Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности информации, регистрируемой на тепловых космических снимках стр. 12
1.1. Регистрация собственного излучения объектов земной
1.2. Мировой фонд тепловых космических снимков, применимость снимков разных типов для географических
1.3. Опыт применения тепловых космических снимков в науках о Земле стр. 23
1.3.1. Исследования на глобальном уровне стр. 23
1.3.2. Исследования на региональном уровне стр. 26
1.4. Изучение географических объектов по тепловым снимкам: постановка задачи исследования стр. 36
Глава 2. Изменчивость интенсивности теплового излучения природных и антропогенных территорий и её отображение на тепловых космических снимках стр. 38
2.1. Тепловое поле местности и его изменчивость стр. 38
2.2. Сезонная динамика теплового поля стр. 43
2.3. Квантование разносезонных снимков - этап разработки методики стр. 51
2.4. Анализ разносезонных квантованных тепловых снимков стр. 55
2.4.1. Городские территории стр. 55
2.4.2. Пригородные территории стр. 59
2.4.3. Природные территории стр. 64
2.5. Географические факторы теплового поля и его изменчивости. стр. 68
Глава 3. Разработка методики дешифрирования разносезонных тепловых космических снимков cтр. 78
3.1. Многовременной снимок, временной образ как дешифровочный признак cтр. 78
3.2. Критерии выбора снимков для создания многовременного теплового инфракрасного снимка cтр. 83
3.3. Исследование возможностей выявления тепловой структуры местности по многовременным тепловым снимкам cтр. 88
3.3.1. Городские территории cтр. 90
3.3.2. Природные и пригородные территории cтр. 93
3.4. Дешифрирование разносезонных многовременных тепловых космических снимков: выявление тепловой структуры и выявление тепловых аномалий cтр. 110
Глава 4. Выявление тепловой структуры городских и природных территорий. Карты тепловой структуры cтр. 118
4.1. Выявление тепловой структуры антропогенных территорий... cтр. 118
4.1.1. Москва cтр. 118
4.1.2. Нижний Новгород cтр. 128
4.1.3. Города европейской части России cтр. 132
4.2. Выявление тепловой структуры природных территорий cтр. 138
4.2.1. Юго-западное Подмосковье cтр. 138
4.2.2. Кальдера вулкана Головнина cтр. 143
4.2.3. Тепловая структура и высотная поясность Алтачейского заказника cтр. 147
4.2.4. Тепловая структура и высотная поясность вулкана Менделеева cтр. 154
Глава 5. Выявление тепловых аномалий городских и природных территорий. Карты тепловых аномалий cтр. 162
5.1. Выявление тепловых аномалий антропогенных территорий cтр. 162
5.1.1. Нижний Новгород cтр. 162
5.1.2. Москва, Северо-Западный административный округ... cтр. 165
5.2. Выявление тепловых аномалий районов проявления вулканической активности cтр. 168
5.2.1. Кальдера вулкана Головнина cтр. 168
5.2.2. Вулкан Синарка cтр. 170
Заключение cтр. 176
Список литературы cтр. 181
- Опыт применения тепловых космических снимков в науках о Земле
- Квантование разносезонных снимков - этап разработки методики
- Исследование возможностей выявления тепловой структуры местности по многовременным тепловым снимкам
- Выявление тепловой структуры природных территорий
Опыт применения тепловых космических снимков в науках о Земле
Многообразие технических средств дистанционного зондирования Земли обеспечивает получение космических снимков с различными свойствами и параметрами. Так, космические снимки разного охвата и пространственного разрешения позволяют выявлять и изучать геосистемы разного иерархического уровня, оценивать взаимодействие объектов на разных по площади территориях. Кроме того, широкие возможности предоставляет использование разных спектральных диапазонов - видимого, ближнего, среднего и теплового инфракрасного, радиоволнового. Среди них космические снимки в тепловом инфракрасном диапазоне (тепловые космические снимки) занимают особое место.
