Тема: ГЕОПРОСТРАНСТВЕННО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОСТРОВА ТЕПЛА ТОМСКА ПО ДАННЫМ LANDSAT 8
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
📋 Содержание
1. ВВЕДЕНИЕ 4
Актуальность исследования: 4
Задачи исследования: 6
Объектом исследования 6
Предмет исследования 6
Практическая значимость исследования: 7
2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
2.1 Понятие и Типы Городских Тепловых Островов 8
2.2 Атмосферный Городской Остров Тепла (Атмосферный-UHI) 9
2.3 Поверхностный Городской Остров Тепла (Surface-UHI) 9
2.2 Причины UHI 10
2.3 Глобальное значение Исследования UHI 11
2.4 Дистанционное зондирование и исследование UHI 13
2.5 Исследования UHI в России 16
2.5.1 Исследование UHI в городе Томске 17
3. МЕТОД 19
3.1 Материал и метод при получении наборов данных 19
3.2 Предварительная обработка спутниковых изображений 21
3.3 Обработка и анализ спутниковых снимков 22
3.3.1 Расчет нормализованной разницы растительности (NDVI) 22
3.3.2 Расчет коэффициента излучения поверхности земли (г) 22
3.3.3 Вычисление LST 22
3.3.4 Определение пространственной автокорреляции LST 23
4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 27
4.1 Представление Результатов 27
4.2 Обсуждение Результатов 36
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 41
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 44
ПРИЛОЖЕНИЕ А 50
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 52
ПРИЛОЖЕНИЕ В 53
ПРИЛОЖЕНИЕ Г: 54
📖 Введение
В ходе своих наблюдений в Лондоне, Англия, в 1833 году Люк Говард, британский химик и метеоролог-любитель, выявил значительные температурные контрасты между городской и сельской средой, что привело к первой систематической документации и формальной концептуализации UHI [Badugu и др., 2023; Diem и др., 2024; Zhang, Tu, Shi, 2023].
Последующие исследования расширили основополагающую работу Говарда, выделив две основные классификации UHI: атмосферный городской тепловой остров («атмосферный-UHI»), измеряемый по температуре приповерхностного воздуха, и поверхностный городской тепловой остров («SUHI» или «поверхностный-UHI»), количественно определяемый по температуре поверхности земли, полученной с помощью теплового инфракрасного дистанционного зондирования [Badugu и др., 2023; Hajto и др., 2025; Lokoshchenko, Enukova, Alekseeva, 2023; Zhang, Tu, Shi, 2023].
Актуальность исследования:
В настоящее время феномен UHI находится в центре внимания научных исследований и политических дебатов из-за его значительного негативного влияния на городской климат [Yadav и др., 2023]. Последствия UHI распространяются на общественное здравоохранение, энергопотребление, городское планирование и общую устойчивость городов [Badugu и др., 2023; Diem и др., 2024; Hajto и др., 2025]. Отрицательное влияние UHI на здоровье населения подтверждается тем, что UHI усиливает связанную с жарой заболеваемость, особенно в городских центрах [Hajto и др., 2025], так происходит из-за того, что во время тепловых волн факторы урбанизации усиливают явление UHI [Oke и др., 2017; Yadav и др., 2023].
В результате усиленное воздействие UHI приводит к увеличению не только острых заболеваний, таких как тепловое истощение и тепловой удар, но и хронических, включая сердечно-сосудистые и респираторные заболевания, и даже к смерти в случае достаточно сильных волн тепла [Hidalgo-Garcia, Arco-Diaz, 2022]. Например, во время волны тепла 2010 года в Европейской России риск смерти от теплового стресса был более вероятен в городах с населением более 500 тысяч человек [Maksimenko и др., 2024]. Аналогичным образом, в США влияние тепла ежегодно умирает более 1500 человек - больше, чем от других опасных погодных явлений [Hsu и др., 2021].
В своем исследовании Cleland и др., [2023] не только показали, что высокая интенсивность UHI коррелирует с ростом сердечно-сосудистых заболеваний, но и выделили уязвимые группы, добавив, что на области/зоны с высокой интенсивностью UHI приходится 35% от общего бремени сердечно-сосудистых заболеваний, связанных с жарой, тогда как на области с низкой интенсивностью UHII приходится 4% (у взрослых в возрасте 65 лет и старше). Одновременно с этим UHI снижает тепловой комфорт, вызывая повышенное потребление энергии на охлаждение в теплые месяцы, а также усугубляет загрязнение воздуха, задерживая твердые частицы в застойных атмосферных условиях и ухудшая качество воздуха [Diem и др., 2024; Le, Bakaeva, 2023; Lokoshchenko, Enukova, Alekseeva, 2023; Santamouris и др., 2015].
