Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ТЕПЛОВАЯ СТРУКТУРА ГОРОДА СИМФЕРОПОЛЯ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ОБРАБОТКИ МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Дубровская С.А. 1
1 ФГБУН Институт степи Уральского отделения Российской академии наук
Микроклимат города – важный компонент, характеризующий комфортную среду «обитания» человека. Создавая оптимально благоприятную обстановку для своего существования, горожане кардинально преобразуют (трансформируют) естественные ландшафты, превращая их в техногенные. На основе данных тепловых инфракрасных снимков разработаны картографические модели структуры и аномалий урбанизированного ландшафта города Симферополя, выделены районы города, различающиеся по уровням поверхностного «острова тепла». В статье приводятся результаты обследования сезонных изменений в рамках теплового загрязнения урбосреды. При расчете аномальных территорий рассчитаны классы с максимальными температурами по многовременным разносезонным изображениям и определена компонента пересечения участков, совпадающих по количественным показателям. В целом тепловая структура города Симферополя является относительно удовлетворительной. В рамках распределения средних значений температур на многовременных разносезонных снимках отображается и квалифицируется по результатам исследования сетчатой моделью.
городской ландшафт
Республика Крым
тепловая интенсивность излучения
тепловая структура и аномалии
микроклимат
природоподобные и экобиотехнологии
1. Каверина С.А., Климентьев А.И., Ложкин И.В. Геоэкологическая оценка трансформации почвенного покрова Орско-Новотроицкого промузла // Вест. Оренб. гос. ун-та. – 2007. – № 3. – С. 124–142.
2. Климентьев А.И., Ложкин И.В., Каверина С.А. К методике биотестирования городских почв // Биотехнология – охрана окружающей среды. – II Международная конференция. – 2004. – С. 115.
3. Медведев С.С. Физиология растений: учебник. – СПб.: БХВ-Петербург, 2012. – 512 с.
4. Петрищев В.П., Дубровская С.А., Ряхов Р.В. Сравнительный анализ состояния растительности в г. Оренбурге по результатам обработки мультиспектральных космических снимков // Экология урбанизированных территорий. – 2014. – № 4. – С. 213–217.
5. Потемкина Н.В., Романенко Н.П. Инвентаризация дендрофлоры парка им. Т.Г. Шевченко в городе Симферополе // Бюлл. Никитинского ботанического сада. – 2011. – Вып. 102. – С. 86–89.
6. Реймерс Н.Ф. Природопользование: словарь-справочник. – М.: Просвещение. – 1990. – 637 с.
7. Смашевский Н.Д. Экология фотосинтеза // Астраханский вестник экологического образования. – 2014. – № 2 (28). – С. 165–180.

По определению Н.Ф. Реймерса (1990) урбосистема – неустойчивая природно-антропогенная система, состоящая из архитектурно-строительных объектов и резко нарушенных естественных экосистем [6]. Город – «живой организм» с ослабленной иммунной системой, во многом утративший экологическую устойчивость и способность к самовосстановлению состояния своих компонентов [1]. Характеризуя геоэкологический аспект урбанизированной территории, следует отметить изменения всех компонент природной составляющей: атмосфера, рельеф, водные и почвенные ресурсы, подземные воды, растительность, приводящие к кардинальной трансформации всех сред и возникновению под воздействием искусственных поверхностей и промышленных объектов своего микроклимата. Замещение природных сред на антропогенные ландшафты приводит к деградации урбоэкосистем. Возникают техногеосистемы (ТГС) с экстремальными экологическими условиями, что приводит к снижению качественных характеристик урбоареала для любых видов живых организмов, в том числе и человека. Создавая оптимально «уютные» условия для своего существования («качество жизни»), общество получает взамен весь спектр экологических проблем.

