CC BY
4
УДК 619:576.89:528.88
DOI: 10.24412/1728-323X-2023-4-85-88
АЛГОРИТМ ИНФОРМАЦИОННО-ПОИСКОВОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПОЗНАВАНИЯ ЗАБРОШЕННЫХ СКОТОМОГИЛЬНИКОВ НА ЮЖНОЙ ГРАНИЦЕ КРИОЛИТОЗОНЫ
Н. Б. Бадмаев, д. б. н, заместитель директора по научной работе, заведующий лабораторией географии и экологии почв, ФГБУН Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, nima_b@mail.ru, г. Улан-Удэ, Россия
З. Ф. Дугаржапова, к. м. н, ведущий научный сотрудник лаборатории сибирской язвы отдела эпидемиологии, ФКУЗ «Иркутский научно-исследовательский противочумный институт Сибири и Дальнего Востока Роспотребнадзора», zorigmad@mail.ru, г. Иркутск, Россия Б. З. Цыдыпов, к. т. н, старший научный сотрудник лаборатории геоэкологии, ФГБУН Байкальский институт природопользования СО РАН, bz61@binm.ru, г. Улан-Удэ, Россия
Аннотация. Междисциплинарные исследования на основе мониторинга и ГИС-технологий позволили разработать принципы инновационного подхода к поиску заброшенных скотомогильников, основанного на анализе космических снимков и установленных пространственных и ландшафтных признаков для их распознавания. На территории Республики Бурятия в условиях островной мерзлоты на четырех выявленных скотомогильниках обнаружена ДНК возбудителя сибирской язвы и доказана потенциальная активность двух почвенных очагов.
Использование метода распознавания на основе ГИС-технологий и создание программного комплекса значительно расширяют возможности автоматизированного и целенаправленного поиска заброшенных скотомогильников, прогнозирования их пространственного расположения, выявления почвенных очагов сибирской язвы и оценки их биологической опасности в условиях криолитозоны.
Abstract. Interdisciplinary research based on monitoring and GIS technologies made it possible to develop the principles of an innovative approach to the search for abandoned animal burial grounds, based on the analysis of satellite images and the established spatial and landscape features for their recognition. In the territory of the Republic of Buryatia, in the conditions of insular permafrost, the DNA of the causative agent of anthrax was found at four identified cattle burial grounds and the potential activity of two soil foci was proved.
The use of the recognition method based on GIS technologies and the creation of a software package significantly expands the possibilities of automated and targeted search for abandoned anthrax burial sites, predicting their spatial location, identifying foci of anthrax and assessing their biological hazard in permafrost conditions.
Ключевые слова: ГИС, космические снимки, мерзлота, распознавание, сибирская язва, скотомогильники.
Keywords: GIS, satellite images, permafrost, recognition, anthrax, animal burial grounds.
Радикальные изменения в политике и экономике нашей страны в конце прошлого века вызвали существенные изменения земельного фонда. Прошедшие в течение последних 30 лет земельные преобразования в основном ограничились перераспределением земель и формированием многообразия форм собственности на землю. Помимо этого, возникли проблемы с контролем и надзором за скотомогильниками (СМ), которые ранее находились на землях сельскохозяйственных предприятий и в настоящее время появились вопросы по перерегистрации и переводу земельных участков с СМ в другую категорию земель.
По территории Забайкалья проходит южная граница криолитозоны, где в переходной зоне от сплошной криолитозоны к островной наиболее ярко проявляется динамика температурного поля почв. Глобальные изменения вызывают повышение температуры воздуха и оттаивание сезонной и многолетней мерзлоты на огромных просторах севера нашей страны. В связи с этим появляются проблемы выхода на дневную поверхность земли останков животных на территории почвенных очагов сибирской язвы, что наглядно показала
крупнейшая эпизоотия с эпидемическими осложнениями на Ямале в 2016 г. [1].
Исследования направлены на решение фундаментальной задачи распознавания природных и антропогенных объектов методами ГИС-тех-нологий. Актуальность поставленных задач соответствует приоритетным направлениям Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации (утверждена Указом Президента РФ № 642 от 1 декабря 2016 г.): «Переход к цифровым и интеллектуальным... технологиям...», «Противодействие..., биогенным угрозам... и... источникам опасности для общества, экономики и государства» и «Фундаментальные исследования, ...обеспечивающие готовность страны к большим вызовам... возможность своевременной оценки рисков, обусловленных научно-техно логическим развитием».