Актуальность настоящего исследования подкрепляется тем фактом, что предыдущие исследовании Svarovsky, Starchenko, [2021] сфокусированы только на атмосферном UHI, оставляя значительный пробел в отношении поверхностного UHI, что особенно важно, учитывая тот факт, что тепловое излучение от непроницаемых поверхностей объясняет 40-50% интенсивности летнего UHI в Томске [Dudorova, Belan, 2016]. В дополнение к этому, в литературе недостаточно данных о динамике между землепользованием и поверхностными очагами UHI в Томске, несмотря на недавнее развитие технологии дистанционного теплового зондирования и политику выдачи открытых данных, которая обеспечивает высокое пространственное разрешение и непрерывные данные, которые могут информировать о стратегиях смягчения последствий и обеспечить преимущества в области общественного здравоохранения, городского планирования и энергосбережения. [Diem и др., 2024; Tepanosyan и др., 2021]
Целью данного исследования - изучить применимость геопространственного анализа, статистического анализа и машинного обучения Random Forest при исследовании летнего острова тепла Томска по данным дистанционного зондирования спутника Landsat 8.
Задачи исследования:
1. Собрать мультиспектральные и тепловые инфракрасные изображения Томска со спутникового сенсора Landsat 8 и провести их предварительную обработку.
2. Определить пространственное распределение температуры поверхности земли Томска.
3. Выявить скопления высоких значений LST (горячие точки городского теплового острова) и низких значений LST (холодные точки) и их статистический уровень достоверности.
4. Определить и проанализировать относительное влияние факторов землепользования на кластеризацию температуры поверхности земли (с использованием машинного обучения - алгоритма Random Forest).
5. Количественно оценить интенсивность поверхностного UHI.
Объектом исследования является приземный городской остров тепла в городе Томске, Россия, летом 2013 и 2023 года.
Предмет исследования - анализ приземного городского острова тепла на основе температуры поверхности земли, полученных по спутниковым данным Landsat 8.
Научная новизна исследования заключается в следующих главных инновациях:
1. Данное исследование сосредоточено на поверхностном, а не атмосферном UHI - явлении, которое ранее изучалось в Томске на основе модели WRF [Svarovsky, Starchenko, 2021a; Svarovsky, Starchenko, 2021b]. Таким образом, данное исследование призвано восполнить критический пробел в литературе по исследованию городской климатологии (UHI поверхности), что особенно важно, учитывая тот факт, что тепловое излучение от непроницаемых поверхностей объясняет 40-50% интенсивности летнего UHI в Томске [Dudorova, Belan, 2016].
2. Интеграция современных геопространственных технологий и методов машинного обучения. В методологическом плане в исследовании используется смешанная аналитическая схема: пространственная статистика и машинное обучение. Пространственная автокорреляция оценивается глобально на основе индекса Морана I и локально на основе статистики Getis-Ord Gi*, что позволяет выявить статистически значимые кластеры с высоким уровнем LST (горячие точки UHI на поверхности) и низким уровнем LST (холодные точки), в то время как инструмент зонального статистического наложения используется для определения изменчивости LST в зависимости от класса городского землепользования, а машинное обучение (алгоритм случайного леса) используется для количественной оценки относительного влияния предикторов (например, растительного покрова, застроенных территорий) на кластеризацию LST.
Практическая значимость исследования:
Результаты данного исследования могут иметь важное практическое значение в различных областях. В здравоохранении результаты данного исследования, то есть геопространственное распределение скоплений высоких значений LST, могут быть наложены на демографические данные, что позволит выявить уязвимые группы населения.
Это позволяет выявить уязвимые группы населения, что помогает в профилактике или упреждающем управлении риском заболеваний, связанных с жарой. В городском планировании результаты выявления кластеров с высоким уровнем температуры поверхности земли (LST) могут служить ориентиром для определения приоритетности инициатив по озеленению.
Кроме того, эти результаты могут быть использованы для внедрения специальных строительных норм и правил, направленных на снижение поглощения тепла и повышение теплового комфорта в районах, определенных как кластеры с высоким уровнем LST.
Методологическая основа исследования, находящаяся в открытом доступе, обеспечивает глобальную воспроизводимость. Города в аналогичных бореальных и субарктических условиях могут адаптировать рабочий процесс для составления карты Поверхность UHI и разработки локальных стратегий смягчения последствий.
