Задание 7. Изучение особенностей изображения земных объектов на снимках в тепловом ИК диапазоне
Введение.
В тепловом инфракрасном диапазоне (3-1000 мкм) регистрируется собственное излучение Земли, интенсивность которого зависит как от нагрева поверхности Солнцем, так и от потока тепла из земных недр, от работающих механизмов или очагов возгорания. Глаза человека не чувствительны к тепловому инфракрасному излучению, тепловая энергия ощущается в основном через осязание. Инфракрасные тепловые радиометры позволяют регистрировать электромагнитное излучение объектов в этой области спектра и представить его в виде изображения (снимка), отображающего различия в интенсивности излучения, которое зависит от температуры объектов. На тепловых снимках различия в тепловом излучении объектов преобразованы в яркости: объектам с более высокой температурой поверхности соответствует более высокая яркость пикселов изображения, а холодные объекты имеют низкую яркость. Из-за экранирующего влияния атмосферы регистрация теплового излучения возможна лишь в нескольких участках спектра: 3-5, 8-14 и 30-80 мкм. Максимум теплового излучения Земли приходится на интервал 10-12 мкм, поэтому именно этот диапазон чаще всего используется для съемок.
Результаты тепловой съемки поверхности Земли с разным пространственным разрешением находят применение в самых разных областях: от изучения и прогнозирования глобальных климатических процессов и энергетического баланса на основе мониторинга и картографирования тепловых полей Земли, измерения температуры морской поверхности, наблюдений за вулканической деятельностью, определения состава горных пород и поиска полезных ископаемых, обнаружения очагов возгорания и мониторинга лесных пожаров, до определения состояния подземных тепловых сетей, картографирования и диагностики состояния нефте- и газопроводов. Получили распространение контроль выбросов промышленных отходов, оценка теплопотерь зданий по материалам тепловых съемок высокого пространственного разрешения. Известны примеры изучения пространственных особенностей формирования городского острова тепла1 по тепловым снимкам из космоса.
Повышенный относительно пригородов уровень температуры в городе создается многими факторами: большой теплоемкостью асфальтовых покрытий и стен каменных зданий; существенно меньшими затратами тепла на испарение осадков вследствие их искусственного стока и на транспирацию растений из-за сокращения площади зеленых насаждений при застройке территорий; наличием объектов с высоким уровнем выделения тепла (тепловых электростанций, систем городского и промышленного теплоснабжения, действующих промышленных предприятий и т.п.). Увидеть объекты, повышающие и понижающие температурный фон в городе, позволяют снимки в тепловом ИК диапазоне.
Визуальный анализ тепловых снимков городской территории позволяет обнаружить объекты или территории, вносящие вклад в повышенный фон городской температуры, дифференцировать городские территории или отдельные объекты по интенсивности теплового загрязнения, выявить аномально горячие объекты, найти места сброса загрязнённых вод, а также наметить «неблагополучные» районы для детальных обследований.
Наилучшее пространственное разрешение изображений в тепловом инфракрасном диапазоне предоставляют съемочные системы ETM+/Landsat-7 и ASTER/Terra (60 и 90 м соответственно). Система ASTER обеспечивает данные в нескольких участках теплового ИК диапазона с высоким радиометрическим разрешением, что позволяет проводить численное моделирование и определение геофизических параметров земной поверхности, в том числе абсолютной температуры поверхности. Однако для дешифрирования объектов, характеризующихся разными тепловыми свойствами, и. соответственно, температурой поверхности, преимущество имеют снимки ЕТМ+/Landsat-7 с более высоким пространственным разрешением.
Характеристика территории и дешифровочные признаки.
Тепловые снимки, используемые в задании, охватывают территорию Москвы и Ближнего Подмосковья.
Москва – крупнейший мегаполис России с населением 11,5 млн жителей (2011 г.) – находится в центре европейской части России, на стыке Смоленско-Московской возвышенности (на западе), Москворецко-Окской равнины (на востоке) и Мещёрской низменности (на юго-востоке). Территория города на 2010 г. составляет более 1000 км². Основная часть (около 900 км²) находится внутри кольцевой автомагистрали (МКАД), остальные 200 км² — за кольцевой автодорогой.
Наиболее высокие точки рельефа расположены в юго-западной части столицы, где находится Теплостанская возвышенность (максимальная отметка 255 м над уровнем моря), и на северо-западе, на южных склонах Московской возвышенности, а самые низкие – на востоке и юго-востоке, куда заходят окраины Мещерской низменности. Самая низкая отметка – 114 м – урез Москвы-реки на выходе из города в районе Бесединских мостов. Город располагается на обоих берегах реки Москвы в её среднем течении. Водные объекты Москвы: реки (Москва и ее самый крупный приток Яуза), многочисленные малые реки и ручьи, часть из которых закрыта в коллекторы, каналы, озера и пруды. Климат Москвы умеренно-континентальный при средней температуре зимы –7,5о, а летней – + 18,4о, нередко бывают сильные морозы или палящая жара. Осадков 600-800 мм в год. Положение города в подзоне хвойно-широколиственных лесов во многом определило типы естественной растительности. В Москве сходятся сосновые леса, дубравы и липняки, еловые и елово-широколиственные леса. По мере роста города они были вырублены, и сейчас лесные массивы расположены очень неравномерно. Наиболее крупные из них – леса и лесопарки: Лосиный остров, Битцевский и Измайловский леса, Кузьминский, Царицынский лесопарки. В городе распространены и другие типы зеленых насаждений: территории ботанических садов с элементами лесных насаждений, скверы, парки, дендрарии, внутридворовые насаждения и озелененные территории специального назначения. По оценкам Департамента природопользования и охраны окружающей среды, общая доля зеленых насаждений в г. Москве составляет более 30%, однако эта доля сильно разнится в разных частях города.
Степень антропогенной преобразованности ландшафтов очень высока, большая часть территории города занята зданиями разной этажности и функционального назначения, образующими массивы с разной плотностью застройки, а также транспортными магистралями.
Снимки получены между 11 и 12 часами дня местного времени при ясной погоде, когда солнечные лучи уже успели нагреть все открытые поверхности объектов: крыши зданий и асфальтовые покрытия улиц и магистралей в городе, распаханные поля за его чертой, поэтому они, как и действующие промышленные предприятия, характеризуются высоким уровнем теплового излучения. В противоположность этому водные объекты, обладающие значительной тепловой инерцией, еще имеют низкие температуры, исключение составляют участки, подвергающиеся тепловому загрязнению.
Путем сравнения тепловых снимков разного пространственного и спектрального разрешения между собой и со снимком в видимом диапазоне можно установить основные особенности изображения земных объектов на тепловых снимках, а также соотношение интенсивности теплового излучения природных (леса, луга, водные поверхности) и антропогенных (городская застройка и автомагистрали, сельские населенные пункты, сельскохозяйственные поля) объектов.
Для улучшения восприятия и упрощения анализа теплового изображения можно преобразовать снимки путем квантования, разделив весь диапазон яркостей снимка на несколько уровней.
Цель задания – ознакомиться с изобразительными свойствами, особенностями и возможностями дешифрирования снимков в тепловом инфракрасном диапазоне спектра на примере городской территории.