ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
МЕЖГОДОВЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕРМОКАРСТОВЫХ ОЗЕР СЕВЕРО-ВОСТОКА ЕВРОПЕЙСКОЙ РОССИИ
© 2011 г. В. В. Елсаков, И. О. Марущак
Учреждение Российской академии наук Институт биологии Коми научного центра УрО РАН, Сыктывкар
E-mail: elsakov@ib.komisc.ru Поступила в редакцию 08.07.2010 г.
Выявлены основные тренды изменений термокарстовых озер в широтном градиенте распределения многолетнемерзлых пород (ММП) на Европейском Северо-востоке России по спутниковым изображениям периода 1973—2009 гг. Максимальное проявление наблюдаемых изменений на модельных участках районов прерывистого и островного размещения ММП (до 80%) относится к периоду 1973—1988 гг. и связано с дренированием озер. Районы сплошного распространения ММП в этот период сохраняли большую устойчивость к изменениям, для них максимальные изменения количества озер приходятся на более поздние сроки 1988—2002 гг. Тенденция к снижению интенсивности изменений показателя прослеживается на всех участках после 2002 г. Интенсивность выявленных изменений падает к южным границам криолитозоны.
Ключевые слова: динамика термокарстовых озер, спутниковый мониторинг, климатические изменения
ВВЕДЕНИЕ
Изменение количества и площадей зеркал термокарстовых озер в областях распространения многолетнемерзлых пород (ММП) в большинстве случаев связывается с региональными и глобальными климатическими трансформациями и воспринимается многими исследователями в качестве одного из интегрирующих показателей, демонстрирующих интенсивность и направленность проявления криогенных процессов. Такие исследования широко проведены в Арктическом регионе на территории Скандинавии (Luoto, Seppâlâ, 2003), Западной Сибири (Smith et а1., 2005; Брыскина и др., 2005; Днепровская и др., 2009), Аляски (Fitzgerland, Rior-dan, 2004; Robert et al., 2005), Канады (Vallée, Payette, 2007). Обобщения на межрегиональном уровне, выполненные для территории России (Кравцова, Быстрова, 2009), показывают существенные различия в протекании процессов, что связывается исследователями с неоднородностью геокриологической зоны, развитием эрозионных процессов, антропогенным влиянием. Несмотря на широкомасштабные по географическому охвату исследования, однозначных заключений в оценке интенсивности и направленности проявления данных процессов не наблюдается, что обусловлено как географическим своеобразием сравниваемых регионов, так и методологическими подходами, используемыми в проведении данного рода сравнений. В числе последних: построение алгоритмов выявления изменений преимущественно по изображениям, полученным только для крайних лет на-
блюдений, использование при сравнении сенсоров различного разрешения и диапазонов электромагнитного спектра, методик предварительной обработки изображений.
Между тем результаты исследований интенсивности и направленности процессов изменений криогенных ландшафтов активно принимаются во внимание при проектировании и строительстве инженерных сооружений и коммуникаций (инженерно-геологические условия территории), представляющих экологическую опасность. Особенности распределения ММП активно учитываются при анализе распределения нефтяных загрязнений в слое сезонного оттаивания (Ананьева и др., 2003), построении моделей эмиссии и потребления парниковых газов арктическими экосистемами и возможных смещений баланса углерода под влиянием климатических изменений.
Цель настоящего исследования заключалась в: 1) разработке алгоритмов выявления изменений термокарстовых озер по материалам спутниковых изображений высокого разрешения Ьапё8а1; 2) выполнении учета их количества и площади зеркал для трех временных периодов разной продолжительности, ограниченных датами съемки, выполненной в 1973 (1974) г.—1988 (1989) гг., 2000-2002 гг. и 20072009 гг. в широтном градиенте распределения ММП; 3) выявлении основных наблюдаемых трендов изменений за анализируемый период.
Таблица 1. Использованные материалы спутниковой съемки на модельные участки
Участки Временные интервалы
1973-1974 1988 1999-2002 2007-2009
"Югорский" 25.06.1973 05.08.1988 27.07.2002 16.08.2009
"Каратаиха" 11.07.1988 21.07.2000 13.07.2009
"Воркута" 25.06.1973 13.07.1988 07.07.2000 03.07.2007
"Харьяга" 22.06.1974 11.07.1988 26.06.2000 29.06.2007
"Инта" 25.06.1973 27.06.1988-13.07.1988 03.07.1999 01.07.2007
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Основными материалами, использованными в анализе трендов изменения количества и площади зеркал термокарстовых озер, стали временные серии изображений 1973—2009 гг., полученные при съемке высокого разрешения Landsat (радиометры MSS, TM и ETM+) (табл. 1), и подобранные для пяти модельных участков, различающихся по мерзлотным условиям (рис. 1). Выбор и форма модельных участков определялись доступностью сцен, полученных из свободных архивов, расположением участка в градиенте широтных условий распространения ММП (сплошное, массивно-островное и прерывистое) и геоботанических зон, отсутствием в пределах сцен облачного покрова. Последнее условие является особо важным, поскольку большую часть дней в году для наблюдаемой территории составляют периоды с полуясным и пасмурным состоянием неба. К примеру, для территории Ненецкого автономного округа вероятность пасмурного состояния неба — по данным метеостанции Пусто-зерск (Нарьян-Мар) — в среднем варьирует от 62% в июле до 78% в сентябре (Климатологический..., 1932).
