Анализ динамики засоленных комплексов для оценки степени аридизации территории западной Сибири на основе ГИС и ДЗ

Глушкова Надежда Владимировна; Чупина Дарья Анатольевна; Котлер Софья Андреевна

АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ЗАСОЛЕННЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ АРИДИЗАЦИИ ТЕРРИТОРИИ ЗАПАДНО Й СИ БИРИ НА ОСНОВЕ ГИС И ДЗ

Надежда Владимировна Глушкова

Институт геологии и минералогии СО РАН им. В.С. Соболева, 630090, Россия,

г. Новосибирск, просп. Академика В.А.Коптюга, 3, научный сотрудник, тел. 8-(383)-335-62-79, e-mail: [email protected]

Дарья Анатольевна Чупина

Институт геологии и минералогии СО РАН им. В.С. Соболева, 630090, Россия,

г. Новосибирск, просп. Академика В.А.Коптюга, 3, младший научный сотрудник,

тел. 8-(383)-335-62-79, e-mail: [email protected]

Софья Андреевна Котлер

Институт геологии и минералогии СО РАН им. В.С. Соболева, 630090, Россия,

г. Новосибирск, просп. Академика В.А.Коптюга, 3, лаборант, тел. 8-(383)-335-62-79, e-mail: [email protected]

В статье рассмотрена методика картографирования засоленных комплексов Западной Сибири на субмеридиональном транссекте междуречья Оби и Иртыша для оценки динамики аридизации на лесостепных, степных и опустыненно-степных территориях. Проанализирована динамика увлажнения/иссушения на основе выявления закономерностей изменения площадей солончаков, растительности, открытой почвы, водных объектов. Изучены особенности трансформации мультиспектральных признаков при генерализации от крупного пространственного разрешения к среднему и мелкому (QUICKBIRD — SPOT, Landsat — Modis.

Ключевые слова: засоленные комплексы; генерализация спектров; ГИС; данные дистанционного зондирования.

AN ANALYSIS OF THE SALINE COMPLEXES DYNAMICS FOR ARIDIZATION ESTIMATE OF WESTERN SIBERIA AREA (ON THE BASIS OF GIS AND RS)

Nadejda V. Glushkova

Institute of Geology and Mineralogy SB RAS of V.S. Soboleva, 630090, Russia, Novosibirsk, Ac.Koptiug av. 3, Researcher, tel. 8-( 383) -335-62-79, e-mail: [email protected]

Darya A. Chupina

Institute of Geology and Mineralogy SB RAS of V.S. Soboleva, 630090, Russia, Novosibirsk, Ac.Koptiug av. 3, Junior Researcher, tel. 8-( 383) -335-62-79, e-mail: dasha.chupina @ gmail.com

Sophia A. Kotler

Institute of Geology and Mineralogy SB RAS of V.S. Soboleva, 630090, Russia, Novosibirsk, Ac.Koptiug av. 3, assistant, tel. 8-( 383) -335-62-79, e-mail: [email protected]

The article is devoted to development of a mapping technique of the Western Siberia salted complexes on submeridional transsect of interfluve of Ob and Irtysh for an assessment of dynamics of an aridization in forest-steppe, steppe and desert-steppe territories. Analysis of a moistening/desiccation dynamics is based on regularities of change of the saline soils areas, the vegetation, the open soil, water objects. The transformation of multispectral signs are studied at generalization from large spatial resolution to average and small (QUICKBIRD — SPOT, Landsat — Modis).

В настоящее время все большую актуальность приобретают вопросы реакции региональных экосистем на глобальные изменения природной среды и климата. Для территорий недостаточного увлажнения Евразии особую роль играют процессы аридизации, сопровождающиеся увеличением экстремальности климата. Объектом исследования является юг Западной Сибири, где наблюдается уменьшение степени увлажненности территорий и вызванное этим сокращение биологической продуктивности. Наряду с климатическими изменениями существенную роль в деградации растительного покрова играет антропогенная деятельность (чрезмерная распашка земель, неправильная ирригация, перевы-пас скота и др.).

