Введение. В тепловом инфракрасном диапазоне (3-1000 мкм) регистрируется собственное излучение Земли, интенсивность которого зависит как от нагрева поверхности Солнцем

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 тепла[*] 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 –7,5^о, а летней – + 18,4^о, 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.

Материалы:

1. Многозональный космический снимок ASTER/Terra, полученный 4 мая 2001 г.:

а) в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах (зональные снимки с именами файлов: ast_msc_4mayB.tif, ast_msc_4mayG.tif, ast_msc_4mayR.tif).

б) в тепловом инфракрасном диапазоне (набор из изображений в пяти каналах теплового инфракрасного диапазона, имя файла: ASTER_Msc4may_TIR.img).

2. Зональный снимок ЕТМ+/Landsat-7 в тепловом инфракрасном диапазоне, полученный 4 мая 2001 г, (канал 6, участок спектра 10,4-12,5 мкм, пространственное разрешение 60 м, имя файла: L7_MscTIR.tif).

Радиометр ASTER установлен на космическом аппарате Terra, который был запущен в декабре 1999 г. на солнечно-синхронную полярную орбиту высотой 700 км. Он включает три различных подсистемы, осуществлявшие съемку в видимом и ближнем ИК диапазонах с разрешением 15 м, среднем ИК диапазоне (длины волн 1,6-2,4 мкм) с разрешением 30 м; система получения данных в тепловом ИК диапазоне, имеет 5 съемочных каналов и пространственное разрешение 90 метров. Ширина полосы съемки 60 км.

Спектральное и пространственное разрешение используемых снимков ASTER приведено в таблице:

	VNIR	TIR
№ канала
Длина волны (мкм)	0,52-0,60	0,63-0,69	0,76-0,86	8,125-8,475	8,475-8,825	8,925-9,275	10,250-10,950	10,950-11,650
Разрешение, м

Серия американских спутников для исследования Земли Landsat запускается с 1972 года, обеспечивая многократное покрытие снимками всей поверхности планеты. Спутник Landsat-7 был запущен в 1999 году, на нем установлен сканер ETM+ — с улучшенными, по сравнению с ТМ/Landsat-5, характеристиками: имеется панхроматический канал с разрешением 15 м, 6 каналов видимого и ближнего инфракрасного диапазонов с разрешением 30 м разрешение теплового канала 60 м (вместо 120 у сканера ТМ/Landsat-5). Размер кадра, получаемого сканерами спутников Landsat 185х185 км. Однако данные ЕТМ+/Landsat-7 поступали на Землю только до 31 мая 2003 г., когда на сканере ETM+ вышел из строя корректор («выпрямитель») линий сканирования. В настоящее время спутник предоставляет изображения Земли с полосами сбоев.

Программное обеспечение – свободно распространяемые программа обработки изображений MultiSpec и ГИС ILWIS.

Порядок выполнения работы.

1. Вывести на экран и рассмотреть изображение в тепловом канале снимка Landsat-7.

Действия в программе MultiSpec: File – Open (открыть файл) – L7_MscTIR.tif

Визуально разделить основные классы объектов, различающиеся по уровню яркости.

2. Вывести в другое окно изображение из тепловых снимков ASTER, выполнив цветовой синтез.

Действия в программе MultiSpec: File – Open (открыть файл) – ASTER_Msc4may_TIR.img, выбрать 3 любых зональных снимка для цветового синтеза.

3. Вывести в третье окно многозональный снимок ASTER в видимом диапазоне с разрешением 15 м, выполнив цветовой синтез.

Действия в программе MultiSpec: Создать из трех файлов снимков ASTER в видимой и ближней инфракрасной зонах один многозональный файл: открыть первый файл File – Open – ast_msc_4mayB.tif; присоединить два других файла: повторить операцию «открыть файл» – отметить окошко Link to Active image window (Привязать к открытому окну с изображением) – указать второй файл ast_msc_4mayG.tif – указать третий файл ast_msc_4mayR.tif – отказаться от добавления каналов к открытому многозональному файлу (Cancel). Для вывода цветного синтезированного изображения: Processor – Display image – Set display specification for – Display – Type – 3 Channel Color (цветной синтез) – указать номера трех каналов.

4. Расположить рядом окна с тепловыми снимками ETM+/Landsat-7 и ASTER/Terra, сравнить изображения, выделив различающиеся по цвету и уровню яркости объекты. Найти примеры объектов, которые лучше видны на тепловом снимке Landsat, благодаря более высокому пространственному разрешению. Выделить (отметить) «цветные объекты» на синтезированном многозональном тепловом снимке ASTER. Для облегчения распознавания объектов воспользоваться цветным снимком в видимом диапазоне с более высоким пространственным разрешением.

Сравнить изображение городской территории на снимке в видимом диапазоне и на любом из тепловых и заполнить таблицу.

Cравнение тепловых снимков ETM+/Landsat-7 и ASTER/Terra

Объекты, лучше различимые на тепловом снимке ETM+/Landsat	Объекты, лучше различимые на тепловом многозональном снимке ASTER/Terra
Наиболее «горячие» объекты на обоих снимках
Наиболее «холодные» объекты на обоих снимках

5. Преобразовать тепловой снимок Landsat путем квантования (разделения) диапазона яркостей на несколько ступеней по уровню яркости, пользуясь средствами программного комплекса ILWIS

Действия в программе ILWIS:

4.1. Открыть снимок двойным щелчком левой кнопки мыши (растровому снимку соответствует значок .

