Сравнение радиометрических особенностей съемочных систем ETM+ и ASTER в тепловых каналах

Интересно провести сравнение снимков съемочных систем ETM+ и ASTER, которые отличает лучшее на сегодняшний день пространственное разрешение доступных космических изображений в тепловом диапазоне - 60 и 90 метров соответственно. Уникальность сравниваемых материалов состоит в том, что эти снимки были получены практически одновременно (4 мая 2001 г.) с разницей лишь в полчаса. Целью подобного сравнения мы ставим выяснение относительных преимуществ при определении тепловых свойств городских территорий снимков с более высоким пространственным разрешением или снимков с большим радиометрическим разрешением и спектральным охватом теплового диапазона.

Хотя система ASTER уступает ETM+ в тепловом диапазоне по пространственному разрешению (90 м против 60 м), по спектральному охвату  и радиометрическому разрешению ситуация обратная. ASTER имеет пять узких спектральных зон в этой части спектра (8,125 - 8,475; 8,475 - 8,825; 8,925 - 9,275; 10,25 - 10,95 и 10,95 - 11,65 мкм), против одной зоны ETM+, имеющей большую ширину (10,40 - 12,50). Кроме того, ASTER имеет высокое радиометрическое разрешение во всех тепловых зонах, в связи с чем формат представления данных (16 бит или 2 байта на элемент разрешения) отличается от данных ETM+ и данных ASTER в других диапазонах.

Синтезированный по трем каналам снимок ASTER (R: 8,125 - 8,475; G: 8,925 - 9,275 и B: 10,95 - 11,65 мкм) (см. Рис. 1) в целом слабо отличается по цвету от черно-белого изображения, что говорит о незначительных различиях в излучательных свойствах объектов в узких участках теплового диапазона. Однако некоторые объекты изобразились разными цветами, что представляет особый интерес. Сравним особенности их отображения на синтезированном тепловом снимке ASTER (Рис. 1), на тепловом снимке ETM+ (Рис. 2) и на синтезированном в натуральных цветах по каналам видимого диапазона снимке ASTER (Рис. 3).

Фрагменты космических снимков на территорию Москвы:  

Рис. 1 ASTER/Terra, 4 мая 2001 г., синтез каналов R:8,125 - 8,475, G:8,925 - 9,275 и B:10,95 - 11,65 мкм, пространственное разрешение 90 м	Рис. 2 ETM+/Landsat-7, 4 мая 2001 г., спектральный диапазон 10,4 - 12,5 мкм, пространственное разрешение 60 м
Рис. 3 ASTER/Terra 4 мая 2001 г, разрешение 15 м.

На рисунках Рис. 4-15 сопоставлены увеличенные фрагменты тепловых снимков ETM+/Landsat-7 и ASTER/Terra, что позволяет выявить сходства и более тонкие различия в отображении на этих снимках тепловых свойств отдельных объектов города и его окрестностей. Рассмотрены яркостные и цветовые характеристики изображения типичных объектов (реки и прочие водные объекты, дороги, растительность, промышленная и жилая застройки), которые в результате синтеза тепловых каналов ASTER изобразились цветами, отличными от оттенков серого.

Примеры изображения промышленных объектов на космических снимках:
 

Рис. 4 ASTER/Terra, 4 мая 2001 г., синтез каналов 8,125 - 8,475;, 8,925 - 9,275 и 10,95 - 11,65 мкм, пространственное разрешение 90 м.

Рис. 5 ETM+/Landsat-7, 4 мая 2001 г., спектральный диапазон 10,4 - 12,5 мкм, пространственное разрешение 60 м.

Рис. 6 ASTER/Terra, 4 мая 2001 г, видимый диапазон, пространственное разрешение 15 м.