Тепловой инфракрасный диапазон охватывает зону спектра 3-14 мкм. Меньшими значениями длины волны характеризуется средний инфракрасный диапазон (1-3 мкм), в котором фиксируется отражнное инфракрасное излучение земной поверхности, а большими - радиотепловой (14-1000 мкм), в котором преобладает собственное излучение атмосферы, а не земной поверхности. В диапазонах 3-5 мкм и 8-14 мкм находятся окна прозрачности атмосферы для теплового инфракрасного излучения. Максимум теплового излучения Земли приходится на интервал 10-12 мкм.
Тепловые космические снимки являются особым источником географической информации. На них находит отображение собственное тепловое излучение объектов земной поверхности. Для регистрации интенсивности теплового излучения используются оптико-механические и оптико-электронные тепловизоры, в которых происходит преобразование излучения географических объектов в электрические сигналы, их обработка и перевод в форму изображения. Интенсивность теплового излучения объектов не воспринимается человеческим зрением, однако человек воспринимает е через их температуру. Все природные и антропогенные объекты на поверхности Земли характеризуются собственным потоком теплового излучения, что обусловливает возможность их дистанционной регистрации в тепловом инфракрасном диапазоне. Важная ценность тепловых снимков - на них проявляются тепловые и излучательные свойства объектов, которые не могут быть выявлены на снимках других спектральных диапазонов.
Современные системы космической тепловой съмки фиксируют дискретные тепловые изображения, состоящие из элементарных ячеек -пикселов. Значения яркости, которые принимают пикселы тепловых космических снимков, представляют собой яркость. Яркость является безразмерной величиной, производной от величины интенсивности теплового излучения, измеряемой в Вт/м2 или в кал/(см2мин). При этом объекты земной поверхности могут иметь одинаковую температуру, но излучать с разной интенсивностью, Способность объектов излучать энергию на различных длинах волн называется излучательной способностью [Шовенгердт, 2010]. Излучательная способность зависит от физических свойств объекта, е сложно измерить. Яркость, регистрируемая при тепловой съемке, пропорциональна интенсивности теплового излучения и излучательной способности. Кроме того, в регистрируемом сигнале присутствует составляющая, принимающая разные значения в зависимости от длины волны регистрируемого сигнала. Наличие этой составляющей связано с рассеянием в атмосфере и е собственным тепловым излучением. В итоге прямой связи между значениями яркости на снимке, регистрируемой на снимках, и интенсивности теплового излучения объектов земной поверхности, в общем случае, нет - во-первых, необходимо учитывать излучательную способность объектов земной поверхности, а во-вторых, параметры атмосферы, находящейся между объектом земной поверхности и аппаратурой, регистрирующей его излучение [Поляков и др., 2009]. Значения яркости на снимках, полученных при схожих параметрах атмосферы, сопоставимы.
В свою очередь, интенсивность теплового излучения объектов может быть выражена через такое понятие, как их температура. Однако необходимо разделять вклад в яркостную температуру, связанный с температурой объектов, и вклад, связанный с излучательной способностью. Излучательную способность объектов часто считают постоянной, хотя это требует серьзного обоснования [Шовенгердт, 2010]. Но даже при этом для извлечения значений температуры из тепловых инфракрасных снимков необходимо, во-первых, знать параметры состояния атмосферы регистрируемой территории в момент регистрации (что далеко не всегда доступно), а во-вторых, для составления решаемой системы уравнений, необходимо иметь данные об интенсивности теплового излучения, зарегистрированные более чем в одном спектральном диапазоне. Разработке алгоритмов извлечения значений температуры из тепловых снимков посвящено множество работ [Sobrino et al., 2004; Yang et al., 2004; Tan et al., Land surface..., 2010; Li et al., 2013], этот вопрос интересует специалистов в области дистанционного зондирования Земли уже несколько десятилетий. В настоящее время это направление применения тепловых космических снимков является наиболее распространнным [Voogt et al., 2003; Weng, 2009], хотя результат очень сильно зависит от применяемого алгоритма, исходных данных, в частности, их полноты.
Итак, интенсивность теплового излучения объектов земной поверхности, зарегистрированная при тепловой съемке, очевидно, зависит от их физических, химических характеристик, от характеристик материалов, из которых изготовлены антропогенные объекты, от особенностей биохимических процессов, которыми характеризуются природные объекты. Эти свойства определяют место объектов в структуре геосистем, иерархическую соподчиннность геосистем, т.е. содержат важную качественную информацию о них, что определяет принципиальную возможность выявления на тепловых космических снимках географических объектов, в том числе природных и антропогенных геосистем, что и представляет интерес в настоящей работе.
