CC BY
49Трансформация экосистем Ecosystem Transformation www.ecosysttrans.com
Использование современных и архивных данных ДЗЗ для ГИС мониторинга околоводных экосистем
А.В. Кутузов
Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, 152742, Российская Федерация, Ярославская обл., Некоузский р-н, пос. Борок, д. 109
kutuzov-st@yandex. сот
Поступила в редакцию: 09.02.2018 Принята к печати: 26.03.2018 Опубликована онлайн: 08.05.2018
DOI: 10.23859/estr-180209 УДК 87.35.02:89.57.45 URL: http://www.ecosysttrans.com/ publikatsii/detail_page.php?ID=67
ISSN 2619-094X Print ISSN 2619-0931 Online
Сопряжение равнинных водохранилищ с болотными системами при обычной амплитуде уровня воды 3-5 м может увеличивать суммарную площадь затопления в 1.5-2 раза. Использование ДЗЗ и ГИС для обработки и хранения спутниковых и полевых данных позволяют осуществлять изучение и мониторинг болотных экосистем на новом информационно-картографическом уровне, корректировать и дополнять имеющиеся литературные и картографические данные. В данной работе использованы материалы ДЗЗ, полученные с современных спутников Landsat-8 и Sentinel-2. Результаты анализа изменений в исследованных ландшафтах на базе ГИС-техно-логий выявили зону непосредственного влияния водохранилища вглубь территории до 3.5 км, позволили определить площади мелководий и примыкающих водно-болотных экосистем, а также выделить 4 гидрологические зоны.
Ключевые слова: экотон, болотные экосистемы, водохранилище, водоем, пойма, заливные территории, спутниковые снимки.
Кутузов, А.В., 2018. Использование современных и архивных данных ДЗЗ для ГИС мониторинга околоводных экосистем. Трансформация экосистем 1 (1), 86-90.
Введение
Крупные болотные системы нередко сопряжены с масштабными водными объектами: равнинными озерами и водохранилищами (оз. Псковское, оз. Ладожское, Рыбинское водохранилище и др.). Ряд озер имеют зарегулированный плотиной сток и, таким образом, частично превращены в естественные водохранилища (например: Выгозеро, оз. Онежское). Непосредственное взаимодействие подобных водоемов с болотными системами при повышении уровня воды осуществляется двояко:
- через непосредственное затапливание понижений территории, в том числе по руслам впадающих в водоем рек;
- через существенное замедление поверх-
ностного и подземного стока со стороны суши (подтапливание).
Уровенный режим водоема, очевидно, должен оказывать значительное влияние на сопряженные болотные экосистемы. При этом чем больше диапазон колебаний уровня воды, тем весомее его вклад в динамику водно-болотных территорий. В условиях равнины даже небольшие колебания уровня в 1-2 м могут вызывать затопление (осушение) огромных площадей суши, а периодический перепад в 3-5 м может означать изменение площади всего водоема в 2 раза. Для Рыбинского водохранилища такое изменение площади затопления суши может составлять более 2000 км2 побережий (Авакян и Воропаев,
1986). Даже незначительное снижение уровня в 0.4 м от типичного максимума здесь приводит к уменьшению площади затопленной суши на 4%, по материалам анализа спутниковых снимков -данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) (Кутузов, 2011Ь). Типичный максимум в данном случае равен нормальному подпорному уровню (НПУ), значение которого составляет 101.81 м БС (балтийская система высот).
Последние десятилетия наблюдается процесс формирования заболоченных территорий на обособляющихся мелководных участках Рыбинского водохранилища. При значительном обсыхании мелководных участков литоральной зоны в годы с экстремально низким уровнем стояния вод влаголюбивая растительность суши захватывает обнажившиеся участки побережья. Пионерная растительность здесь представлена как травянистыми (тростник, камыш), так и древесными формами: порослью ив (Законнов и Ляшенко, 2004; Поддубный и др., 2017). В связи с непрерывной динамикой побережий особенно важно проводить исследования болотных территорий на Рыбинском водохранилище, для которых эффективно использование спутниковых данных.
Современные подходы к гидробиологическому изучению болот и их поверхностной гидрографической сети предполагают использование всего комплекса методов мониторинга территории (Филиппов и др., 2017). Систематическое использование ДЗЗ и применение географических информационных систем (ГИС) для обработки и хранения спутниковых и полевых данных позволяют осуществлять изучение и мониторинг болотных экосистем на новом информационно-картографическом уровне: материалы представлены в электронно-цифровом виде и векторном формате. Такой системный подход позволяет корректировать и дополнять имеющиеся литературные и картографические данные о масштабах и распределении болот на исследуемой территории, в том числе определять типы растительности и проводить районирование труднодоступных областей (Филоненко и Филиппов, 2013).