На приведенных фрагментах снимков (Рис. 4-6) почти черным тоном хорошо выделяется р. Москва, Новинковский рукав и Нагатинский затон, характеризующиеся очень низким уровнем теплового излучения (водные объекты весной значительно холоднее окружающих территорий). На обоих фрагментах тепловых снимков четко выделяется промышленное предприятие "ЗИЛ" (1). Ему соответствуют светлые тона, а это значит, что он имеет и наиболее высокий относительный уровень излучения. Из промышленных объектов, изобразившихся яркими светлыми тонами на обоих снимках, также можно выделить в левом нижнем углу фрагментов завод Карданных валов, завод "ЭМОЗ", Электролитный, Учебный комбинат Мосгортранс, завод им. Карпова, рынки стройматериалов "Каширский двор-1" и "Каширский двор-2", автокомбинат и автобусный и троллейбучный парки (2); в левом верхнем углу - Кабиностроительный завод, фабрика "Красные суконщики", железнодорожная станция Москва-Товарная-Павелецкая (3). На тепловых снимках выделяются светлыми пикселами такие основные дороги, как 3-е Транспортное Кольцо (по направлению на северо-восток) и проспект Андропова, пролегающий с севера на юг и пересекающий 3-е Транспортное Кольцо под углом примерно в 60 градусов. На фрагменте снимка ASTER за счет синтеза трех тепловых спектральных зон дороги изобразились светло-сиреневым цветом, что говорит о возможности получения информации о материале покрытия объектов на снимке, поскольку асфальт в таком случае отделяется от крыш домов. Севернее 3-го Транспортного Кольца также выделяется промышленная застройка (4), представленная следующими объектами: АЗЛК, Автобаза, Эндокринный завод, фабрика «Химчистка», ТЭЦ-8, Шинный завод и рынок стройматериалов. Южнее — завод ЖБИ ?7, техбаза, депо метрополитена "Печатники", цементный завод, Южный порт, завод «Стройдеталь» и база Мосэнерго (5).

Еще один тип "окрашенных" объектов на синтезированном по тепловым каналам снимке ASTER - теплицы. Они изобразились ярко-малиновым цветом, что обусловлено наиболее ярким изображением этих объектов в диапазоне 8,125 - 8,475 мкм (Рис. 7, 10). На снимке со спутника Landsat-7 (Рис. 8, 11) они же представлены темными тонами, а это значит, что в целом по излучательным свойствам в диапазоне 10.4 - 12.5 мкм эти участки изображения близки к холодным водным объектам и растительности. Вероятно, это обусловлено искусственным освещением теплиц, дающим повышенное излучение только в  спектральном диапазоне 8,125 - 8,475 мкм, на снимке ETM+ это свойство не обнаруживается.

Пример изображений теплиц на космических снимках - совхозы "Белая Дача" (Рис. 7, 8, 9) и "Московский" (Рис. 10, 11, 12):

Рис. 7. ASTER/Terra, 4 мая 2001 г., синтез каналов 8,125 - 8,475; 8,925 - 9,275 и 10,95 - 11,65 мкм, пространственное разрешение 90 м	Рис. 8. ETM+/Landsat-7, 4 мая 2001 г., спектральный диапазон 10,4 - 12,5 мкм, пространственное разрешение 60 м	Рис. 9. ASTER/Terra, 4 мая 2001 г., видимый диапазон, пространственное разрешение 15 м
Рис. 10 ASTER/Terra, 4 мая 2001 г., синтез каналов 8,125 - 8,475; 8,925 - 9,275 и 10,95 - 11,65 мкм, пространственное разрешение 90 м	Рис. 11 ETM+/Landsat-7, 4 мая 2001 г., спектральный диапазон 10,4 - 12,5 мкм, пространственное разрешение 60 м	Рис. 12 ASTER/Terra, 4 мая 2001 г., видимый диапазон, пространственное разрешение 15 м