Поиск и оценка литературы по данной теме исследований показывает, что в зарубежных публикациях проблема выявления заброшенных СМ по космическим снимкам не освещалась. Проведение компьютерного анализа космических снимков территорий Баргузинского и Курумканского
№ 4,2023
85
районов Республики Бурятия для выявления заброшенных скотомогильников является пионерной работой не только в нашей стране, но и за рубежом.
Выбор этих районов был обусловлен тем, что р. Баргузин — одна из трех главных артерий оз. Байкал и поэтому расположение 19 зарегистрированных скотомогильников является реальной угрозой не только для жителей и сельскохозяйственных животных Баргузинского и Ку-румканского районов Республики Бурятия, но и всего Байкальского региона. В особенности после известной чрезвычайной ситуации летом 2008 г. в Баргузинском районе, когда был отмечен падеж 65 голов крупного и мелкого рогатого скота и госпитализировано 11 человек, в т. ч. восьми пациентам поставлен диагноз «сибирская язва». На территории Баргузинской котловины могут оставаться заброшенные скотомогильники и захоронения животных, сохраняться почвенные очаги сибирской язвы.
Для создания информационно-поисковой системы по обнаружению заброшенных СМ нами использован успешный опыт разработки алгоритмов выявления экологических ниш мерзлотных почв на юге Витимского плоскогорья и создания многоступенчатой информационно-распознающей системы для факторной диагностики почв криолитозоны Восточного Забайкалья [2].
Скотомогильник представляет собой территорию площадью 600 м2 с биотермической ямой, огороженной рвом. Для обнаружения объекта подобных размеров по геометрическим характеристикам необходимо использовать снимки с пространственным разрешением порядка нескольких десятков сантиметров, что соответствует категории снимков со сверхвысоким разрешением. Данные аэрофотосъемки также относятся к данной категории.
Необходимо отметить, что для большинства алгоритмов распознавания образов требуются весьма значительные вычислительные мощности, которые могут быть обеспечены только высокопроизводительной компьютерной техникой.
Алгоритм распознавания скотомогильников на снимках земной поверхности состоит из двух основных этапов, заключающихся в: 1) исключении из анализа пространственных областей, не отвечающих требованиям размещения скотомогильников; 2) непосредственном поиске образа. Использование данного подхода позволяет значительно сэкономить вычислительные ресурсы и время.
Алгоритм представлен следующим образом:
1. Задание входных данных: цифровая модель рельефа (ЦМР), снимок сверхвысокого прост-
ранственного разрешения (субметровое разрешение), мультиспектральный снимок для определения водных объектов и растительности, векторные данные инфраструктуры и гидрографии.
2. Выделение областей 8 по высоте местности. Из рассмотрения исключаются области с высотой ниже 400 и выше 600 м над уровнем моря. В качестве входных данных используется ЦМР ЯЯТМ V. 4.
3. Выделение областей по типу растительности. Исключаются территории, покрытые лесом (БО). Входные данные — мультиспектральные снимки. Для выделения леса можно использовать нормированный разностный вегетационный индекс КБУ1.
4. Выделение областей по гидрографическим характеристикам местности. Исключаются области, прилегающие к водным объектам (^О) менее чем на 200 м, и в зонах с выходом на поверхность
^ Начало ^
#
1. Входные данные ЦМР, /
снимок сверхвысокого /
разрешения, /
мультиспектральный / снимок, объекты /
гидрографии, /
инфраструктуры /
Рис. 1. Блок схема алгоритма обнаружения СМ на основе материалов ДЗЗ
86
№ 4, 2023
1 этап. Составление портретов СМ (идеальные и реальные)
2 этап. Установление
ландшафтных и пространственных признаков СМ
3 этап. Выявление заброшенных СМ по космическим снимкам
4 этап. Отбор образцов для анализа методом ПЦР
. . . - '.{Л. ,•#* - £
Рис. 2. Принципы пространственного распознавания заброшенных скотомогильников
грунтовых вод или глубиной их залегания менее 50 см. Используются векторные данные объектов гидрографии, также для оконтуривания водных объектов можно использовать мультиспектраль-ные снимки.
5. Выделение областей по объектам инфраструктуры. Исключаются области, прилегающие к населенным пунктам, автомобильным трассам и ЛЭП (1О). Входные данные — векторы объектов инфраструктуры.
6. Распознавание образа скотомогильника по его геометрическим характеристикам.
Результатом работы алгоритма являются векторные данные, представляющие собой контур скотомогильника. Блок-схема алгоритма представлена на рис. 1.
Разработан, предложен и представлен новый подход к выявлению заброшенных СМ, основанный на анализе космических снимков, пространственных и ландшафтных признаках для их распознавания (рис. 2).
На первом этапе создается «идеальный портрет 1» СМ на основе анализа общих требований к размещению и строительству скотомогильников на территории Российской Федерации согласно Ветеринарно-санитарным правилам сбора, утилизации и уничтожения биологических отходов [3]. На втором экспедиционном этапе решаются задачи количественной и качественной оценки местоположения зарегистрированных СМ на территории районов республики и их соответствие требованиям Ветеринарно-санитарных правил № 13-7-2/469. Здесь создается второй «реальный портрет 2» СМ.
На основе установленных пространственных и ландшафтных характеристик СМ и анализа космических снимков с точными географическими координатами на этапе 3 определяются признаки пространственного и ландшафтного происхождения для их распознавания и дешифрирования на местности. При распознавании наиболее достоверными признаками оказались пространственные (размер и форма СМ, траншеи и рвы, формы биотермических ям) и ландшафтные (рельеф — сухой возвышенный участок, открытые степные необле-сенные угодья). На этапе 4 на четырех выявленных нами заброшенных СМ в пробах двух объектов получены положительные результаты лабораторных исследований, проведенных в испытательном лабораторном центре ФКУЗ «Иркутский научно-исследовательский противочумный институт Сибири и Дальнего Востока Роспотребнадзора», моле-кулярно-генетическим методом обнаружена ДНК возбудителя сибирской язвы. На основании комплексного эпизоотолого-эпидемиологического обследования заброшенных СМ поселения Баянгол Республики Бурятия доказана потенциальная активность двух почвенных очагов сибирской язвы.
Результаты исследований по выявленным заброшенным СМ и протоколы лабораторных исследований официально переданы соисполнителями органам государственной власти для проведения необходимых работ согласно требованиям действующего ветеринарного и санитарного законодательства и решения правового статуса заброшенных скотомогильников (Управление Роспотребнадзора по Республике Бурятия, Управление ветеринарии по Республике Бурятия).
№ 4, 2023
87
Заключение
Междисциплинарные исследования институтов СО РАН и Иркутского противочумного НИИ Роспотребнадзора (в рамках проекта ГЭФ) на основе ГИС-технологий позволили разработать и реализовать новый подход к выявлению заброшенных СМ (после Баргузинской вспышки 2008 г.), основанный на анализе космических снимков и установленных пространственных и ландшафтных признаках для их распознавания.
На территории Республики Бурятия в условиях островной мерзлоты на четырех выявленных СМ обнаружена ДНК возбудителя сибирской яз-
вы и доказана потенциальная активность двух почвенных очагов [4].
Использование метода распознавания на основе ГИС-технологий значительно расширяют возможности целенаправленного поиска заброшенных СМ, прогнозирования их пространствен -ного расположения, выявления почвенных очагов сибирской язвы и оценки их биологической опасности в условиях криолитозоны [5, 6].
Работа выполнена при финансовой поддержке проектов НИР № 121030100228-4 ИОЭБ СО РАН и № AAAA-A21-121011990023-1 БИП СО РАН.
Библиографический список
1. Опыт ликвидации вспышки сибирской язвы на Ямале в 2016 году / Под ред. А. Ю. Поповой, А. Н. Куличенко. — Ижевск: ООО «Принт-2», 2017. — 313 с.
2. Бадмаев Н. Б. Координатный анализ и принципы распознавания почв. — Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2008. — 206 с.
3. Ветеринарно-санитарные правила сбора, утилизации и уничтожения биологических отходов (утв. Главным государственным ветеринарным инспектором Российской Федерации 4 сентября 1995 г. № 13-7-2/469) (с изменениями и дополнениями от 16 августа 2007 г.).
4. Дугаржапова З. Ф., Бадмаев Н. Б., Такайшвили В. Е., Кравец Е. В., Цыдыпов Б. З., Очиров О. Н., Аюржанаев А. А., Содномов Б. В., Малаткина Б. Б., Зверева О. А., Шахаева О. П., Булутов К. В., Ханхареев С. С., Чеснокова М. В., Балахонов С. В. Экологическое и микробиологическое обследование неблагополучных по сибирской язве территорий Республики Бурятия (Баргузинский и Курумканский районы) // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. — 2016. № 4. — С. 22—28.