В настоящее время анализ изменений в ландшафтах и моделирование их структуры наиболее эффективно выполняются на базе ГИС-технологий, преимуществами которых служит унификация электронных форматов данных, автоматизация и быстрота обработки больших мас-
Рис. 1. Остров Радовский, Рыбинское водохранилище, переходная зона «вода-суша».
сивов в базах данных (БД), а также наглядность отображения изучаемого процесса в динамике. Однако необходимо учитывать, что автоматизированная обработка полевых материалов требует большой предварительной работы по переводу их в электронную БД и включение в структуру ГИС.
Материалы и методы
В данной работе ценные материалы ДЗЗ получены со спутников серий Landsat-8 (15-30 м/пиксель) и Sentinel-2 (10 м/пиксель). Анализ данных ДЗЗ мультиспектральной съемки позволяет дешифрировать контуры болот и поверхностных вод для разных уровней зеркала воды водохранилища подбором комбинации каналов в видимом и инфракрасном диапазонах (Кутузов, 2011a). Детальная обработка автоматически полученных контуров была сделана для 4 защищенных мелководий Рыбинского водохранилища, расположенных на 2 контрастных типах побережий: с крутым и пологим подъемом коренного берега (Табл. 1). Для о. Радовский (длина около 3.1 км; площадь, с внутренними водоемами, около 1.8 км2) и его окрестностей приведены результаты картографирования в ГИС (Рис. 1). Проведены также расчеты площадей затопления для защищенных мелководий о. Радовский и группы о-вов Трясье (Табл. 1). При проведении полевых работ были использованы спутниковые навигаторы (и другие мобильные устройства) с загруженными картами и спутниковыми слоями -эти материалы навигации, координаты точек исследования и описания к ним впоследствии обрабатывались в настольных ГИС.
Труднодоступность многих болотных пространств определяет особую ценность спутникового мониторинга этих экосистем. Применение архивных данных ДЗЗ (для Landsat доступны отдельные снимки, начиная с 70-х годов) обеспечивает возможность анализа многолетней динамики водно-болотных территорий. В представленном исследовании использованы результаты обработки данных ДЗЗ за 2013-2016 гг. в ГИС (QGIS 2.8 и ArcMap 10.0).
Границы водно-болотных пространств и сами болотные системы трансформируются во вре-
мени под действием как естественных, так и антропогенных факторов. По влиянию на сопряженные экосистемы болот и мелководий следует различать регулярные (сезонные, годовые) и экстремальные колебания уровня (Табл. 1, экстремумы 99 и 102 м). В таблице показаны результаты автоматических вычислений, точность которых зависит от точности данных ДЗЗ - пространственного разрешения спутникового снимка (в наших данных это 10-30 м/пиксель).
Распознавание и векторизация различных типов объектов на исследуемом пространстве основывалось на различиях в спектральной яркости участков для каждого оптического диапазона. Так, при уровне водохранилища близком к максимальным значениям, около НПУ (101.81 м БС), основной массив заболоченных земель оказывается затопленным поверхностными водами. В инфракрасном диапазоне оптической съемки открытая вода интенсивно поглощает солнечный свет и выглядит темной (спектральная яркость минимальна), что хорошо распознается на снимках в начале вегетационного периода и маскируется позже надводными макрофитами (тростник южный и камыш озерный), произрастающими на мелководьях (Рис. 1).
Примыкающие к болотным экосистемам крупные водоемы формируют особую переходную (экотонную) зону взаимодействия разных экосистем. Здесь формируется специфическая биота с широкой экологической валентностью к гидрологическим условиям. Масштабы такого экотонного пояса сопряжения экосистем могут измеряться километрами для пологих побережий (в наших исследованиях до 3.5 км) или практически отсутствовать — для крутых, обрывистых берегов. Определение границ экосистем обеспечивает ти-пологизацию участков мозаики территорий, дает возможность выделения отдельных типичных участков для исследования (образцовых, ключевых участков), что позволяет оценить ресурсный потенциал в масштабе всего водохранилища. Число основных типов мозаики территорий в экотонной зоне мы принимаем равным 4, в зависимости от гидрологического режима - в соответствии с 4 основными наземными блоками экотонной системы «вода-суша»: флуктуационный, динамический,
Интервал, м Суммарная S Суммарная S Интервал, м для о. Радовский, км2 для о-вов Трясье, км2
менее 99 0.423 0.189
99-100 2.076 1.099
100-101 4.259 2.496
101-102 6.598 5.357
Таблица 1. Площади затопления двух контрастных участков прибрежной полосы: защищенных мелководий и заболоченных территорий, сопряженных с Рыбинским водохранилищем (по результатам ГИС обработки данных ДЗЗ за 2013-2016 гг.).