Квантование разносезонных снимков - этап разработки методики
На любом тепловом снимке местность представлена различиями в яркости изображения как сочетание участков с разной интенсивностью теплового излучения. В современной науке есть термины для обозначения явления неоднородности распределения теплового излучения, однако, на наш взгляд, они не помогают до конца раскрыть суть явления. Так, В.И. Горный, Б.В. Шилин и Г.И. Ясинский используют термин "геотемпературное поле", которое на наш взгляд, подчеркивает количественный подход к извлекаемой из тепловых снимков информации [Шилин, 1980; Горный и др., 1993]. Это понятие охватывает, главным образом, не ландшафтные (т.е. географические) особенности территории, а геофизические. Так, например, указывается, что "геотемпературное поле зависит от количества энергии, поступающей на дневную поверхность, мощности и распределения источников тепла, тепловых свойств геологического разреза и законов их изменения"1, однако здесь не принимается во внимание влияние растительного на неоднородность теплового излучения. J.B. Campbell и R.H. Wynne для характеристики различий в яркости изображения объектов на тепловых снимках предлагают термин "тепловой ландшафт" (thermal landscape): "The thermal landscape is a composite of the familiar elements of surface material, topography, vegetation cover, and moisture. Various rocks, soils, and other surface materials respond differently to solar heating. Thus in some instances the differences in thermal properties [...] can be observed in thermal imagery" ("Тепловой ландшафт есть совокупность типов земной поверхности, рельефа местности, растительного покрова, условий увлажнения. Различные горные породы, почвы и другие типы земной поверхности по-разному реагируют на солнечное излучение. Таким образом, в отдельных случаях различия в тепловых свойствах объектов земной поверхности могут быть выявлены на тепловых снимках")2 [Campbell et al., 2011]. Однако в отечественной науке ландшафт как географическое явление характеризуется протяжнностью не только по горизонтали, но и по вертикали, а интенсивность теплового излучения, зафиксированная на тепловых снимках, это интенсивность теплового излучения только поверхности Земли или объектов, расположенных на ней. В нашей работе для обозначения неоднородности теплового излучения местности мы применяем термин "тепловое поле", который, с одной стороны, подчркивает излучательный характер этих неоднородностей, а с другой -физическую особенность теплового излучения, определнного во всех точках пространства и меняющегося во времени, т.е. имеющего свойства поля. Чем более неоднородна местность, чем больше разнообразие составляющих е природных территориальных комплексов, тем большей пространственной гетерогенностью обладает тепловое поле данной местности.
На формирование теплового поля местности очень большое влияние оказывает интенсивность солнечного излучения, которая меняется в суточном и сезонном ходе. Географические объекты характеризуются различными тепловыми и излучательными свойствами, следовательно, по-разному реагируют на изменение интенсивности солнечного излучения, что и фиксируется на тепловых снимках различиями в яркости изображения. Изменения интенсивности теплового излучения могут происходить и на многолетнем уровне при преобразовании среды под действием природных или антропогенных сил. Таким образом, интенсивность теплового излучения большинства географических объектов, а, следовательно, тепловое поле местности, обладает очень высокой изменчивостью. Информация о географических объектах, содержащаяся на одномоментном тепловом космическом снимке, представляет собой единовременный срез состояния теплового поля местности и подвержена влиянию случайных факторов. Использование нескольких тепловых космических снимков, подобранных таким образом, чтобы они иллюстрировали изменчивость теплового поля местности, позволяет в значительной степени избавиться от влияния случайных факторов.
Проведн основанный на тепловых космических снимках анализ изменений теплового поля местности, который позволил дифференцировать виды изменичвости по эффективности для дешифрирования природных и антропогенных геосистем. Изменчивость интенсивности теплового излучения проявляется как в суточном и сезонном ходе, так и в многолетнем. Многолетние изменения, как правило, однонаправленные, например, они могут быть связаны с антропогенным воздействием, влиянием стихийных природных сил и т.п., либо их цикличность проявляется только на весьма значительном промежутке времени. Напротив, сезонный и суточный ходы характеризуются видом изменчивости, близким к цикличному.