В данной работе показателями процессов аридизации выступают площади озер и примыкающего к ним галоморфного микропояса (галофитные сообщества на солончаках). На территории юга Западно-Сибирской равнины питание озер обеспечивается в основном поверхностным стоком [1], поэтому условия увлажнения оказывают значительное влияние на уровень воды в них. В случае полного высыхания озера на его месте происходит формирование солончаков. В результате площадь, занимаемая солончаками, увеличивается, и соответственно меняется соотношение между отдельными природно -территориальными комплексами. Как было показано в предыдущих исследованиях [2], зачастую солончаки могут зарастать галофитной растительностью, поэтому при анализе долговременных изменений увлажнености, площадь озер является более точным индикатором аридизации, нежели площадь солончаков.

В настоящее время наиболее эффективным методом изучения пространственного распределения засоленных комплексов (озер и солончаков) является картографирование с помощью ГИС-технологий на основе данных дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ). В статье представлены результаты анализа изменчивости реакции ландшафтов на колебания площадей озер и солончаков в зависимости от положения на субмеридиональном транссекте лесостепной и степной зон юга Западной Сибири. Для мониторинга засоленных комплексов и озер этой территории по сериям разновременных космических снимков (LANDSAT, SPOT) выбрано четыре участка на междуречье Оби и Иртыша в районах, прилегающих к озерам Чаны, Баган, Кулундинское и Малиновое.

Особый интерес представляло выявление значимых различий в спектральных кривых для природно-территориальных комплексов разного состава на основе анализа субпиксельной структуры снимка. Это вызвано тем, что на снимках среднего и мелкого разрешения, в отличие от снимков крупного разрешения, пиксели включают не один объект, а несколько и, соответственно, имеют не «чистые», а смешанные спектральные характеристики. Проблема трансформации мультиспектральных характеристик (отражающих аридизацию) за счет генерализации при переходе от крупного пространственного разрешения к среднему и мелкому была рассмотрена на примерах QUICKBIRD — SPOT, Landsat — Modis.

Особенностью изучаемого региона является широкое распространение озер. Для Барабинской равнины характерно наличие больших древних озерных поверхностей, а для Кулундинской - наличие большого количества бессточных озерных котловин. Каждый полигон охарактеризован с использованием цифровой модели рельефа SRTM, данных государственной геологической съемки и полевых исследований авторского коллектива исполнителей по проекту. Также в работе использовалась схема изменений структуры ПТК в результате высыхания, полученная в результате наземных наблюдений 2001-2008 годов [3].

Технологическая последовательность включает в себя в первую очередь подбор временной серии космоснимков на каждый полигон. Исходные данные состоят из серии космоснимков LANDSAT, SPOT. На полигон №1 (озеро Чаны) использовались снимки датчика Landsat TM и ETM+ следующих годов: TM 1.08.1989; ETM+ 3.09.2001; TM 7.09.2011. На полигоне №2 использовались как снимки спутников Landsat, так и SPOT: TM 1.08.1989; ETM+ 3.09.2001; SPOT 28.08.2008. На полигоне №3 (Кулундинское озеро) и №4 (Малиновое озеро) анализировались снимки серии Landsat: ТМ 4.09.1989; ЕТМ+ 4.08.2001; TM 22.09.2010 и ТМ 26.07.0989; ЕТМ+ 4.08.2001; ТМ 22.09.2010 соответственно. На космоснимках по каждому полигону проводилось распознавание озер и солончаков методами управляемых классификацией (правило максимального правдоподобия - Maximum Likelihood). Для этого были выбраны 5 обучающих эталонных полигонов: участки солончаков, водных объектов, пашен, леса, естественной травянистой растительности (сенокосы и пастбища). Классификация проводилась по 6 каналам снимков Landsat TM, ETM+ и 3 каналам SPOT.

Для получения количественных показателей динамики площадей озер и солончаков за определенные временные интервалы растровые выделы конвертировались в векторный формат для проведения оверлейных операций. В результате получены 5 классов объектов: 1) озера, вновь заполнившиеся водой, 2) солончаки, появившиеся за счет деградации растительности, 3) солончаки, появившиеся в результате высыхания озер, 4) галофитные сообщества по солончакам, 5) зарастающие озера. Их динамика анализировалась по трем хронологическим интервалам: 1) 1989-2001 гг.; 2) 2010 (2008 для участка 2, 2011 для участка 1) - 2001 гг.; 3) 1989 - 2010 гг. Очевидно, что разница за 2011 - 1989 гг. отражает более долговременную климатическую тенденцию за 2 последних десятилетия.

