научная статья по теме ДИСТАНЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЧИВОСТИ ФОРМЫ БЕРЕГОВЫХ ГРАНИЦ ТЕРМОКАРСТОВЫХ ОЗЕР НА ТЕРРИТОРИИ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ДИСТАНЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЧИВОСТИ ФОРМЫ БЕРЕГОВЫХ ГРАНИЦ ТЕРМОКАРСТОВЫХ ОЗЕР НА ТЕРРИТОРИИ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2012, № 1, с. 61-64

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ

ДИСТАНЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЧИВОСТИ ФОРМЫ БЕРЕГОВЫХ ГРАНИЦ ТЕРМОКАРСТОВЫХ ОЗЕР НА ТЕРРИТОРИИ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ © 2012 г. В. Ю. Полищук*, Ю. М. Полищук

Учреждение Российской академии наук Институт мониторинга климатических

и экологических систем СО РАН, Томск Учреждение Российской академии наук Институт химии нефти СО РАН, Томск

*Е-таИ: liquid_metal@mail.ru Поступила в редакцию 08.02.2011 г.

Исследования изменчивости формы береговых границ термокарстовых озер проведены на трех тестовых участках, выбранных в разных зонах вечной мерзлоты на территории Западной Сибири. Разработаны методические вопросы статистического анализа изменчивости границ озер с использованием космических снимков. Исследования границ 30 озер показали, что с погрешностью приблизительно 5% береговые границы реальных озер могут быть аппроксимированы окружностями. Результаты работы могут быть использованы при моделировании полей термокарстовых озер в исследованиях динамики термокарста на территориях многолетней мерзлоты.

Ключевые слова: космические снимки, геоинформационные системы, многолетняя мерзлота, термокарстовые озера

Глобальное потепление климата приводит к уменьшению прочности многолетнемерзлых пород в зоне многолетней мерзлоты Западной Сибири, что вызывает рост аварийности на трубопроводах и других объектах нефтегазового комплекса (Samsonov et г1., 2007). Для разработки мероприятий по снижению ущербов нефтегазовых предприятий необходимо получать качественный прогноз изменения термокарстовых процессов на этой территории, что требует разработки средств математического моделирования. В задачах моделирования морфологии ландшафта (Викторов, 2009) и полей термокарстовых озер на территории многолетней мерзлоты (Полищук, Полищук, 2011) важным является вопрос моделирования формы береговых границ отдельных озер. В частности, в (Полищук, Полищук, 2011) описана имитационная модель полей термокарстовых озер, в которой озера моделируются окружностями. Насколько нам известно, вопрос о возможности представления термокарстовых озер окружностями в литературе не рассматривался. В связи с этим целью настоящего сообщения явилось проведение анализа погрешностей представления отдельных озер окружностями на основе космических снимков.

Рассмотрим методические вопросы проведения экспериментальных исследований. Вследствие высокой степени заболоченности и трудно-доступности территории многолетней мерзлоты

Западной Сибири исследование термокарстовых процессов практически невозможно без применения данных дистанционного зондирования поверхности Земли. Поэтому изучение возможности представления термокарстовых озер окружностями проведено с использованием космических снимков. Экспериментальные исследования проводились на трех тестовых участках (ТУ), расположенных в разных зонах многолетней мерзлоты на территории Западной Сибири, карта-схема расположения которых приведена на рис. 1.

В исследованиях были использованы следующие космические снимки: Landsat-4 (07.07.1988, ТУ-1); Landsat-5 (20.09.1989, ТУ-2); Landsat-4 (12.07.1988, ТУ-3). Для иллюстрации на рис. 2 приведен фрагмент космического снимка Land-sat-5 (20.09.1989) с изображением поля (товокуп-ности) термокарстовых озер различных размеров. На каждом тестовом участке случайным образом выбирались по 10 термокарстовых озер разных размеров. Измерения площадей озер проводились с использованием средств геоинформационных систем ERDAS Imagine 9.1 и ArcGis 9.3.

Как видно на рис. 2, термокарстовые озера имеют в большинстве случаев округлую форму и в дальнейшем нашей задачей будет показать возможность аппроксимации формы береговых границ озер окружностью. В качестве примера на рис. 3 приведено спутниковое изображение береговой границы реального термокарстового озера.

62

В. Ю. ПОЛИЩУК, Ю. М. ПОЛИЩУК

65°0'0"Е 70°0'0"Е 75°0'0"Е 80°0'0"Е

Рис. 1. Карта-схема расположения тестовых участков на территории мерзлоты Западной Сибири.

Методика обработки данных о случайной форме озер предполагала наложение на изображение термокарстового озера лучевой диаграммы и определение длин отрезков радиальных линий (лучей) ¡р (/ = 1, ..., 16), показанных на рис. 3. Лучевая диаграмма составлена из лучей, выходящих под углом 22.5° относительно друг друга из условного центра озера, определяемого с использованием средств ЛгсОК 9.3. Измерение длины каж-

Рис. 2. Фрагмент космического снимка Ьа^8а1-5 (20.09.1989 г.) с изображением термокарстовых озер.

дого отрезка / также проводилось средствами Лге018 9.3.