На фрагментах космических снимков (Рис. 13-18) изображена территория пригорода г. Жуковский: отчетливо выделяется участок р. Москвы, аэродром, дороги и распаханные поля. В первую очередь на снимках ETM+ заметны ярко выраженные положительные аномалии, соответствующие изображению аэродрома и распаханных полей  (Рис. 14, 17), в то время как на снимках ASTER (Рис. 13, 16) эти же объекты окрашены разными оттенками синего цвета. Разница в цвете изображенных на фрагменте объектов, излучающих тепло, свидетельствует о различиях в интенсивности теплового излучения в узких участках теплового диапазона: участок 10,95 - 11,65 мкм (эта зона окрашена в синий цвет при синтезе) фиксирует относительно большую излучательную способность этих объектов по сравнению с каналами 8,125 - 8,475 и 8,925 - 9,275. Съемочная система ETM+ фиксирует излучательные свойства объектов в более широком диапазоне 10,4 — 12,5 мкм, который позволяет выделить только более интенсивный тепловой поток, чем у окружения, без его расчленения для различных объектов.

Пример изображений бетонных и асфальтированных покрытий и сельскохозяйственных полей на космических снимках - территория аэродрома ЛИИ им. Громова (Рис. 13,14,15) и пригород г. Жуковский (Рис. 16,17,18):

Рис. 13 ASTER/Terra, 4 мая 2001 г., синтез каналов 8,125 - 8,475; 8,925 - 9,275 и 10,95 - 11,65 мкм, пространственное разрешение 90 м	Рис. 14 ETM+/Landsat-7, 4 мая 2001 г., спектральный диапазон 10,4 - 12,5 мкм, пространственное разрешение 60 м	Рис. 15 ASTER/Terra, 4 мая 2001 г., видимый диапазон, пространственное разрешение 15 м
Рис. 16 ASTER/Terra, 4 мая 2001 г., синтез каналов 8,125 - 8,475; 8,925 - 9,275 и 10,95 - 11,65 мкм, пространственное разрешение 90 м	Рис. 17 ETM+/Landsat-7, 4 мая 2001 г., спектральный диапазон 10,4 - 12,5 мкм, пространственное разрешение 60 м	Рис. 18 ASTER/Terra, 4 мая 2001 г., видимый диапазон, пространственное  разрешение 15 м

Отображение покрытий взлетно-посадочных полос и дорог и открытого грунта сине-фиолетовыми оттенками на синтезированном тепловом снимке ASTER (Рис. 13, 16)  показывает преимущество исполльзования узких участков спектра в разных частях теплового диапазона, позоляющим отобразить разные спектральные свойства материалов и пород в тепловом диапазоне. На тепловом снимке ETM+, охватывающем весь диапазон, эти объекты "сливаются" с изображениями прочих объектов, характеризующихся повышенной яркостью. Рассмотренный пример указывает на возможность многоканальных тепловых снимков ASTER отображать характер материала покрытия объектов (бетон) состав пород для открытытого грунта (см. раздел "Горные породы"), а также в случае с изображениями распаханных полей - отображать их состояние (влажность, физические особенности почв, мелиоративные мероприятия), которые различным образом влияют на изменение излучательных свойств поверхности в разных спектральных каналах.

Приведенное сравнение съемочных систем ASTER и ETM+ показывает, что снимки ETM+ с разрешением 60 м позволяют получить наиболее детальное распределение относительной интенсивности теплового излучения в пределах изучаемой территории. Снимки ASTER с разрешением 90 м позволяют получить дополнительные характеристики теплового излучения объектов, которые проявляются как цвет на снимке, синтезированном из 3 тепловых каналов, что может быть полезно при дешифрировании покрытий дорог, взлетно-посадочных полос и типов почвенного покрова. Этот факт свидетельствует о целесообразности применения инфракрасной спектрометрии в подобных исследованиях.

В целом при выявлении очагов тепла в пределах города более целесообразно пользоваться одной тепловой зоной, имеющей наилучшее пространственное разрешение,  обеспечивающей выявление тепловых аномалий промышленных и инфраструктурных объектов, представляющих в городской среде наибольший интерес.