5. Бадмаев Н. Б. Геоинформационные технологии распознавания заброшенных скотомогильников. — Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2017. — 164 с.
6. Дугаржапова З. Ф., Чеснокова М. В., Иванова Т. А., Косилко С. А., Балахонов С. В. Совершенствование методических подходов к обследованию сибиреязвенных захоронений и скотомогильников // Проблемы особо опасных инфекций. — 2019. № 4. — С. 41—47. — https://doi.org/10.21055/0370-1069-2019-4-41-47
ALGORITHM OF INFORMATION-SEARCH SYSTEM FOR SPATIAL RECOGNITION OF ABANDONED ANIMAL BURIAL GROUNDS ON THE SOUTHERN BORDER OF THE PERMAFROST
N. B. Badmaev, Ph. D. (Biology), Dr. Habil., Deputy Director for Research, Head of the Laboratory of Soil Geography and Ecology, Federal State Budgetary Institution of Science "Institute of General and Experimental Biology SB RAS", nima_b@mail.ru, Russia, Ulan-Ude, Z. F. Dugarzhapova, Ph. D. (Medical Sciences), Leading Researcher, Laboratory of Anthrax, Department of Epidemiology, Federal State Health Institution "Irkutsk Rospotrebnadzor Research Anti-Plague Institute of Siberia and the Far East", zorigmad@mail.ru, Russia, Irkutsk, B. Z. Tsydypov, Ph. D. (Engineering), Senior Researcher, Laboratory of Geoecology, Federal State Budgetary Institution of Science "Baikal Institute of Nature Management SB RAS", bz61@binm.ru, Russia, Ulan-Ude
References
1. Opyt likvidatsii vspyshki sibirskoy yazvy na Yamale v 2016 godu [Experience in eliminating an anthrax outbreak in Yamal in 2016]. Ed. A. Yu. Popova, A. N. Kulichenko. Izhevsk: Print-2 LLC, 2017. 313 p. [in Russian].
2. Badmaev N. B. Koordinatnyy analiz i printsipy raspoznavaniya pochv [Coordinate analysis and principles of soil recognition]. Ulan-Ude: BSU Publishing House, 2008. 206 p. [in Russian].
3. Veterinarno-sanitarnyye pravila sbora, utilizatsii i unichtozheniya biologicheskikh otkhodov [Veterinary and sanitary rules for the collection, disposal and destruction of biological waste] (approved by the Chief State Veterinary Inspector of the Russian Federation on September 4, 1995. No. 13-7-2/469) (as amended and supplemented on August 16, 2007) [in Russian].
4. Dugarzhapova Z. F., Badmaev N. B., Takaishvili V. E., Kravets E. V., Tsydypov B. Z., Ochirov O. N., Ayurzhanaev A. A., Sodnomov B. V., Malatkina B. B., Zvereva O. A., Shakhaeva O. P., Bulutov K. V., Khankhareev S. S., Chesnokova M. V., Balakhonov S. V. Ekologicheskoye i mikrobiologicheskoye obsledovaniye neblagopoluchnykh po sibirskoy yazve territoriy Re-spubliki Buryatiya (Barguzinskiy i Kurumkanskiy rayony) [Ecological and microbiological examination of the territories of the Republic of Buryatia unfavorable for anthrax (Barguzinsky and Kurumkansky districts)]. Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology. 2016. No. 4. P. 22—28 [in Russian].
5. Badmaev N. B. Geoinformatsionnyye tekhnologii raspoznavaniya zabroshennykh skotomogil'nikov [Geoinformation technologies for the recognition of abandoned animal burial grounds]. Ulan-Ude: Buryat Scientific Center SB RAS Publishing house, 2017. 164 p. [in Russian].
6. Dugarzhapova Z. F., Chesnokova M. V., Ivanova T. A., Kosilko S. A., Balakhonov S. V. Sovershenstvovaniye metodicheskikh podkhodov k obsledovaniyu sibireyazvennykh zakhoroneniy i skotomogil'nikov [Improvement of methodological approaches to the examination of anthrax burials and animal burial grounds]. Problems of especially dangerous infections. 2019. No. 4. P. 41—47. https://doi.org/10.21055/0370-1069-2019-4-41-47 [in Russian].
88
№ 4,2023