дистантный и маргинальный блоки (Залетаев, 1997; Ва1уик е1 а1., 2007).
Результаты и обсуждение
Анализ полученных данных позволяет оценить высотные интервалы уровня Рыбинского водохранилища, формирующие блоки экотона «вода-суша». Так, интервал высот 99-101 м может быть отнесен к флуктуационному (разной периодичности заливания) типу территорий, а интервал 101-102 м принадлежит к следующему - динамическому типу (Рис. 1). Выше расположен дистантный блок, представленный в основном лесами; маргинальный же блок находится за пределами этой карты.
В ГИС-проекте получена цифровая 3D модель контуров побережья о. Радовский и его окрестностей и обосновано выделение 4 типичных зон гидрологического воздействия в соответствии с 4 наземными блоками экотона «вода-суша». В ходе работы определены критические (экстремальные: около 99 ми 102 м) и между ними регулярные высотные уровни (около 100 ми 101 м), важные для вегетационного периода побережья Рыбинского водохранилища (Рис. 1) и определяющие динамику биокомплексов экотонной системы «вода-суша».
Уровенный режим Рыбинского водохранилища (регулярные и экстремальные колебания уровня) оказывает формирующее действие на побережье в целом и на экотонную систему «вода-суша» в том числе. Резкие значительные изменения или продолжительные тренды, отличающиеся от типичных сезонных значений уровня стояния вод, меняют условия существования и границы сопряженных водно-болотных пространств. В Таблице 1 представлены примеры результатов расчета площадей затопления для двух детально обработанных участков прибрежной зоны: пологий подъем (о. Радовский) - плавное, равномерное нарастание площади затопления; крутой подъем и береговой вал (о-ва Трясье) -резкое нарастание площади затопления при высоком уровне воды, заливание.
Полученные нами результаты анализа данных ДЗЗ перспективны для количественной оценки конкретных природных ресурсов и выявления интересующих объектов на различных территориях. При условии разработки частных типологических методик, таким же способом может производиться оценка потенциала рекреационных, спортивно-охотничьих и промысловых, лесных, болотных и сельскохозяйственных ресурсов, а также социальной инфраструктуры. В хозяйственной деятельности эти данные позволят осуществлять ресурсное планирование и управление территорией, обеспечение ее рационального использования и безопасного функционирования. Например, определение
оптимального уровенного режима водохранилища имеет большое значение для рыболовной отрасли, поскольку высокий уровень во время нереста и нагула мальков рыб на защищенных мелководьях обеспечивает многократной рост выживаемости молоди рыб (Столбунов, 2016).
Для нормального размножения многим видам рыб необходимы мелководные нерестилища с травяным растительным субстратом, на который может быть отложена икра. Подобные нерестилища обычно образуются в пойменной зоне, затопление которой паводковыми водами происходит весьма нерегулярно, так что при низком уровне паводка площади нерестилищ резко сокращаются. В то же время для икрометания и высокой выживаемости икры наибольшее значение имеет стабильность уровня стояния вод и продолжительность заливания, которые обеспечиваются достаточно высоким уровнем водохранилища. Таким образом, точное определение территорий, где могут образовываться подходящие мелководья, и данные о площади затопленных угодий позволяют дать обоснованный прогноз влияния уровен-ного режима на численность молоди рыб. Подобные расчеты, с учетом типологии территории, могут лежать не только в основе оценки экономического эффекта от промышленного лова, но и анализа возможного повышения рекреационной привлекательности крупного водоема (например, спортивная рыбалка и другие виды активного отдыха).