Архитектурно-планировочные особенности ТГС городской территории способствуют формированию особого местного микроклимата, существенно отличающегося от пригородных зон, граница между ними выделяется как «утес острова тепла». В зависимости от типа ТГС создаются разные микроклиматические условия, определяемые плотностью застройки (геометрия зданий, блокирование воздушных потоков, материалы искусственных покрытий), присутствием промышленного предприятия, наличием естественного и искусственного покрытий, транспортные потоки и другие источники избыточного тепла, присутствие зеленых насаждений и водоемов (плато низких температур). Нужны минимизация отрицательных воздействий негативных факторов урбосреды возможно за счет включения в планировочную структуру города природно-ландшафтных элементов; установление баланса между антропогенными и природными ландшафтами; увеличение площадей зеленых насаждений и благоустройство рекреационных зон, набережных; перенос из жилых районов промышленных предприятий, строительство объездных автомобильных дорог для уменьшения транспортных потоков в городской черте. Следует оценить степень экологического благополучия и благоприятные условия проживания населения с помощью медико-демографических и гигиенических показателей.

Цель исследования

Используя снимки в тепловом инфракрасном диапазоне, получить картографические модели урбанизированной территории для выявления устойчивых тепловых аномалий, тепловых структур местности, связанные с техногеосистемами степной зоны, на основе этого выявить районы (участки) города, различающиеся по уровням поверхностного «острова тепла».

Материалы и методы исследования

Для обследования выбраны многовременные разносезонные снимки (тепловой инфракрасный диапазон, 2008–2015 гг.). В качестве исходных данных были использованы мультиспектральные снимки спутника Landsat 7 с сенсором ETM+, Landsat 8 с сенсором OLI_TIRS с разрешением 100 м (канал 10,4–12,5 мкм). Снимки серии Landsat на территории представлены Геологической службой США (USGS) и находятся в открытом доступе на электронном ресурсе – http://www.glovis.usgs.gov. При помощи программных продуктов ENVI 5.1, ArcGIS 10.2 получены многовременные разносезонные картографические модели. Применен алгоритм ISODATA и выявлены однородные системы по сезонной динамике интенсивности теплового излучения. Кластеризация теплового снимка позволила выявить структуру теплового поля г. Симферополя. Определение тепловых аномалий города связано с объектами повышенной интенсивности теплового излучения.

Результаты исследования и их обсуждение

Для устойчивого развития урбогеосистемы необходима комплексная экологизация всех направлений деятельности человека – грамотное градостроительное проектирование промышленных, транспортно-коммуникационных ТГС, селитебных и рекреационных комплексов. Применение многовременных разносезонных мультиспектральных изображений дает возможность оценки экологической обстановки урболандшафтов. Дешифрирование – инструмент для создания картографических основ и генеральных планов перспективного развития городского хозяйства [4]. На картографической модели тепловой структуры г. Симферополя (рис. 1), составленной по многовременным разносезонным снимкам, характер интенсивности теплового излучения в весенне-летний период установлен как относительно комфортный. В осенне-зимний (резкое увеличение площади территории с максимальной тепловой интенсивностью) сезон прослеживается дифференциация урбогеосистем: нагрев селитебных и промышленных ТГС. Растительные сообщества способны реагировать не только на естественные, но и антропогенные изменения окружающей среды [2]. Особенностью осенних снимков теплового излучения является образование в общей структуре зон тепловых максимумов в жилых, производственных структурах и над зеленым каркасом (некоторые парки) города по пойме р. Салгир. Для выяснения причин повышения температур в парковых зонах, был рассмотрен растительный видовой состав этих рекреационных объектов. Примером флоры выбран парк им. Т.Г. Шевченко (Центральный район, ул. Севастопольская), для которого ассортимент древесно-кустарниковых пород существенно не отличается от других садово-парковых объектов г. Симферополя.