Наилучшим образом изучены суточные изменения, которые практически полностью связаны с различиями в интенсивности прямой солнечной радиации в ночное и дневное время, и, следовательно, с неравномерностью нагрева объектов земной поверхности в течение суток (в свою очередь, нагрев объектов влияет на интенсивность их излучения в тепловом диапазоне). На рис. 2.1 представлен график суточного хода интенсивности теплового излучения для равнинной природной территории при ясной безветренной погоде в летнее время в средних широтах, на рис. 2.2 - график суточного хода интенсивности теплового излучения отдельных объектов. Из графиков видно, что в течение суток можно выделить три основных состояния: максимальная интенсивность излучения большинства объектов в послеполуденное время; излучение накопленной за время солнечного сияния энергии в ночное время; слабые контрасты интенсивности теплового излучения объектов в предрассветные часы, что связано с отсутствием прямой солнечной радиации и истощением запасов накопленной за день тепловой энергии. Следует отметить, что при иных условиях атмосферы график будет иметь несколько иной вид - при значительной облачности максимум смещается ближе к вечеру в связи с влиянием рассеянной радиации; большое значение имеет скорость ветра. Влияние оказывает также рельеф (в горной местности существенное значение будет иметь затенение в долинах и экспозиция склонов), антропогенная преобразованность местности (в городе, в связи с эффектом острова тепла, будет иметь место интенсивное вечернее и ночное излучение) [Кислов и др., 2011].
Исследование возможностей выявления тепловой структуры местности по многовременным тепловым снимкам
Автором проанализировано большое количество тепловых космических снимков разных сенсоров на различные территории (съмочные системы ТМ, ЕТМ+, TIRS, ASTER; территории - городские: Москва, Киев, Нижний Новгород, Астрахань, Норильск и мн. др.; природные: север Московской обл., Зейский район Амурской обл., Быстринский район Камчасткого края, Южно-Курильский район Сахалинской обл., Мухоршибирский район Республики Бурятия и мн. др.), а также литературы, посвящнной свойствам тепловых снимков и особенностям информации, отображающейся на них [Jensen, 2000; Campbell et al, 2011] что позволяет утверждать следующее. Для любой территории можно наблюдать неоднородность распределения яркостной температуры (а, следовательно, интенсивности теплового излучения). Интенсивность теплового излучения объектов земной поверхности определяется их физическими и химическими свойствами, либо свойствами материалов, из которых они изготовлены (в случае антропогенных объектов), а также особенностями биохимических процессов (суммарная транспирация, изменение интенсивности процессов фотосинтеза и т.п.), которыми характеризуются объекты (в случае природных объектов). Распределение интенсивности теплового излучения на некоторой территории зависит, помимо интенсивности прямого солнечного излучения, от следующих факторов.
1. Распределение водных объектов и влажность грунтов. Вода обладает высокой тепломкостью. Водные объекты и объекты повышенной влажности медленнее, чем сухие объекты, реагируют на изменения температуры воздуха и интенсивности прямого солнечного излучения. Таким образом, при увеличении температуры воздуха, сухие объекты излучают сильнее, чем вода и увлажннные объекты. Наоборот, при падении температуры воздуха, сухие объекты излучают слабее, чем вода и увлажннные объекты. Отсюда следует такое явление, как пониженная интенсивность теплового излучения водных объектов на снимках, полученных в весенний период, а также повышенная интенсивность теплового излучения водных объектов на снимках, полученных в осенний период (особенно в предзимье).
2. Обилие растительности (мощность растительного покрова). Как и водные объекты, растительность хорошо опознаваема на тепловых космических снимках. В период активной вегетации растительность накапливает влагу, транспирирует (часто в таком случае говорят о так называемом суммарном испарении, т.е. испарении влаги с поверхности растений и транспирации влаги растениями), понижая свою температуру, кроме того, растения слабо поглощают солнечное излучение в тепловом инфракрасном диапазоне. Это приводит к тому, что в период активной вегетации растения отличаются пониженной интенсивностью теплового излучения. Ещ одной особенностью растительности (это касается главным образом лесной растительности) является формирование особого микроклимата, с которым связано препятствие активному выхолаживанию земной поверхности в зимнее время и затенение земной поверхности в летнее. Следовательно, на снимках, полученных в зимнее время, территории лесов выделяются повышенной интенсивностью теплового излучения по сравнению с безлесными территориями (лугами, сельскохозяйственными полями); на снимках, полученных в летнее время - наоборот. При этом, чем обильнее растительный покров, тем сильнее проявляются указанные особенности.
