревьях в городе и за его пределами уже практически полностью пожелтела, сельскохозяйственные поля распаханы после сбора урожая, снежного покрова еще нет. Земля после лета очень хорошо прогрета, хорошо прогреты также водные объекты, аккумулировавшие тепло в течение всего теплого сезона. Температура воздуха в течение нескольких месяцев, начиная с мая, не опускалась ниже +5°С.

Таким образом, природные условия и температурный фон на обе даты позволяют говорить о возможности сопоставления этих снимков с целью изучения динамики тепловых аномалий города.

На Рис. 3 и 4 приведены гистограммы распределения яркостей изображения обоих снимков. Они схожи друг с другом и характеризуются близким к нормальному распределением, которое, в свою очередь, показывает, что для большой территории Москвы и ближайших окрестностей все диапазоны яркостей распределены по нормальному закону.

При анализе снимка 1991 г. можно отметить объекты, выделяющиеся как в качестве положительных тепловых аномалий (интенсивность теплового излучения выше фона), так и в качестве отрицательных (интенсивность теплового излучения ниже фона).

Наиболее темным тоном изображаются самые "холодные" объекты, а именно, это объекты с металлической поверхностью (их излучательная способность низка). Немного более "теплые" объекты - это холодные водные объекты. Более светлыми тонами на снимке изображается лесная растительность, причем хвойная -  темнее, чем широколиственная. Травяной покров представлен серыми оттенками. Еще более светло-серыми оттенками изобразились на снимке дороги и жилая застройка.

Некоторые водные объекты, как-то: Химкинское водохранилище, Гребной канал, Строгинский залив и другие, - также имеют на снимке достаточно светлые тона, что означает, что температура воды близка к температуре окружающих объектов. Это обстоятельство затрудняет дешифрирование реки Москвы и некоторых других водных объектов, так как в данном случае река не выделяется из общего среднего теплового фона. Это объясняется тем, что вода имеет свойство хранить тепло, которое она аккумулировала в течение всего лета.

И, наконец, самая яркая ступень - изображение промышленных объектов, выделяющих тепло в атмосферу. Чем ярче представление объекта на снимке, тем выше его интенсивность излучения. Стоит также обратить внимание, что и р. Москва, начиная от Люблинских полей фильтрации, и далее по течению имеет максимальную яркость, что свидетельствует о сбросе теплых вод с Курьяновских очистных сооружений и, соответственно, высокой интенсивности теплового загрязнения р. Москвы на данном участке.

В целом снимок довольно информативен для дешифрирования тепловых аномалий города. Единственным его недостатком можно назвать то, что снимок имеет четко выраженную полосчатость, которую не удалось исправить при яркостной коррекции.

Снимок 1999 (Рис. 2 и 4) года выгодно отличается от снимка 1991 пространственным разрешением (в два раза), что позволяет получить значительно более детальную характеристику изобразившихся объектов. На снимке системы ETM+ также выделяются темными тонами наиболее холодные металлические крыши, водные объекты; более светло-серые оттенки имеют лесная и травянистая растительность, наиболее яркие - жилая застройка и промышленные зоны. Но есть и различия.

Р. Москва, за исключением некоторых участков, представлена относительно более темными пикселами, чем на снимке 1991 года. Это говорит о том, что на момент съемки температура подстилающей поверхности была гораздо выше температуры воды, что действительно могло иметь место, так как в начале октября температура водных объектов составляет примерно 8-10°С, а температура воздуха в момент съемки, как уже было сказано выше, составляла 20°С.

За счет более высокого разрешения снимка (60 м против 120 м снимка 1991 года) видна структура жилой застройки, которая характеризуется сочетанием светлых и темных пикселов, что объясняется сочетанием нагретых стен и теней высоких домов. В основном это наблюдается в центре города (непосредственно в пределах Садового кольца) и в жилых районах. Полосчатость не наблюдается.