✅ Заключение
Помимо расширения знаний об изменении приземной температуры в среднем городе Западной Сибири (Томске), характеризующемся влажным континентальным климатом (Dfb), данное исследование демонстрирует инновационное применение данных с открытым исходным кодом: мультиспектральных и тепловых изображений дистанционного зондирования Landsat 8 для разработки недорогого и в то же время высокоэффективного анализа как пространственных характеристик поверхностного UHI, так и его величины, а также количественной оценки важности факторов поверхностного UHI.
Применение дистанционного зондирования, геопространственных технологий и машинного обучения для анализа городской жары.
Данное исследование еще раз подчеркивает применение дистанционного зондирования, пространственной статистики и машинного обучения (случайный лес) для определения характеристик поверхностного UHI и сложных линейных и нелинейных взаимосвязей со спектральными индексами землепользования (например, NDVI - растительность и NDBI - непроницаемые поверхности).
Это приложение подчеркивает критическое понимание того, как различные типы землепользования и почвенно-растительного покрова влияют на динамику городского тепла, что имеет значительные последствия для здоровья населения, использования энергии и городского планирования.
Интенсивность поверхностного городского острова тепла (SUHI)
Наблюдаемая интенсивность поверхностного городского острова тепла (SUHI) в городе Томске в летний период выявила разницу температур между городской и пригородной зонами в 1.9°C. Это свидетельствует о значительном эффекте SUHI, который может оказывать негативное воздействие на здоровье людей, энергопотребление и окружающую среду. Эти результаты могут быть использованы в городском планировании и процессах принятия решений по смягчению последствий.
Геопространственное распределение основных поверхностных UHI (городских горячих точек), демонстрирующих высокие кластеры LST с вероятностью 99%: Исследование выявило конкретные районы города Томска, которые более уязвимы к тепловому стрессу, некоторые из них находятся в общественно-деловых центрах (торговые центры - Смаил City, , Измурудный Город и Томский Государственный Архитектурно-строительный Университет), что указывает на возможную необходимость дальнейшего мониторинга и целенаправленных стратегий по снижению воздействия тепла, эти места могут оказывать негативное влияние на здоровье человека, например, тепловой стресс.
Корреляция между основными поверхностными очагами UHI и конкретными классами LULC подчеркивает критическую проблему городской среды в Томске: плотно застроенные районы (городские ядра) и участки с голой почвой не имеют зеленых насаждений или водоемов, которые могли бы смягчить тепловой удар с помощью таких процессов, как испарение. Выявление основных поверхностных UHI в Томске, в частности их связь с промышленными и торговыми центрами, имеет решающее значение для разработки эффективных целевых стратегий, направленных на снижение теплового эффекта в городах, таких как озеленение кровель или сокращение использования строительных материалов на основе асфальта.
В целом, преобладающее присутствие поверхностных UHI в районах плотной застройки и их отсутствие в растительности и водных поверхностях может быть использовано в градостроительных мероприятиях, путем включения зеленых насаждений и водоемов для снижения теплового стресса в местах, где наблюдались поверхностные UHI, например, в индустриальных парках.
Будущие исследования: несмотря на ограничения данных из-за облачности и эффекта альбедо зимнего снега, для дальнейшего развития темы исследования в будущем следует:
1. расширить выборку случаев с использованием данных Landsat 9 для более детального анализа сезонной и межгодовой динамики SUHI.
2. интегрировать в прогнозные модели другие параметры, такие как демографическое пространственное распределение (для получения информации о уязвимых группах и здоровье населения) и параметры трехмерной городской морфологии (например, коэффициент видимости неба).
2. смоделировать временную и пространственную эволюцию SUHI в сценариях изменения климата. Результаты данного исследования могут иметь важное практическое значение в различных областях. В здравоохранении результаты данного исследования, т.е. геопространственное распределение высоких значений LST, могут быть наложены на демографические данные для выявления уязвимых групп населения. Это позволит выявить уязвимые группы населения, что поможет в профилактике или упреждающем управлении риском заболеваний, связанных с жарой.
В городском планировании результаты (LST) могут служить руководством для определения приоритетов инициатив по озеленению. Кроме того, эти результаты могут быть использованы для внедрения специальных строительных норм и правил для снижения поглощения тепла и улучшения теплового комфорта в районах, определенных как кластеры с высоким уровнем LST.
Методологическая основа исследования, в котором используются данные и инструменты анализа с открытым исходным кодом, находится в открытом доступе, что гарантирует легкость доступа и воспроизводимость. То есть города с похожими условиями могут адаптировать рабочий процесс для составления карты поверхностного UHI и разработки своих локализованных целевых стратегий по снижению воздействия.



