Помощь студентам в учебе
АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ АНОМАЛИЙ ГОРОДА ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВЫХ СНИМКОВ
|
Введение 3
1. Теоретические основы изучения тепловых аномалий по данным
спутниковых снимков 6
1.1 Определение понятия городского острова тепла 6
1.2 Виды и источники получения спутниковых снимков 12
1.3 Виды излучений объектов на земной поверхности 19
2. Анализ территории 29
2.1 Общая характеристика застройки рукотворных
объектов 29
2.2. Ландшафтный анализ территории с точки зрения факторов
выделяющих тепловые аномалии 36
2.3. Программное обеспечение, используемое для анализа
территории 46
3. Построение карт Тепловых аномалий г. Казани 52
3.1 Предварительная обработка и коррекция данных 52
3.2 Построение карт тепловых аномалий и анализ полученных
результатов 58
Заключение 70
Список используемой литературы 73
Приложение
1. Теоретические основы изучения тепловых аномалий по данным
спутниковых снимков 6
1.1 Определение понятия городского острова тепла 6
1.2 Виды и источники получения спутниковых снимков 12
1.3 Виды излучений объектов на земной поверхности 19
2. Анализ территории 29
2.1 Общая характеристика застройки рукотворных
объектов 29
2.2. Ландшафтный анализ территории с точки зрения факторов
выделяющих тепловые аномалии 36
2.3. Программное обеспечение, используемое для анализа
территории 46
3. Построение карт Тепловых аномалий г. Казани 52
3.1 Предварительная обработка и коррекция данных 52
3.2 Построение карт тепловых аномалий и анализ полученных
результатов 58
Заключение 70
Список используемой литературы 73
Приложение
С 19 века за рубежом все чаще стали проводится работы по выявлению тепловых аномалий. Это было связано с резким снижением уровня комфорта жителей города. Благодаря спутниковым снимкам исследователи зафиксировали развитие эффекта «острова тепла» в городских условиях. Высокие температуры влияют на окружающую среду, как в летнее, так и в зимнее время. Из-за превышения нормального уровня температуры летом усугубляются заболевания сердечно-сосудистой системы, а влажность зимой влечет рост острых респираторных инфекций.
Искусственная не живая среда города изменяет температуру поверхности по сравнению с природным естественным ландшафтом. Этот факт является причиной геоэкологических исследований феномена «остров тепла» в городских условиях, для этой цели используют материалы тепловой съемки спутников.
Созданные картографические материалы на основе дешифрирования тепловых данных космической съемки, позволяют выделить объекты, оказывающие максимально сильное влияние на общую интенсивность теплового излучения. Присутствие на карте тепловых аномалий
свидетельствуют о наличие в городской среде областей экологической напряженности, влияющих на природно-техногенную структуру города и комфортное проживание горожан.
По сравнению с зарубежными странами, Россия значительно отстает в изучении городских тепловых аномалий. На территории Российской Федерации опубликовано менее десяти работ по данной тематике. В основном подобные исследования по изучению тепловых аномалий выполняются на территориях с высокой пожароопасностью или затрагиваются отдельной частью геологии.
Актуальность работы заключается в том, что на выбранной для изучения территории аналогичные исследования никогда не проводились. Казань обладает всеми условиями для проведения анализа тепловых аномалий в связи с тем, что она является городом-милллионником, где распространены: высокая плотность застройки, блокирующая воздушные потоки, большая транспортная нагрузка, малые площади древесных насаждений, развитая деятельность промышленных предприятий и других источников теплового загрязнения, вызывающих разницу температур урбанизированных территорий и естественных ландшафтов.
Так, в рамках выполненной работы были рассмотрены способы получения данных о размещении очагов тепловых аномалий при помощи спутниковых снимков.
