CC BY
164. Цифровые технологии и кибербезопасность в контексте распространения COVID19, 2020 / Департамент международного и регионального сотрудничества СП РФ [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ach.gov.ru/upload/pdf/Covid-19-digital.pdf (дата обращения: 21.06.2022).
5. Цифровая трансформация электроэнергетики России. - Ассоциация «Цифровая энергетика», 2020. - 33 c.
УДК 528.88
ОЦЕНКА ТЕПЛОВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ Г.О. САРАНСК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОЗОНАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ
Шабайкина Виктория Александровна Shabaikina Viktoriya Aleksandrovna
Аспирант Post-graduate student
Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева
National Research Ogarev Mordovia State University
Саранск, Россия Saransk, Russia
ASSESSMENT OF THERMAL POLLUTION OF SARANSK USING MULTI-ZONE SATELLITE IMAGES
Аннотация. В статье рассмотрены возможности применения многозональных космических снимков Landsat-8 для целей оперативного мониторинга и оценки теплового баланса на территории городской среды. Выполнен расчет поверхностной температур земли г.о. Саранск с помощью модуля Landsat Surface Temperature QGIS. Проведены анализ динамики изменения теплового баланса города в различные сезоны года в течение исследуемого периода.
На основе данных дистанционного зондирования Земли проведен анализ дифференциации температуры земной поверхности выделены площадные основные ареалы распространения тепловых аномалия на урбанизированной территории. Сделан вывод о зависимости размещения производственных зон города и территорий с наибольшими температурными значениями, предложены мероприятия, направленные на повышение комфортности городской среды.
Abstract. The article considers the possibilities of using multi-zone satellite images of Landsat-8 for the purposes of operational monitoring and assessment of the thermal balance in the urban environment. The calculation of the surface temperature of the earth of Saransk was performed using the Landsat Surface Temperature QGIS module. The analysis of the dynamics of changes in the heat balance of the city in different seasons of the year during the study period is carried out.
Based on the data of remote sensing of the Earth, the analysis of the differentiation of the temperature of the Earth's surface is carried out, the areal main areas of distribution of thermal anomalies in the urbanized territory are identified. The conclusion is made about the dependence of the location of the industrial zones of the city and the territories with the highest temperature values, measures aimed at improving the comfort of the urban environment are proposed.
Ключевые слова: многозональные космические снимки, дистанционное зондирование, мониторинг температуры, тепловой баланс, модуль Landsat Surface Temperature (LST), городская среда.
Keywords: multi-zone satellite images, remote sensing, temperature monitoring, thermal balance, Landsat Surface Temperature (LST) module, urban environment.
Введение. Современные городские ландшафты испытывают на себе все более возрастающее антропогенное воздействие, которое проявляется в преобразовании отдельных характеристик окружающей среды. Следствием высокой антропогенной нагрузки являются общее ухудшение геоэкологической ситуации, заключающееся в том числе в физическом загрязнении городского пространства.
В общем перечне видов физического воздействия на природные компоненты, выделяют тепловое загрязнение, которое представляет собой повышенное выделение тепла в окружающую среду, превышающее естественный уровень. Источниками теплового воздействия на природные компоненты городов являются предприятия промышленности и транспорт, деятельность которых сопровождается сжиганием ископаемых углеводородов, выделением тепла от работающих механизмов, а также повышенный уровень теплового излучения за счет нагрева солнечными лучами поверхности, лишенной растительного покрова.
Тепловое загрязнение является причиной усиления микроциркуляции атмосферы, изменения микроклимата и механизма движения загрязнений атмосферного воздуха, оказывает непосредственное негативное влияние на формирование негативных трансформаций гидрологического режима водных
объектов. На локальном и региональном уровнях тепловое воздействие может быть направлено непосредственно на живые организмы, в том числе человека, нарушать функционирование компонентов окружающей среды и геоэкосистемы в целом, а также приводить к усилению коррозии материалов и повреждению инженерных сетей.