Рассмотрим методические вопросы статистической обработки результатов измерения отрезков /. Для каждого из исследуемых озер рассчитывались средние значения длин отрезков по радиальным лучам в виде

п

_ 21

I] = I = 1,...,п 1 = 1,...,т, (1)

п

где I — номер луча, п — количество лучей; / — номер озера, т — количество озер.

Каждое р-е озеро будем характеризовать парой (I], ), где 5/ — площадь озера, определяемая средствами Лгс018 9.3. Найденное среднее значение будем далее интерпретировать как радиус окружности, аппроксимирующей линию береговой границы отдельного озера. Для определения погрешности замены формы границ реального озера окружностью понадобится использовать площадь

круга радиусом I], определяемую в виде

=пТ]2, ] = 1,...,т, (2)

Учитывая (2), рассчитаем дисперсию относительных отклонений площадей реальных озер

ДИСТАНЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЧИВОСТИ ФОРМЫ

63

каждого тестового участка от площадей аппроксимирующих их окружностей по известной формуле

т Л Л2

1 I V' - V I

° = ~ЧI ^ , 3 = т- (3)

т -1^ Б,

3= V 3 )

Используя рассчитанную величину Б, найдем среднеквадратическую погрешность определения площади озер, возникающую при замене реальных границ последних окружностями, по формуле

а, =4Ъ.

В таблице приведены результаты измерений длин отрезков радиальных линий для 10 озер, выбранных на ТУ-2. В результате проведения статистической обработки данных (таблица) в соответствии с методикой, изложенной выше, получена среднеквадратическая погрешность для ТУ-2 = = 0.048. Следовательно, относительная погрешность замены линии береговых границ озер окружностями составляет около 5%.

Аналогичная обработка результатов измерений длин отрезков радиальных линий для 10 озер на других ТУ-1 и ТУ-3 показала, что относительная

Результаты измерений длин отрезков радиальных линий (м) на ТУ-2

№ луча № озера

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 290 278 321 353 353 473 257 137 452 533

2 255 248 278 324 349 450 248 170 461 513

3 247 274 245 304 348 502 282 164 480 510

4 289 287 277 348 366 486 299 179 559 544

5 266 265 256 378 365 535 333 149 543 530

6 274 233 310 379 329 502 267 160 530 421

7 215 257 321 397 309 563 223 162 482 382

8 269 282 331 337 301 491 231 153 480 385

9 301 290 305 362 339 426 239 168 500 415

10 296 314 263 395 335 457 260 153 539 476

11 261 286 300 437 378 639 300 183 541 590

12 262 264 299 400 422 486 302 202 571 553

13 242 273 277 367 357 452 314 185 587 420

14 291 265 290 369 291 489 308 141 572 451

15 251 266 285 485 294 458 276 181 622 476

16 252 273 314 382 280 497 215 178 554 515

64

В. Ю. ПОЛИЩУК, Ю. М. ПОЛИЩУК

погрешность замены озер окружностями составляет 0.049 и 0.052 соответственно.

Следовательно, проведенные исследования на тестовых участках в разных зонах (островной, прерывистой и сплошной) многолетней мерзлоты показали, что погрешность в оценке площадей озер при замене береговых границ реальных озер окружностями сравнительно невелика. Это может служить обоснованием выбора окружностей в качестве моделей границ озер при имитационном моделировании полей термокарстовых озер (По-лищук, Полищук, 2011).

Результаты работы могут быть использованы в задачах моделирования морфологической структуры озерно-термокарстовых равнин, анализа геоэкологических рисков, анализа динамики природной среды и др.

Работа выполнена при поддержке ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновацион-

ной России" (госконтракт № 14.740.11.0409 от 20.09.2010 г.).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Викторов А.С. Модели математической морфологии ландшафта в решении задач геоэкологии / Сергеевские чтения. Моделирование при решении геоэкологических задач. Выпуск 11. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (23—24 марта 2009 г.). М.: ГЕОС, 2009. С. 154-159. Полищук Ю.М., Полищук В.Ю. Имитационное моделирование полей термокарстовых озер на территории многолетней мерзлоты // Информационные системы и технологии. 2011. № 1 (63). С. 53-60. Samsonov R., Lesnykh V., Polishchuk Yu., Bryksina N. The climate change impact on thermokarst in West-Siberian territory and geological risks in gas industry / Proc. 14th Annual Conf. TIEMS. June 5-8, 2007. Split, Croatia. Split: TIEMS, 2007. P. 212-218.

Remote Sensing of Shape Variability of Thermokarst Lakes Coastal Boundaries in Permafrost Territory of Western Siberia V. Y. Polishchuk, Y. M. Polishchuk

Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tomsk Institute of Petroleum Chemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Tomsk

Study of shape variation of thermokarst lakes coastal boundaries was carried out in three test sites selected in different areas of permafrost in Western Siberia. Methodical questions of statistical analysis of lakes boundaries variability using satellite imageries are developed. Investigation of the 30 lakes boundaries showed that circles with an error of about 5 % could approximate the coastal borders of real lakes. The results can be used for modeling the fields of thermokarst lakes in the research of the dynamics of thermokarst in areas of permafrost.

Key words: space images, geoinformation systems, permafrost, thermokarst lakes

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком