Analysis of the land surface temperature of the city of Saransk using satellite images

Full Text

В исследованиях и мониторинге окружающей природной среды, обеспечении экологической безопасности, при создании различных оперативных карт широко используются новые технологии и результаты дистанционного зондирования Земли [3; 6–8]. Множество соответствующих возможностей предоставляется посетителям специализированных сайтов и сервисов – источников дистанционного зондирования Земли в разных странах, включая выбор из фонда различных космических снимков с разным пространственным разрешением снимков, разным набором файлов, разными возможностями их дальнейшего использования.

 

Рис. 1. Интерфейс сайта геологической службы США [10].

 

Так, на сайте геологической службы США [10] можно скачать космоснимки, среди которых есть отдельная группа снимков Ландсат (Landsat), содержащие и информацию о температуре приземного слоя (см. рис. 1). Такие снимки помечены префиксом ST («Surface temperature»).

Температура воздуха играет важную роль в географических исследованиях и практической деятельности. Она влияет на климат, распределение растительности, животных, а также на жизнедеятельность человека. Точные данные о температуре помогают ученым прогнозировать погоду, выявлять изменения в климате и принимать необходимые меры для защиты окружающей среды и обеспечения комфортных условий для жизни [5; 8].

В соответствии с нашими задачами, на сайте геологической службы США [10] выбираем и скачиваем космоснимки Ландсат с префиксом ST, содержащие и информацию о температуре приземного слоя (см. рис. 2).

 

Рис. 2. Выбор снимков, представляющих собой информацию о температуре приземного слоя.

 

Чтобы исследовать температуру земной поверхности, нам необходим файл с ST_B10. Но применить его напрямую нельзя, так как нам не подходят используемые единицы измерения температуры – в данном файле температура земной поверхности измеряется в кельвинах. Поэтому стоит задача преобразовать исходные данные в градусы Цельсия. Сделать это можно разными способами. Используем формулу, которая приводится в методике по определению температуры поверхности по космоснимкам [4].

В данной инструкции приведено теоретическое обоснование формулы для вычисления температуры земной поверхности по космоснимкам Ландсат:

${\mathrm{LST}}_{\mathrm{r}}\mathrm{escaled}={\mathrm{B}}_1{0}_{\mathrm{S}}\mathrm{T}*0.00341802+149-273.15$                                     (1)

где: LST_rescaled – слой, представляющий температуру земной поверхности в градусах Цельсия.

B_10_ST – исходный слой представляющий космоснимок Ландсат.

0.00341802 – Multiplicative scale factor (MSF, мультипликативный масштабный фактор).

149 – Addtive Offset (AO, аддитивное смещение) – специальное число, которое нужно добавить, чтобы получить температуру приземного слоя.

273.15 – коэффициент перехода от Кельвина к Цельсию.

 

Рис. 3. Загрузка исходных снимков в ГИС QGIS.

 

Анализ температуры земной поверхности для территории г. Саранска был выполнен в ГИС QGIS [9] (см. рис. 3). Космический снимок Ландсат [10], выполненный 30 августа 2024 г., был использован как исходный для данного исследования. Слой, представляющий температуру земной поверхности, получен с использованием инструментария ГИС QGIS [9] (калькулятор растров) (см. рис. 4).

 

Рис. 4. Настройка калькулятора растров для расчета температуры земной поверхности.

 

После преобразования и совмещения полученного слоя температуры земной поверхности с другими тематическими слоями, представляющими территорию г. Саранска, получена определенная геоинформационная модель (рис. 5). Тематические слои в ГИС можно менять или добавлять другие, получая разнообразные модели для дальнейшего исследования и анализа [2; 8].

 

Рис. 5. Модель температуры земной поверхности для территории г. Саранска на 30 августа 2024 г.

 

Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы.

Повышенные значения температуры земной поверхности относятся к открытым участкам местности, плотной жилищной застройке и промышленной зоне, а также к земельным участкам сельскохозяйственного назначения – полям. Участки озеленения в городе, занятые растительностью, в свою очередь, благоприятно влияют на среднюю температуру земной поверхности.

Применяя подобный рассмотренный подход для работы со снимками Ландсат, возможно решить ряд задач [1]:

• продемонстрировать, как нагревается асфальт в городе и насколько он влияет на общую температуру в районе;
• наглядно показать обратное – как положительно влияет озеленение на среднюю температуру;
• изучить концентрацию территорий с повышенной температурой;
• оценить, как изменяется температура на снимках, выполненных в разные даты и отметить температурные тренды.

Использование доступных для пользователей данных дистанционного зондирования Земли для целей изучения физических показателей, минуя полевые исследования, дает очень большие возможности не только при мониторинге антропогенного воздействия на застроенные территории, но и для научных исследований в области биологии, почвоведения, гидрографии, экологии, климатологии и др.

About the authors

Aleksandr V. Balaev

National Research Mordovia State University

Email: alexsbalaew@mail.ru

Магистрант второго года обучения направления подготовки 05.04.03 Картография и геоинформатика, профиль «Геоинформационно-картографическое обеспечение устойчивого развития территорий»

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Olga F. Bogdashkina

National Research Mordovia State University

Email: olga.fara@mail.ru

Старший преподаватель кафедры геодезии, картографии и геоинформатики

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Larisa G. Kalashnikova

National Research Mordovia State University

Email: lar_ka73@mail.ru

Кандидат географических наук, доцент кафедры геодезии, картографии и геоинформатики

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Aleksandr K. Kovalenko

Lenoblinventarization State Unitary Enterprise

Author for correspondence.
Email: alex_kow@mail.ru

Внешний пилот-аэрофотогеодезист

Russian Federation, 113/4 Nevsky ave., St. Petersburg 191024

References

Supplementary files