Анализ нормативных документов, отражающих принципы и приемы санитарно-гигиенического нормирования окружающей среды, показал, что в настоящее время система нормирования теплового воздействия практически отсутствует. В настоящее время нормирование теплового загрязнения ограничивается нормативами, регулирующими тепловое загрязнение водных объектов, а также санитарно-гигиеническими требованиями к микроклиматическим характеристикам воздуха рабочей зоны [1, с. 15], к которым наряду с температурой отнесены относительная влажность воздуха, скорость его движения и интенсивность теплового излучения. К единственному, можно отнести требование к естественной температурой водного объекта
В связи с этим представляет интерес анализ возможностей формирования нормативов теплового загрязнения, а также мониторинг санитарно-экологических последствия изменения теплового баланса, направленных в том числе на обеспечение биоразнообразия и нормальных условий функционирования и развития экосистем.
В настоящее время особое значения для формирования комфортной окружающей среды на урбанизированных территориях имеет совершенствование методов анализа пространственных данных, методик обновления сведений о пространственных объектах. Проведенный обзор опыта современных исследований показывает, что непосредственное использование данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в целях анализа тепловых аномалий городской среды способствует решению многочисленных задач планирования городской инфраструктуры, позволяет оперативно осуществлять мониторинг теплового баланса города на основе архивных аэро- и космоснимков, оценивать площадные и количественные показатели [2, с. 192-211; 3, с. 379-382; 4, с.44-47; 5, с. 215-220].
Основная часть. В качестве территории для проведения исследования выбран городской округ Саранск - столица Республики Мордовия, расположенный в лесостепных ландшафтах центральной части бассейна реки Инсар. Саранск, являясь крупнейшим городом региона, обладает развитой экономикой с многоотраслевой промышленностью, включая предприятия светотехнической, оптоволоконной, химической, фармацевтической, агропромышленной отраслей, а также развитой транспортной системой.
Для подробного анализа пространственной дифференциации теплового баланса в городе и выявления количественных характеристик были использованы данные дистанционного зондирования -снимки Landsat 8 уровня 1 (Landsat Collection 1 Level-1 Tier). Архивные материалы ДЗЗ получены с официального сайта геологической службы США (https://glovis.usgs.gov), их обработка была произведена в программе QGIS 2.18.23 [6].
Для расчета тепловых характеристик в пределах границ города Саранск были обработаны снимки, выполненные в различные сезоны года в 2019-2021 гг. Выбор указанных временных дат связан с наличием материалов космофотосъемки на территорию исследования с характеристиками, достаточными для проведения анализа. В качестве исходных данных для выделения промышленных зон был использован генеральный план г.о. Саранск [7]
Обработка снимка производилась с помощью экспериментального модуля Landsat Surface Temperature (LST) QGIS 2.18.23. Имеющийся опыт мониторинга теплового баланса и измерения тепловых характеристик земной поверхности населенных пунктов показывает, что посредством используемого модуля успешно анализируются ареалы тепловых аномалий и их динамика [8, с. 34; 9, с. 50].
Цифровые данные при помощи модуля Landsat Surface Temperature были преобразованы в несколько этапов:
-определение показателя радиации (Radiance);
-расчет значения температурной яркости (Brightness Temperature);
-расчет вегетационного индекса NDVI;
-расчет излучательной способности земной поверхности - Emissivity;
-внесение атмосферных параметров (географических координат анализируемой территории, атмосферного давления, относительной влажности, высоты местности и приземной температуры) -расчет поверхностной земной температуры с помощью итоговой расчетной формулы LST:
LST=TB/[1 + (A*TB/c2 ) *ln (e),
где TB - температурная яркость
X - длинна волны излучения
c2=h*c/s=1.4388*10-2 m K
h - Постоянная Планка = 6.626*10-34 J s
s - Постоянная Больцмона = 1.38*10-23 J/K
c - скорость света = 2.998*108 m/s
е - излучательная способность земной поверхности
В результате выполнения алгоритма для анализируемых космических снимков получены растры, каждый пиксель которых содержит значение, описывающее температуру поверхности земли (разрешение пикселя - 30х30 м). Визуализация полученных расчетов и подготовка итоговых карт тепловых аномалий производилась в QGIS. Для проверки полученных в результате расчетов значений были использованы архивные данные о метеорологических характеристиках на даты съемки земной поверхности.
Рис. 1 - Карта температуры земной поверхности г. о. Саранск А) 18.06.2021 г. и Б) 02.12.2021 г.