Следует отметить, что все вышеприведенные утверждения справедливы в первую очередь для здоровой растительности. При наличии болезней и других дефектов смягчающее влияние растительности снижается.
3. Наличие антропогенных объектов, сделанных из плотных материалов с низкой тепломкостью. Речь идт в первую очередь о таких материалах, как асфальт, бетон и железобетон, камень и тому подобных. Из таких материалов построена большая часть антропогенных объектов (жилые дома, производственные помещения, общественно-деловые центры, транспортные магистрали). Такие объекты обладают очень низкой тепломкостью, то есть они способны очень интенсивно накапливать солнечную энергию и очень интенсивно излучать. Следовательно, в тплое время года такие объекты будут отличаться повышенной интенсивностью теплового излучения. При прочих равных условиях, чем выше площадь поверхности таких объектов, тем интенсивнее будет излучение.
4. Тепловое загрязнение (выделение антропогенного тепла). Поскольку на тепловых космических снимках находит отображение тепловое излучение поверхности, мы в данном случае не рассматриваем тепловое загрязнение атмосферного воздуха. Тепло вырабатывается во время производственного процесса во многих отраслях промышленности. Это влияет на повышение интенсивности теплового излучения заводских корпусов, прилегающих территорий, а также водных объектов, куда производится сброс промышленных вод. К тепловому загрязнению можно отнести и влияние центрального отопления на интенсивность теплового излучения зданий. В зимнее время жилые районы отличаются повышенной интенсивностью теплового излучения, хотя она не настолько велика, как интенсивность теплового излучения других связанных с центральным отоплением объектов - теплоэлектроцентралей (ТЭЦ).
5. Собственное излучение Земли в областях проявления современного вулканизма, а также неравномерность интенсивности теплового излучения, связанная с геологическими особенностями территории. Источники собственного теплового излучения Земли чаще всего бывают представлены в трх видах: сольфатары, т.е. приуроченные к отверстиям в поверхности Земли - фумаролы - испарения сернистого газа, воды и углекислого газа; геотермальные источники, т.е. выходы на земную поверхность подземных вод повышенной температуры; вулканические извержения. Скопления сольфатар образуют сольфатарные поля, лишнные растительного покрова из-за ядовитых газов, что также влияет на повышение интенсивности теплового излучения этих объектов. Геотермальные источники формируют водные объекты (водотоки и водомы), характеризующиеся повышенной температурой воды природного происхождения. В зависимости от размеров этих водных объектов, а также температуры вод в них, приуроченные к ним участки повышенной интенсивности теплового излучения, различаются по размерам и степени выраженности. Скопления геотермальных источников образуют группы горячих источников. Извержения вулканов охватывают большие площади и серьзно преобразуют окружающий ландшафт. Неоднородности теплового поля территории могут быть связаны с особенностями геологического строения территории - месторождения некоторых минералов характеризуются повышенным потоком теплового излучения, кроме того, это может быть собственное тепло Земли без конкретных локальных выходов, например, в зонах разломов.
Выявление тепловой структуры природных территорий
В зоне очень высокой интенсивности теплового излучения находятся преимущественно городские районы, плотно застроенные коттеджные поселки и развязки крупных автодорог.
К зоне высокой интенсивности теплового излучения отнесена жилая застройка в дачных поселках, а также городская застройка с высокой степенью озеленения или в непосредственной близости к лесным массивам, оказывающим охлаждающий эффект.
В зоне средней интенсивности теплового излучения с повышенной интенсивностью в мае и пониженной в июне расположены земли сельскохозяйственного назначения и безлесные пространства (луга и пустыри). Характер изменения интенсивности теплового излучения объектов этой зоны отличается от характера изменения интенсивности теплового излучения других зон (в целом, схожих), что отражено в ее названии. Подобный ход интенсивности теплового излучения объясняется тем, что в мае распахиваемые сельскохозяйственные поля прогреваются быстрее других объектов. Поскольку открытый грунт обладает низкой тепломкостью, следовательно, он интенсивно излучает. В июне, когда поля покрываются культурами, наблюдается резкое понижение интенсивности теплового излучения.