Выводы
В ходе данного исследования картографирована вся территория побережья Рыбинского водохранилища на основе данных ДЗЗ: Sentinel-2 и Landsat-8 (пространственное разрешение 10-30 м/пиксель). Для 4 модельных территорий определены 2 ключевых участка, где в ГИС детально обработаны автоматически созданные контуры (Рис. 1) и вычислены площади затопления, в полученной 3D модели побережья, при разных уровнях зеркала водохранилища (Табл. 1). Анализ изменений в исследованных ландшафтах на основе ГИС-технологий выявил зону непосредственного проникновения вод водохранилища вглубь территории суши (в наших исследованиях - максимально до 3.5 км), а также позволил определить площади мелководий и примыкающих водно-болотных экосистем.
Полученные данные позволяют осуществлять изучение и мониторинг болотных экосистем на новом информационно-картографическом уровне (БД, актуальные векторные карты): корректировать и дополнять имеющиеся литературные и картографические данные, проводить районирование труднодоступных областей и вычислять с высокой точностью (до 100 м2) площади выделенных
территорий. В дальнейшем могут быть разработаны частные методики для более специализированной типологии территории: оценка рекреационных, охотничьих и промысловых, лесных, болотных и сельскохозяйственных ресурсов.
Список литературы
Авакян, А.Б., Воропаев, Г.В. (ред.), 1986. Водохранилища и их воздействие на окружающую среду. Наука, Москва, Россия, 364 с.
Законнов, В.В., Ляшенко, Г.Ф., 2004. Трансформация грунтов и сукцессия высшей водной растительности в литоральной зоне Рыбинского водохранилища. Материалы международной конференции «Экологические проблемы литорали равнинных водохранилищ». Отечество, Казань, Россия, 30-32.
Залетаев, В.С., 1997. Речные поймы как система экотонов. В: Залетаев, В.С. (ред.), Экосистемы речных пойм: структура, динамика, ресурсный потенциал, проблемы охраны. РАСХН, Москва, Россия, 7-17.
Кутузов, А.В., 2011а. Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга систем «вода-суша» на равнинных водохранилищах (на примере Цимлянского водохранилища). Исследование Земли из космоса 6, 64-72.
Кутузов, А.В., 2011Ь. Комплексное использование материалов топо-экологических исследований и данных дистанционного зондирования
при создании ГИС экотонных систем «вода-суша» крупных равнинных водохранилищ. Материалы международной научной конференции "Ресурсный потенциал почв - основа продовольственной и экологической безопасности России". Санкт-Петербург, Россия, 281-283.
Поддубный, С.А., Папченков, В.Г., Чемерис, Е.В., Бобров, А.А., 2017. Зарастание защищенных мелководий верхневолжских водохранилищ в связи с их морфометрией. Биология внутренних вод 1, 65-73.
Столбунов, И.А., 2016. Распределение, видовой состав и численность молоди рыб в мелководной зоне Рыбинского водохранилища в разные по уровневому режиму годы. Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Рыбное хозяйство 2, 64-70.
Филиппов, Д.А., Прокин, А.А., Пржиборо, А.А., 2017. Методы и методики гидробиологического исследования болот. Учебное пособие. Тюменский государственный университет, Тюмень, Россия, 208 с.
Филоненко, И.В., Филиппов, Д.А., 2013. Оценка площади болот Вологодской области. Труды Инсторфа 7 (60), 1-60.
Balyuk, T.V., Kutuzov, A.V., Nazarenko, O.G., 2007. Ecotone system of the southeastern coast of the Tsimlyansk Reservoir. Water Resources 34 (1), 95-102.
The use of modern and archive remote sensing data for GIS monitoring of riparian ecosystems
Alexey V. Kutuzov
Papanin Institute for Biology of Inland Waters, Russian Academy of Sciences, Borok 109, Nekouz District, Yaroslavl'Oblast', 152742 Russia
kutuzov-st@yandex. com
Association of lowland reservoirs with marsh systems at an ordinary water level amplitude of 3-5 m can increase the total flooding area 1.5-2 times. The use of remote sensing and GIS for the processing and storage of satellite and field data allows the study and monitoring of wetland ecosystems at a new information and cartographic level, as well as correcting and supplementing existing literary and cartographic data. In this work we used ERS data obtained from the modern Landsat-8 and Sentinel-2 satellites. The GIS-based analysis of changes in the studied landscapes revealed the zone of direct influence of the reservoir inland up to 3.5 km, and allowed the areas of shallow water and adjacent wetland ecosystems to be evaluated and four hydrological, zones to be established.
Key words: ecotone, marsh ecosystems, reservoir, basin, floodplain, flooded areas, satellite imagery.