Заключительный этап обработки снимков включал в себя выделение тепловых аномалий в пределах городского округа Саранск. Городскому микроклимату Саранска, как крупному урабанизационному образованию, характерен перепад средних температур на 1-2 °С, по сравнению с сельской местностью, в весенне-летний период. Наиболее низкие значения температуры для всех сезонов года совпадают с расположением водных объектов (прудов, рек, ручьев и т.д.) и лесопарковых зон, что объясняется высокой отражательной способностью водной поверхности и листвы.
В летнее время распределение температур земной поверхности (LST) г.о. Саранск представлено на примере 18 июня 2021 г. (рис. 1 (А)). Большинство крупных температурных положительных аномалий совпадает с расположением промышленных зон и много- и среднеэтажных жилых кварталов, а также главных транспортных магистралей городского округа. Это обусловлено в первую очередь большой площадью заасфальтированной поверхности, а также малой площадью и низкой продуктивностью растительного покрова.
При анализе распределения температур земной поверхности в зимнее время (рис. 1 (Б)), выделено несколько основных ареалов распространения тепловых аномалий. Наибольшие положительные значения характерны для северо-западной части городского округа (п. Озерный): пруды-отстойники на территории городских очистных сооружений, территория тепличного комплекса. Отдельные ареалы выделены и в других частях городского округа - в районе размещения Саранской ТЭЦ-2, а также крупных промышленных предприятий города.
Заключение. Полученные данные позволяют сделать вывод о зависимости расположения тепловых аномалия от размещения производственных объектов и транспортных зон в урабанизационной структуре г. Саранска. Оценка поверхностной температуры городских территорий, с помощью данных спутниковых снимков дает последовательную информацию за многолетний период, благодаря непрерывному функционированию, таким образом позволяя выявить направление и динамику изменений, существующих в городской среде.
Проведённые расчёты позволяют провести комплексную оценку эффективности мероприятий, направленных на повышение уровня человеческого комфорта. Основными направлениями по снижению негативных тепловых явлений являются реконструкция функционального зонирования территории, снижение доли искусственных поверхностей, сохранение и реконструкция существующих насаждений искусственного и естественного происхождения, формирование нового озеленения общего и ограниченного пользования, равномерно распределенного по территории города в соответствии с современными экологическими требованиями. Полученные в результате исследования данные могут
быть применены при обосновании градостроительных решений, ландшафтном планировании экологического каркаса города, оптимизации системы внутриквартального озеленения.
Библиографический список:
1.ГОСТ 12.1.005-88 Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.
2.Сарычев Д. В. Картографирование источников теплового загрязнения города Воронежа по данным спутниковых и наземных измерений // Экологическая оценка состояния воздушного бассейна крупных промышленных городов Центрального черноземья Сборник научных статей. Воронежский государственный университет, Воронеж, 2021. C. 192-211.
3.Шлендер Т. В., Жуковская Н. В., Бурченко Г. Д., Прокопчик Е. А., Чумаков Е. А. Изучение теплового загрязнения г. Минска в летнее и зимнее время года по данным спутника LANDSAT-8. Сахаровские чтения 2021 года: экологические проблемы XXI века, Минск, 2021. С.379-382.
4.Ян В. С., Филатова Е. П. Использование данных дистанционного зондирования при мониторинге экологического состояния территории города // Инструменты и механизмы природопользования России, Новосибирск, 2020. С. 44-47.
5.Волчек А. А., Мешик О. П., Оценка теплового загрязнения урбанизированных территорий методами дистанционного зондирования, Пермь, 2018. С. 215-220.
6.U. S. Geological Survey: Landsat Collection 1 Level 1 Product Definition. URL: https://www.usgs.gov/media/files/landsat-coUection-1-level-1-productdefinition (дата обращения : 01.09.2021).
7.Генеральный план г.о. Саранск [Электронный ресурс]: сайт Федеральной государственной информационной системы территориального планирования. - Режим доступа: https://fgistp/economy/gov/ru/ (дата обращения: 20.05. 2022).
8.Оценка температуры поверхности из снимка Landsat-8 при помощи Land Surface Temperature QGIS Plugin [Электронный ресурс] // GIS-Lab. 2011. - https://gis-lab.info/qa/vi.html.
9.Dempsey F. A Survey of Regional-Scale Blocking Patterns and Effects on Air Quality in Ontario, Canada. Atmosphere. 2018. 9. 10.3390/atmos9060226.