Рис. 1. Основное меню программы ILWIS в краткой форме     Из левого столбца окна программы – списка функций выбрать Import /Export – Import General Raster. В открывшемся диалоговом окне указать формат импортируемого файла – tiff, задать имя импортируемому файлу – ОК. В результате может получиться несколько файлов (если исходный файл содержал сведения о координатной привязке) или один со значком , указывающим на изображение в растровом формате. Файл может быть открыт из контекстного меню (правая кнопка мыши) или двойным щелчком мыши на имени файла. Во время его открытия создается файл статистических характеристик этого изображения (гистограмма), отмеченный значком .

5.2. Просмотреть гистограмму снимка, открыв файл, отмеченный значком .

Окно гистограммы делится на 4 поля (рис.2), обозначенные на рисунке цифрами: поле 1 – графическое представление гистограммы распределения яркостей всех пикселов снимка: по горизонтальной оси – значение яркости, по вертикальной – число пикселов; поле 2 – представляет полную гистограмму в числовом виде: в первом столбце – значения яркости, совпадающее с порядковым номером записи, во втором – количество пикселов изображения с этим значением яркости, в третьем - доля пикселов каждого уровня в %; в остальных столбцах те же величины, но не по каждой ступени, а их кумулятивное значение (т.е. просуммированное со всеми предыдущими); поле 3 – краткая сводка основных количественных параметров гистограммы; в поле 4 – сводка основных характеристик гистограммы: среднее, медиана, среднеквадратическое отклонение, диапазоны яркостей снимка, содержащие 100% всех значений, 99.5, 99 и 98%.

Рис.2 Окно гистограммы изображения, цифрами 1-4 обозначены отдельные поля, объясняемые в тексте

5.3. Опираясь на характеристики гистограммы, разделить весь диапазон яркостей теплового снимка на несколько ступеней. Рекомендуемые значения: общее число ступеней 7:

0-98 – минимальные значения яркости - наиболее «холодные» объекты;

99-107 – низкие значения яркости – «холодные» объекты, занимающие большую площадь на снимке (левый пик гистограммы);

108-112 – близкие к средним значения яркости – умеренно «холодные» объекты;

113-121 – середина гистограммы – средние значения;

122-130 – значения яркости немного выше среднего - умеренно «теплые» объекты;

131-141 – значения яркости заметно выше среднего – «теплые» объекты;

142 – 217 – максимальные значения яркости – «горячие» объекты.

Выделенные диапазоны яркостей преобразуются в легенду будущей «карты» квантования путем создания файла Domain.

5.4. Выполнить квантование исходного снимка, разделив весь диапазон яркостей на 7 намеченных ступеней

Действия в программе: Наведя курсор на файл с изображением, вызвать контекстное меню: Image Processing – Slicing (Обработка изображений – квантование)

В открывшемся новом окне задать имя создаваемого файла и нажать на значок создания новой легенды (домена - Domain) карты (показан стрелкой на рис.3), задав также и соответствующее имя файла. В открывшемся окне задания свойств домена отметить значками Class и Group   Рис. 3. Окно операции квантования

В результате этих действия откроется окно создания шкалы квантования (рис. 4)

Рис. 4. Окно формирования списка классов

Используя значок + в окне или клавишу Insert, ввести значения верхних границ ступеней яркости (Upper Bound), начиная с наименьших значений. Обозначить номер каждой ступени (Class Name). Можно на этом же этапе задать заливку ступеней шкалы: при нажатии на значок «палитры» откроется новое окно “Representation Class” (Цветовое оформление) (рис. 5). Заданные классы по умолчанию имеют произвольные цвета.

Рис. 5. Окно формирования цветового оформления

Для улучшения восприятия результата квантования изображения присвоить ступеням шкалы цвета от холодных синих до теплых красно-коричневых.Изме­нить цвет каждого класса можно несколь­кими путями: двойным щелчком на шашке соответствующего класса, открыть меню выбора цвета (рис.6): Рис. 6. Окно выбора цвета или воспользоваться цветными полосами (красный-зеленый-синий), изменяя при помощи перемещения стрелок соотношение основных цветов.

По завершении операции задания границ классов и их цветового оформления оба окна закрыть (сохранение введенных данных происходит автоматически). Вернуться в окно настройки операции квантования (Slicing) (Рис. 3), где для выполнения операции квантования нажать «Show» (показать).

6. Сопоставить результаты квантования теплового снимка с изображением на детальном цветном синтезированном снимке и при необходимости картой города. Указать объекты, относящиеся к каждому из кластеров, заполнив таблицу соответствия.

Результат выполнения работы:

1. Таблица визуального сравнения тепловых снимков ETM+/Landsat-7 и ASTER/Terra

2. Результат квантования теплового снимка в выбранной цветовой шкале

3. Таблица соответствия выделенных кластеров городским объектам.

[*] Под городским островом тепла понимается явление повышения температуры в городской черте относительно окружающих пригородов на величины до нескольких градусов.

Дата добавления: 2015-04-25