Привлечение изображений разных лет позволило охватить три временных периода протяженностью в 14-15 лет (1973(1974)-1988 гг.); 12-14 лет (1988-2000(2002) гг.) и 7-9 лет (2000-2007(2009) гг.).
Обработка снимков, перевод растровых элементов изображения в векторные объекты, организация, подготовка и аналитическая обработка пространственно-совмещенной базы данных водных объектов были выполнены с использованием программных пакетов Erdas Imagine 9.0 и ArcView 3.3. Выделение водных объектов на рассматриваемых изображениях после процедуры географической привязки проводились по генерированным значениям шкал "Brightness", "Greenness" и "Wetness" преобразования Tasseled Cap (ТС) с использованием общепринятого (King, 2001; Huang, 2001) отношения
"Br, Gr, W" = aD1 + bD2 + cD3 + dD4 + eD5 + fD7 , (1)
где "Br, Gr, W" - значения соответствующих шкал; D1-D7 - величины отраженного излучения соответ-
ственно для каналов снимков Landsat; a—f - коэффициенты преобразования TC для сенсоров ETM+ и ТМ.
Полученные значения обработаны с использованием принципов декомпозиции спектральных смесей (метод SMA - Spectral Mixed Analysis), исходя из положения, что спектр каждого пиксела есть линейная комбинация спектров "чистых компонент" (Барталев и др., 2009). Это допущение позволяет количественно оценить вклад отдельных компонент в отражательную способность элементов изображения. В качестве "чистых компонент" использованы контрастные по спектральным характеристикам объекты: водные поверхности, растительный покров, лишенные растительности участки. Общий принцип оценки доли отдельных компонент для линейного смешивания спектров проводили согласно выражения
n
DNC = £ FiDNic + Ec, (2)
i=1
учитывая ограничения
n
£ F = 1 0 < Ft < 1, (3)
i=1
где DNC - числовое выражение значения пиксела в канале с4; Ft - доля /-го эталона в смеси; DNC - числовое выражение значений /-го эталона в смеси в канале с; n - количество эталонов; Ec - ошибка оценки для канала с.
Проведение SMA-преобразования позволило получить однозональный тематический растр, где выделенная водная компонента варьировала от 0 (отсутствие воды) до 100% (полностью водная поверхность). Анализ площадей водных поверхностей модельного участка Воркутинской тундры, выполненный по спектрозональным изображениям QuickBird (2.44 м) и Landsat TM одного сезон-но-временного периода (03.07.2007 и 07.07.2007), показал, что максимальная сходимость площадей водных поверхностей между изображениями достигается при выборе порогового значения доли площади компоненты воды, полученной при SMA анализе снимков Landsat TM, выше 0.48. При вы-
Рис. 1. Локализация участков проведения работ в пределах территории. Представлены участки выполнения работ и их названия, используемые в тексте, границы распространения сплошных (С), массивно-островных (О) и прерывистых (П) ММП. Обозначения геоботанических зон: 1 — северные типичные тундры; 2 — мелкоерниковые южные кустарниковые тундры; 3 — крупноерниковые южные (кустарниковые) тундры; 4 — предтундровые редколесья в сочетании с южными тундрами; 5 — зона крайне-северной тайги; 6 — горные тундры и редколесья.
1
2
3 шш,
"Югорский"
делении пикселов водных поверхностей принимали во внимание элементы изображения, в которых содержание "водной компоненты" превышало 0.48, остальные элементы отсекали и в дальнейшем анализе и обработке не использовали. Сопоставление значений площадей озер для опорного (Quick-Bird) и контрольного (Landsat TM) изображений демонстрирует высокий уровень согласованности результатов, полученных из независимых источников (рис. 3). Сравнительный анализ величин площадей озер, полученных по данным изображениям, показал, что увеличение размеров наблюдаемых озер приводит к росту точности определения показателя. Для озер с площадью более 0.01 км2 погрешность определения составила 15%, более 0.03 км2 порядка 10%. Для озер с размерами менее 0.01 км2 значения
показателя увеличивались до 70%. Поэтому в дальнейшем для сравнения модельных участков преимущественно использовали озера с размерами зеркал более 0.01 км2.
Полученные серии снимков стали основой для присвоения элементам изображения, составляющим разделенные водные объекты, персональных идентификаторов (Ш), расчета средних значений доли водной поверхности для отдельных водных объектов, векторизации и учета площадей озер, организации реляционной базы данных по озерам модельных участков.
Для выполнения обозначенных процедур составляли бинарные (вода/не вода), пространственно совмещенные разногодовые многослойные серии. Перекрывающиеся водные объекты разновре-
Рис. 2. Формирование общей маски озера по перекрывающимся разновременным изображениям при
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.