Цель данной исследовательской работы заключается в построении карты тепловых аномалий города Казани с выявлением наиболее крупных очагов тепла, обосновании причин их возникновения и анализ температурных изменений в разный период времени при помощи данных спутниковых снимков.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
- построить карту тепловых аномалий г. Казани на основе спутниковых снимков в тепловом инфракрасном диапазоне Landsat8;
- выявить наиболее крупные острова тепла;
- проследить зависимость размещения ландшафтных объектов от застройки города;
- показать изменение температур поверхности земли в зимнее время;
- проанализировать динамику изменения тепловых аномалий г. Казань.
Объект исследования - тепловые аномалии.
Предмет исследования - способ выявления очагов тепла, анализ динамики изменения тепловых аномалий.
Базой для формирования карт тепловых аномалий являлась программа QGIS и дополнительными модулями для подсчета температуры поверхности земли на изучаемом участке. В качестве информационной использовались в большей мере работы зарубежных авторов по теме дистанционного зондирования влияния городского острова тепла и влияния на изменение температур города ландшафтных объектов Т.Р. Оке, П.Чжан, Р.Э Вулф, Л. Боуноу и др.
Структура выпускной квалификационной работы обусловлена содержанием и целями исследования. Включает в себя: введение; первую главу, посвященную теоретическим основам анализа и выявления тепловых аномалий, в трех параграфах; вторую главу объединяющую три параграфа рассматривающие факторы вызывающие появление островов тепла и способы из фиксации; третью расчетную главу, в которой применяется алгоритм по получению карт тепловых аномалий за разный период времени; заключение, список используемой литературы и 4 приложения, описанных на 70 страницах.
Искусственная не живая среда города изменяет температуру поверхности по сравнению с природным естественным ландшафтом. Этот факт является причиной геоэкологических исследований феномена «остров тепла» в городских условиях, для этой цели используют материалы тепловой съемки спутников.
Созданные картографические материалы на основе дешифрирования тепловых данных космической съемки, позволяют выделить объекты, оказывающие максимально сильное влияние на общую интенсивность теплового излучения. Присутствие на карте тепловых аномалий
свидетельствуют о наличие в городской среде областей экологической напряженности, влияющих на природно-техногенную структуру города и комфортное проживание горожан.
По сравнению с зарубежными странами, Россия значительно отстает в изучении городских тепловых аномалий. На территории Российской Федерации опубликовано менее десяти работ по данной тематике. В основном подобные исследования по изучению тепловых аномалий выполняются на территориях с высокой пожароопасностью или затрагиваются отдельной частью геологии.
Актуальность работы заключается в том, что на выбранной для изучения территории аналогичные исследования никогда не проводились. Казань обладает всеми условиями для проведения анализа тепловых аномалий в связи с тем, что она является городом-милллионником, где распространены: высокая плотность застройки, блокирующая воздушные потоки, большая транспортная нагрузка, малые площади древесных насаждений, развитая деятельность промышленных предприятий и других источников теплового загрязнения, вызывающих разницу температур урбанизированных территорий и естественных ландшафтов.
Так, в рамках выполненной работы были рассмотрены способы получения данных о размещении очагов тепловых аномалий при помощи спутниковых снимков.
Цель данной исследовательской работы заключается в построении карты тепловых аномалий города Казани с выявлением наиболее крупных очагов тепла, обосновании причин их возникновения и анализ температурных изменений в разный период времени при помощи данных спутниковых снимков.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
- построить карту тепловых аномалий г. Казани на основе спутниковых снимков в тепловом инфракрасном диапазоне Landsat8;
- выявить наиболее крупные острова тепла;
- проследить зависимость размещения ландшафтных объектов от застройки города;
- показать изменение температур поверхности земли в зимнее время;
- проанализировать динамику изменения тепловых аномалий г. Казань.
Объект исследования - тепловые аномалии.
Предмет исследования - способ выявления очагов тепла, анализ динамики изменения тепловых аномалий.
Базой для формирования карт тепловых аномалий являлась программа QGIS и дополнительными модулями для подсчета температуры поверхности земли на изучаемом участке. В качестве информационной использовались в большей мере работы зарубежных авторов по теме дистанционного зондирования влияния городского острова тепла и влияния на изменение температур города ландшафтных объектов Т.Р. Оке, П.Чжан, Р.Э Вулф, Л. Боуноу и др.
Структура выпускной квалификационной работы обусловлена содержанием и целями исследования. Включает в себя: введение; первую главу, посвященную теоретическим основам анализа и выявления тепловых аномалий, в трех параграфах; вторую главу объединяющую три параграфа рассматривающие факторы вызывающие появление островов тепла и способы из фиксации; третью расчетную главу, в которой применяется алгоритм по получению карт тепловых аномалий за разный период времени; заключение, список используемой литературы и 4 приложения, описанных на 70 страницах.
По итогам исследовательской работы можно сделать вывод, что из выделенных факторов, влияющих на возникновение тепловых аномалий, антропогенные преобразования имеют наибольший коэффициент воздействия на температуру в городе. Трансформация естественного пространства в виде преобразования территории под жилые комплексы ведет к сильным изменениям атмосферы. С увеличением численности населения расширяется и область строительства. Чем плотнее застройка, тем выше риск появления очагов тепла. Геометрия зданий влияет на воздушные потоки, покрытия крыш и дорог, увеличивает поглощение тепла. Автомобильный транспорт приводит к избытку загрязняющих веществ в атмосфере, постоянная работа промышленных объектов и отопление зданий, из-за большого потребления энергии, изменяют температуру вокруг. Наличие рекреационных и парковых зон позволяет стабилизировать общее состояние окружающей среды, так как над ландшафтными объектами возникают нисходящие потоки, с ними теплый воздух и пылеватые частицы задерживаются, а прохладный и очищенный атмосферный воздух попадает на соседнюю жилую территорию. Однако на современном этапе превышение температуры поверхности земли составляет более 10°С.
Коэффициент излучения является важным фактором, на основе которого может быть выполнен анализ растительного покрова и его временной динамики. Данные многозональной съемки LANDSAT с пространственным разрешением 30 м могут быть эффективно использованы для вычисления коэффициента излучения поверхности. Благодаря спутниковым снимкам в тепловом инфракрасном диапазоне можно выявить основные очаги тепла, проследить их изменения за большой период времени и построить карту тепловых аномалий на любой территории. Полученный материал будет служить основой для будущих исследований, связанных с температурой поверхность земли.
Казань, город-миллионник, хорошо походит для подобных исследований. В рамках выполненной работы главным результатом служат ряд построенных на основе спутниковых снимков в тепловом инфракрасном диапазоне Landsat8 карт:
- Карта тепловых аномалий в зимний период 2018г.;
- Карта очагов тепловых аномалий г. Казани за 26 мая 2018г 2018г,; .
- Карта динамики тепловых аномалий города Казани 2014-2018г.
Путем их дешифрирования был произведен детальный разбор крупных очагов тепла в районах с их наибольшим покрытием; показано изменение температур поверхности земли в зимнее и летнее время; выполнен анализ изменения очагов тепла за четыре года. Для удобного представления всех полученных данных была использована свободная кроссплатформенная геоинформационная система QGIS с дополнительным модулем Semiautomatic classification plugin.
Дальнейшие исследования по этой теме будет посвящены использованию информации, полученной в ходе аналогичных исследований в проектировании городского пространства. Городской микроклимат является одним из ключевых факторов, влияющих на энергопотребление зданий и тепловой комфорт для пользователей. Если здания должны достичь высокого уровня энергетической эффективности, то планирование должно начинаться с предоставления лучших граничных условий для их строительства. Инновационные исследования в области проектирования энергоэффективных зданий и их систем активно ведутся в настоящее время. Ожидается, что в будущем городское планирование с учётом микроклимата будет ключевым элементом для достижения энергоэффективного развития городских регионов.
В ходе проведённого нами исследования, сделаны следующие выводы:
1) На данный момент выполненная работа, посвященная тепловым аномалиям, является единственной в Казани. Подобные исследования часто
проводятся за рубежом, а в Российской Федерации эта тема освещена незначительно;
2) Установлено, что в зимнее время над городом образуется один большой очаг тепла. Это связано большим потреблением энергии в зимнее время. Разница температур за февраль 2018г. составила 8°С;
3) Используя теоретические данные, было доказано, что основными очагами тепла являются промышленные и общественные центры. Было выявлено 32 крупных очага тепла на территории Ново-Савиновского и Вахитовского районов с максимальной температурой в 28°С;
4) Полученные картографические данные дали основу для анализа динамики изменения тепловых аномалий. По смоделированному материалу была зафиксирована тенденция сохранения высоких температур за период 2014-2018гг.
5) Сформулированы рекомендации автора по проведению комплекса мероприятий, направленных на снижение максимальных температур на промышленных и общественных объектах путем использования вспомогательных материалов для изменения структуры крыш.
Коэффициент излучения является важным фактором, на основе которого может быть выполнен анализ растительного покрова и его временной динамики. Данные многозональной съемки LANDSAT с пространственным разрешением 30 м могут быть эффективно использованы для вычисления коэффициента излучения поверхности. Благодаря спутниковым снимкам в тепловом инфракрасном диапазоне можно выявить основные очаги тепла, проследить их изменения за большой период времени и построить карту тепловых аномалий на любой территории. Полученный материал будет служить основой для будущих исследований, связанных с температурой поверхность земли.
Казань, город-миллионник, хорошо походит для подобных исследований. В рамках выполненной работы главным результатом служат ряд построенных на основе спутниковых снимков в тепловом инфракрасном диапазоне Landsat8 карт:
- Карта тепловых аномалий в зимний период 2018г.;
- Карта очагов тепловых аномалий г. Казани за 26 мая 2018г 2018г,; .
- Карта динамики тепловых аномалий города Казани 2014-2018г.
Путем их дешифрирования был произведен детальный разбор крупных очагов тепла в районах с их наибольшим покрытием; показано изменение температур поверхности земли в зимнее и летнее время; выполнен анализ изменения очагов тепла за четыре года. Для удобного представления всех полученных данных была использована свободная кроссплатформенная геоинформационная система QGIS с дополнительным модулем Semiautomatic classification plugin.
Дальнейшие исследования по этой теме будет посвящены использованию информации, полученной в ходе аналогичных исследований в проектировании городского пространства. Городской микроклимат является одним из ключевых факторов, влияющих на энергопотребление зданий и тепловой комфорт для пользователей. Если здания должны достичь высокого уровня энергетической эффективности, то планирование должно начинаться с предоставления лучших граничных условий для их строительства. Инновационные исследования в области проектирования энергоэффективных зданий и их систем активно ведутся в настоящее время. Ожидается, что в будущем городское планирование с учётом микроклимата будет ключевым элементом для достижения энергоэффективного развития городских регионов.
В ходе проведённого нами исследования, сделаны следующие выводы:
1) На данный момент выполненная работа, посвященная тепловым аномалиям, является единственной в Казани. Подобные исследования часто
проводятся за рубежом, а в Российской Федерации эта тема освещена незначительно;
2) Установлено, что в зимнее время над городом образуется один большой очаг тепла. Это связано большим потреблением энергии в зимнее время. Разница температур за февраль 2018г. составила 8°С;
3) Используя теоретические данные, было доказано, что основными очагами тепла являются промышленные и общественные центры. Было выявлено 32 крупных очага тепла на территории Ново-Савиновского и Вахитовского районов с максимальной температурой в 28°С;
4) Полученные картографические данные дали основу для анализа динамики изменения тепловых аномалий. По смоделированному материалу была зафиксирована тенденция сохранения высоких температур за период 2014-2018гг.
5) Сформулированы рекомендации автора по проведению комплекса мероприятий, направленных на снижение максимальных температур на промышленных и общественных объектах путем использования вспомогательных материалов для изменения структуры крыш.