dubr1.tif

Рис. 1. Тепловая структура г. Симферополя: I – области минимальных амплитуд тепловой интенсивности; II – области пониженной интенсивности теплового излучения; III – области средней с уменьшенными сезонными амплитудами интенсивности теплового излучения; IV – области средней со значительными сезонными амплитудами интенсивности теплового излучения; V – область высокой интенсивности теплового излучения; VI – области очень высокой интенсивности теплового излучения; VII – области максимально высокой интенсивности теплового излучения

По результатам инвентаризационного обследования парка ( % экземпляров) основную площадь занимают следующие виды растений: плосковеточник восточный (Platycladus orientalis L. (Franco) – 25,23 %, самшит вечнозеленый (Buxus sempervirens L.) – 14,78 %, стифнолобий японский или софора японская (Styphnolobium japonicum (L.) Schott – 9,43 %, ясень обыкновенный (Fraxinus excelsior L.) – 7,39 %, орех грецкий (Juglans regia L.) – 6,21 %, сосна крымская (Pinus pallasiana D.Don) – 4,87 %, вяз гладкий (Ulmus laevis Pall.) – 4,17 %, сирень обыкновенная (Syringa vulgaris L.) – 3,54 %. Наиболее распространены представители семейств Buxaceae, Cupressaceae, Fabaceae, Pinacea, Rosaceae, Ulmaceae. [5]. Так основными представителями парковых зон являются хвойные и вечнозеленые деревья и кустарники, существенно отличающиеся от группы декоративных лиственных деревьев (листва сохраняется в течение всего года). Нагретый воздух от зданий образует восходящие потоки вместе с мелкими частицами пыли, которые долго держатся в воздухе. Тогда как над парком возникают нисходящие потоки, с ними теплый воздух и пылеватые частицы задерживаются в этой зоне, а прохладный и очищенный атмосферный воздух попадает на соседнюю жилую территорию (рис. 2).

dubr2.tif

Рис. 2. Тепловая структура парка им. Т.Г. Шевченко: I – области минимальных амплитуд тепловой интенсивности; II – области пониженной интенсивности теплового излучения; III – области средней с уменьшенными сезонными амплитудами интенсивности теплового излучения; IV – области средней со значительными сезонными амплитудами интенсивности теплового излучения; V – области высокой интенсивности теплового излучения; VI – области очень высокой интенсивности теплового излучения; VII – области максимально высокой интенсивности теплового излучения

Другой причиной осеннего теплового нагрева парковых зон могут являться физиологические особенности вечнозеленых растений. Процессы фотосинтеза и дыхания (транспирации) в течение суток протекают с разной интенсивностью. У растений в ночное время, согласно циклу Кребса, происходит биохимический процесс, в ходе которого при распаде углеводородов (глюкозы) при участии воды, образуются углекислый газ, водород и АТФ (аденозинтрифосфат). Содержание СО2 в воздухе задерживает распространение длинноволновой радиации, что приводит к сохранению тепла. Фотосинтез растений субтропического пояса относится к С4-пути (цикл Хэтча – Слэка). С4-растения осуществляют фотосинтез более эффективно, чем С3-растения. Благодаря особенностям анатомии листовых пластин (кранц-тип) субтропические растения имеют низкий коэффициент транспирации, более высокие показатели эффективности использования воды, скорости фотосинтеза, температурного оптимума и прироста сухого вещества [7, 3]. Кроме этого важен процесс транспирации, который находится в прямой зависимости от такого экологического фактора как влажность почвы. Чем выше влажность почвы, тем интенсивнее растение включает процессы устичной и внеустичной регулировки. В осенний период в г. Симферополь выпадает от 37 мм до 44 мм (так в 1989 г. в сентябре наблюдался максимум, 153 мм). Температурный режим, углекислый газ и повышенная влажность создают условия для повышения тепла в парках.