Зоны пониженной интенсивности теплового излучения являются схожими по динамике и незначительно различающимися по интенсивности излучения, в связи с чем были помещены в одну группу. От первой к четвертой зоне интенсивность теплового излучения равномерно понижается.
В первую зону этой группы попали дачные участки и соседствующие с ними безлесные пространства. Ко второй зоне были отнесены открытые участки, находящиеся в непосредственной близости от леса. Третья зона пониженной интенсивности теплового излучения включает в себя опушки леса, а также участки леса вдоль железных и автомобильных дорог. К четвертой зоне, зоне самой низкой интенсивности теплового излучения, были отнесены лесные массивы и водоемы; эта зона охватывает более половины площади исследуемой территории.
Взаимосвязь тепловых зон и природных территориальных комплексов на данной территории следующая. Зона 1 - это техногенные геосистемы крупных промышленных предприятий, торговых и складских комплексов. С зоной 2 связаны антропогенные природные территориальные комплексы, для которых характерно более-менее существенное влияние объектов естественного характера, например, участки городской жилой, коттеджной застройки, а также зоны транспортной инфраструктуры. Зона 3 - это, в основном, антропогенные природные комплексы, для которых характерно более активное участие объектов естественного происхождения, а именно, комплексы садовых и дачных участков, жилые районы с высокой степенью озеленения. Для зоны 4 характерны природные и антропогенно-природные геосистемы, лишнные лесной растительности (луга, пустыри, сельскохозяйственные поля и т.п.). Зоны 5, 6, 7, 8 - это преимущественно природные геосистемы, либо антропогенное участие в них не слишком значительно. Так, к зоне 5 относятся отдельные массивы дачных участков, к зонам 6 и 7 - переходные геосистемы от леса к безлесным пространствам (6 - безлесные пространства, граничащие с лесами, 7 - опушки леса). Для зоны 8 характерны природные комплексы лесных массивов и водных объектов.
Вулкан Головнина является самым южным вулканом Курильских островов, представляет собой кальдеру, действующий. Диаметр кальдеры 4 4,5 км, самая высокая точка края кальдеры - г. Головнина, 541 м, юго восточная часть кальдеры, самая низкая – на дне озера Горячего, 67 м. В кальдере находятся 2 озера: озеро Горячее и озеро Кипящее. Днище кальдеры плавно опускается к урезу озера Горячего, в центре кальдеры – два экструзивных купола: Центральный Восточный и Центральный Западный с максимальной высотой 276 м. Размеры озера Горячего – 2,5 км 1 км, глубина – более 60 м, отметка уреза – 129 м, Кипящего – 200 м 300 м, глубина 16 м, урез несколько выше, озра соединены каналом. Озеро Горячее сообщается с Охотским морем через ручей Озрный. Вода в обоих озрах отличается кислой реакцией и богата сульфатными соединениями. В центральной части озера Кипящего вода преимущественно хлоридного натриевого состава, pH = 3,7, температура воды около 30C. Для верхних слов озера Горячего характерны воды сульфатно-хлоридного натриево-кальциевого состава, pH = 3,0, температура воды около 18C. По берегам озр – множество сольфатар и серных источников [Козлов и др., 2009; Козлов и др., 2012]. Вода в Кипящем никогда не замерзает, озеро Горячее частично покрывается льдом в зимнее время. Растительный покров кальдеры весьма разнообразен и пстр для такой небольшой территории и представлен такими сообществами, как: бамбучник с редколесьем из ели Глена; леса из ели Глена; заросли кедрового стланика (главным образом, в центральной части кальдеры); широколиственные леса (в западной части кальдеры); смешанные хвойно-широколиственные леса (северная часть кальдеры); территории вокруг фумарол и серных источников практически лишены растительности [Ганзей, 2010]. Кальдера вулкана Головнина находится на территории Курильского заповедника и является объектом охраны федерального значения.