Этапы создания карт тепловых аномалий города Москвы

Для картографирования тепловых аномалий были выбраны снимки от 8 октября 1991 года  и от 6 октября 1999 года как наиболее близкие по сезонам съемки для последующего выявления динамики состояния природных и антропогенных объектов за 8 лет.

Для улучшения пространственного разрешения снимков был выполнен синтез теплового канала с ближними инфракрасными каналами, имеющими более высокое разрешение. Контролируемая классификация снимков проводилась раздельно для выявления тепловых аномалий  городских территорий и водных объектов. В каждом случае для городских территорий и для водных объектов выделялись три уровня выраженности тепловых аномалий (высокий, средний, низкий). После объединения результатов классификации были составлены карты тепловых аномалий города Москвы, отображающие пространственное распределение объектов с повышенным температурным фоном в пределах города. На Рис. 5 представлены этапы создания карты тепловых аномалий города Москвы.

Рис. 5 Этапы создания карт тепловых аномалий города Москвы (легенда приведена на Рис. 6 и 7)

На Рис. 6 и 7 приведены созданные в итоге карты тепловых аномалий города Москвы для двух сроков.

При классификации городских тепловых аномалий по снимку 1991 г. в классе с высоким уровнем выраженности оказалась большая часть активно действующих промышленных предприятий, основные вокзалы, в средний - территории промзон, класс с низкой выраженностью тепловых аномалий представлен участками плотной жилой застройки в пределах Садового кольца, отдельные стройплощадки, промзоны без выраженной теплоотдачи механизмов. Наиболее интенсивное тепловое загрязнение Москва-реки наблюдается на всем нижнем ее течении после Кожуховского затона, средняя  степень теплового загрязнения - в черте города, слабая - отмечается даже на северо-западе (Строгинский залив и Химкинское водохранилище). Не исключено, правда, что здесь  проявляется еще достаточно высокий после лета уровень теплового излучения крупных водоемов с высокой теплоемкостью. 

По результатам классификации по тем же правилам снимка 1999 г. получилась несколько отличной: при сохранении высокого класса выраженности тепловых аномалий для тех же действующих промышленных предприятий, классы средней и низкой выраженности оказались рспределенными по-другому: в целом доля тепловых аномалий слабой интенсивности уменьшилась, а средней - выросла. Отмечается также несколько более слабая выраженность теплового загрязнения Москва-реки.

Для детальной оценки различий  в распределении и степени  выраженности тепловых аномалий в два исследуемых срока путем наложения созданных карт была составлена карта динамики тепловых аномалий (Рис. 8).

Рис. 8 Карта динамики тепловых аномалий города Москвы.

Анализ карты динамики позволил выявить следующие изменения городской среды: в целом можно отметить заметное снижение выраженности тепловых аномалий в центре города в пределах Садового кольца и за его пределами, главным образом в восточной половине города, что, возможно, объясняется начавшимся в этот период выводом промышленных предприятий за черту города, а также с общим снижением экономической активности в период 1991-1994 гг. Кроме того, хорошо заметно улучшение состояния р. Москвы, которое можно объяснить проведением природоохранных мероприятий, приведших к снижению сбросов загрязняющих веществ в реку от водопользователей - станций аэрации и городской водосточной сети. Одновременно можно отметить увеличение интенсивности тепловых аномалий, связанных с некоторыми промышленными предприятиями, особенно на севере и юго-востоке города. Карта позволяет проанализировать пространственные особенности перераспределения тепловых аномалий разной степени выраженности в городе и его окрестностях.

Полученный ряд карт показывает основные тепловые аномалии городских объектов на территории города для каждого периода и позволяет проследить изменения тепловых свойств промышленных зон, транспортных магистралей, р. Москвы за 1991-1999 гг. Также можно говорить о том, что полученные картографические изображения хорошо согласуются с доступными литературными источниками, но при этом дают картину пространственного распределения теплового поля территории Москвы и ближайших окрестностей.