Для оценки вклада смежных ландшафтов в спектральный отклик при переходе от снимков крупного разрешения к более мелкому проводилась интерполяция спектральных характеристик всех каналов снимка с шагом сетки, равным пространственному разрешению более крупномасштабного снимка, и радиусом интерполяции, равным пространственному разрешению более мелкомасштабного снимка. Это позволяет получить модель более мелкомасштабного снимка. Далее проводилось моделирование спектральных кривых на тестовых группах пикселей с четко определенным соотношением удельных площадей озер, солончаков, густой древесно-кустарниковой растительности, почвы с разреженным растительным покровом и т.п.

Проведенные исследования генерализации спектральных кривых на снимках различного пространственного разрешения показали, что спектральная кривая пикселя на снимке мелкого пространственного разрешения (Modis) зависит от спектральных кривых ландшафтных объектов и их процентного соотношения в кластерах дискретов снимка среднего пространственного разрешения (Landsat, Spot), соответствующих пикселю Modis. При переходе от снимков QuickBird к снимкам Landsat различия в спектральных характеристиках минимальны, в то время как при переходе от снимка Landsat к снимку MODIS различия более значительные, так как пиксель снимка MODIS усредняет в процессе генерализации значительное количество разнородных ландшафтных обстановок. Эта технология позволяет анализировать вклад ландшафтных обстановок в спектральный отклик космоснимков, моделировать теоретически возможные комбинации, а затем решать обратную задачу — реконструировать изначальную субпиксельную структуру по генерализованным спектральным характеристикам.

Для первого участка, прилегающего к озеру Чаны, временной интервал 1989-2001 гг. характеризуется увеличением площади солончаков и уменьшением площади озер, а временной интервал 2011-2001 гг. увеличением площади, как солончаков, так и озер. В целом, на первом участке за 20 лет (временной интервал 2011-1989 гг.) прослеживается тренд к уменьшению площади озер и к увеличению площади солончаков. Участок второй приурочен к озеру Баган. Он отличается по динамике показателей на 2001 год от первого участка, но как это будет показано далее схож с четвертым участком. Т.е. на участках 2 и 4 на хроносрез 2001 года отмечается расширение озер и соответственно уменьшение площади солончаков. На участке 3, приуроченном к окрестностям озера Кулундинское, короткий пик частного увлажнения, наблюдающийся в 2001 г для участков 2 и 4, не проявлен. Наоборот, в окрестностях озера наблюдается постоянная тенденция к деградации озер и увеличению солончаков, постепенно зарастающих галофитными сообществами. Четвертый участок самый южный. Характеризуется большими удельными площадями солончаков и разреженной растительностью. Здесь самые аридные условия из всех полигонов (не лесостепь, а степь). Поэтому процессы зарастания солончаков гораздо менее выражены, чем в районах расположенных севернее. Проведенные исследования показали, что размах изменений удельных площадей как озер, так и солончаков, увеличивается в несколько раз с севера на юг по мере смещения от типичных лесостепных условий к обстановкам степным и опустыненным (см. рис.1). Таким образом, в более южных районах, где лесостепь сменяется степью, фиксируются наиболее контрастные реакции местных экосистем на изменения климата.

Рис. 1. Динамика удельных площадей солончаков и озер

Работа выполнена в рамках проекта РФФИ № 12-05-31101

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Абрамович Д.И. Воды Кулундинской степи. [Текст]: / Изд-во Сиб. отд. АН СССР.- Новосибирск: Изд-во Сиб. отд. АН СССР, 1960. - 214 с.

2. Лямина В.А., Глушкова Н.В., Смоленцева Е.Н., Зольников И.Д. Использование методов ГИС и ДЗ для мониторинга площади озер и солончаков на территории юга Западной Сибири//Интерэкспо ГЕО-Сибирь. Новосибирск: СГГА. Т.4, № 2, 2010. С.3-7.

3. Зольников И.Д., Глушкова Н.В., Лямина В.А., Смоленцева Е.Н., Королюк А.Ю., Безуглова Н.Н., Зинченко Г.С., Пузанов А.В. Индикация динамики природнотерриториальных комплексов юга Западной Сибири в связи с изменениями климата // География и природные ресурсы. 2011. №2. - С. 155-160.

AN ANALYSIS OF THE SALINE COMPLEXES DYNAMICS FOR ARIDIZATION ESTIMATE OF WESTERN SIBERIA AREA (ON THE BASIS OF GIS AND RS)

Текст научной работы на тему «Анализ динамики засоленных комплексов для оценки степени аридизации территории западной Сибири на основе ГИС и ДЗ»