Тепловая структура на зимних снимках обусловлена нагревом промышленных и некоторых участков селитебных застроек. Основные площади приходятся на области минимальной и пониженной интенсивности теплового излучения. Распределение оставшихся областей незначительно. В целом структура города представлена как сетчатая – равномерное распределение средних с очень высокими значениями температур. Характеризуя тепловую структуру г. Симферополя по результатам обработки многовременных разносезонных мультиспектральных изображений, в целом обозначить как удовлетворительное состояние теплового поля.

Нами отдельно выделены области тепловых аномалий исследуемой территории (рис. 3). Установлены полигоны с максимальной областью теплового излучения по многовременным разносезонным мультиспектральным данным и определены участки их пересечения: постоянные устойчивые (стабильно постоянной площади теплового излучения на протяжении всех сезонов); постоянные неустойчивые (изменяющие площадь в течение трех сезонов); временные устойчивые (полигоны с постоянной площадью – пересечение сезонных комплексов по парным сочетаниям); временные неустойчивые (полигоны, меняющие тепловой диапазон по площади и сезонам). Кроме выделенных тепловых аномалий классифицируются еще два тепловых класса – сезонные и сельскохозяйственные. Сезонные тепловые аномалии квалифицируются как полигоны с неравномерным нагревом территорий, которые негативно не влияют на комфортность урбосреды. Класс сельскохозяйственных ТГС четко прослеживается за пределами границ городского округа. Наблюдается незначительный нагрев участков сельхозугодий (открытая почва) в весенне-осенний периоды.

dubr3.tif

Рис. 3. Картосхема тепловых аномалий г. Симферополя

Заключение

Возрастает необходимость использования биопозитивных (природоподобных) технологий, позволяющих преобразовать урботехногеосистему в новую природосберегающую и природовоспроизводящую систему с комфортными условиями проживания для человека. Антропогенные (энтропийные) объекты в урбосреде исключают негативное воздействие (физическое, механическое, химическое и другие виды загрязнений). Следовательно, для позитивного функционирования природоподобного урболандшафта г. Симферополя показано использование альтернативной энергетики – ветроэлектрические станции, автономные ветрогенераторы, солнечные электростанции, фотоэлектрические элементы, солнечные водонагреватели и коллекторы. Для улучшения экологической обстановки необходима организация процесса утилизации (рециклирования) твердых коммунальных (бытовых) и промышленных отходов в пределах городского округа. Возрастает необходимость создания энергосберегающих зданий с учетом особенностей архитектурно-планировочных решений – строительство «умных» экодомов, проектирование зданий с низким энергопотреблением за счет высокотехнологического оборудования (альтернативных источников энергии). Для экологизации городского пространства необходимо проведение экоконструирования компонентов городского ландшафта и создания зданий и сооружений с биопозитивными свойствами (органично вписывающихся в окружающий природный ландшафт). Желателен перенос всех объектов промышленности и производства, являющихся источниками вредного воздействия на здоровье населения и способствующих загрязнению урбосреды, за пределы городского округа, с учетом аэроклиматических характеристик, рельефа местности.

Зеленые зоны повышают уровень комфортности урбосреды, внешне позитивно влияют на облик городских кварталов и укладываются в современный тренд «friendly-citi» – тематическая карта туристических маршрутов по организации городского пространства с информацией об разнообразных объектах, с фильтрами по интересам, популярности для знакомства и посещения жителями и гостями города Симферополя. В этом аспекте наиболее ценным объектом является р. Салгир, в пределах ее долины необходима комплексная организация и благоустройство ее набережной, пляжа и прилегающих ареалов зеленых насаждений города.

Работа выполнена в рамках государственного задания «Степи России: ландшафтно-экологические основы устойчивого развития, обоснование природоподобных технологий в условиях природных и антропогенных изменений окружающей среды» № ГР АААА-А17-117012610022-5.


Библиографическая ссылка

Дубровская С.А. ТЕПЛОВАЯ СТРУКТУРА ГОРОДА СИМФЕРОПОЛЯ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ОБРАБОТКИ МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 4. – С. 72-77;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36437 (дата обращения: 15.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074