CC BY
36
DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10802 УДК 528.854.2; 528.854.4
Использование данных дистанционного зондирования для изучения склоновых процессов на территории памятника природы «Печищинский геологический разрез»
А. М. САБИРЗЯНОВ, Н. А. ЛОГИНОВ, А. М. ШАРАФИЕВА
Казанский государственный аграрный университет, ул. К. Маркса, 65, Казань, 420015, Российская Федерация
Резюме. Развитие склоновых процессов распространено практически повсеместно. Они играют доминирующую роль в формировании рельефа окружающей среды. Поэтому их изучению придают особое значение. При этом научный интерес вызван потребностью людей в знании генезиса и истории развития рельефа земной поверхности, практический - в необходимости предотвращения эрозии почвы, проведения изысканий при строительстве сооружений или поиске месторождений полезных ископаемых и др. Цель нашей работы - изучение склоновых процессов, их оценка (анализ) с использованием данных дистанционного зондирования и разработка природоохранных мероприятий для предотвращения негативных последствий. В качестве объекта исследований выбран склон Печищинского геологического разреза в Республике Татарстан на правом коренном берегу р. Волга. Методика исследования заключалась в комплексном сравнительном анализе аэро- и космоснимков 1942-2017 гг., которую осуществляли с их привязкой, оцифровкой бровки склона и подсчетом количественных характеристик ее изменения. В основном они характеризуются образованием овражно-балочной сети и проявлением карстовых процессов. Определены следующие количественные характеристики отступания бровки склона: площадь изъятых земель; средние скорости трансформации; удельные потери земель от разрушений. На исследуемой территории осыпные процессы протекают медленно и угрозы для окружающей среды или жизнедеятельности людей не представляют. Об этом свидетельствует невысокая скорость смещения бровки склона, которая в 1942-2002 гг. не превышала 0,56 м/год и в последние годы - 0,24 м/год. Ключевые слова: склоновые процессы, дистанционное зондирование, аэроснимки, космоснимки, пространственная привязка.
Сведения об авторах: А. М. Сабирзянов, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент (e-mail: sabiralmaz@mail.ru); Н. А. Логинов, кандидат технических наук, доцент; А. М. Шарафиева, магистрант.
Для цитирования: Сабирзянов А. М., Логинов Н. А., Шарафиева А. М. Использование данных дистанционного зондирования для изучения склоновых процессов на территории памятника природы «Печищинский геологический разрез» // Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 8. С. 10-13. DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10802.
Use of Remote Sensing Data for the Study of Slope Processes in the Territory of the Natural Monument Pechishchinsky Geological Section
A. M. Sabirzyanov, N. A. Loginov, A. M. Sharafieva
Kazan State Agrarian University, ul. K. Marksa, 65, Kazan', 420015, Russian Federation
Abstract. The development of slope processes is observed almost everywhere. They play a dominant role in the formation of environment relief. The scientific interest in this issue is caused by the need of people to know the genesis and history of the Earth's relief; the practical interest is caused by the need of people to prevent soil erosion and to carry on investigations before construction or search for minerals and others. The purpose of the work was to study slope processes, to evaluate (analyze) them using remote sensing data and to develop environmental measures to prevent their negative consequences. A slope of Pechishchinsky Geological Section in the Republic of Tatarstan on the right valley side of Volga was selected as the object of the study. The study method was a comprehensive comparative analysis of the aerial and space images with their reference, digitization of slope edge and counting of the quantitative characteristics of its changes. The images were made in the period from 1942 to 2017. In general, they were characterized by the formation of ravine network and karst processes. The area of withdrawn lands, average transformation rates, and specific lands losses caused by destruction were defined as the quantitative characteristics of the slope edge recessions. The slow scree processes on the investigated area did not pose any threats to the environment or human life and activities as evidenced by the low speed of slope edge displacement, which in 1942-2002 did not exceed 0.56 m/year, whereas in the last few years it did not exceed 0.24 m/year. Keywords: slope processes; remote sensing; aerial images; space images; spatial reference.
Author Details: A. M. Sabirzyanov, Cand. Sc. (Agr.), assoc.prof. (e-mail: sabiralmaz@mail.ru); N. A. Loginov, Cand. Sc. (Tech.), assoc. prof.; A. M. Sharafieva, magister.
For citation: Sabirzyanov A. M., Loginov N. A., Sharafieva A. M. Use of Remote Sensing Data for the Study of Slope Processes in the Territory of the Natural Monument Pechishchinsky Geological Section. DostizheniyanaukiitekhnikiAPK. 2019. Vol. 33. No. 8. Pp. 10-13 (inRuss.). DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10802.
Склоновые процессы имеют исключительно широкое распространение и наиболее характерны для горного ландшафта. Они имеют большое значение при определении целесообразности хозяйственного освоения территорий [1].
Отсюда следует, что материалы по изучению склоновых процессов и оценке их интенсивности имеют особую важность как с научной, так и с практической точки зрения. В научном аспекте склоновые процессы рассматриваются в качестве факторов рельефообра-зования. При практическом подходе учитываются их негативное влияние на окружающую среду или вероятные угрозы для жизни и здоровья людей.
Кроме того, необходимо выделить проблему сохранения геологических памятников природы.
Во многих странах мероприятия по охране природы регламентируются государственными и местными законами. При этом реализуются специальные программы по сохранению национального природного наследия и создается список объектов всемирного наследия.
Цель исследования - изучение склоновых процессов, происходящих на территории памятника природы «Печищинский геологический разрез», их оценка и анализ посредством использования данных дистанционного зондирования для разработки природоох-
ранных мероприятий по предотвращению негативных последствий.
Условия, материалы и методы. Территория, выбранная для исследований, представляет собой объект геологического наследия. Печищинский геологический разрез - эталон стратотипической местности пермского периода, который обладает огромной ценностью и значимостью для научных исследований. Он служит не только фактографической базой для изучения окружающего мира, но и представляет собой важнейший элемент ландшафта. Печищинский разрез уникален в своем роде, поэтому даже частичная его утрата может быть невозместимой. Такой объект геологического наследия нуждается в охране и его сохранение имеет огромное значение. Поэтому геологические исследования на этой территории ведутся также для учета и контроля состояния памятника природы [2].
Выбор методики проведения исследований основывался на комплексном сравнительном анализе аэрофотоснимков и космоснимков, а именно: дешифрировании, пространственной привязке снимков, оцифровке линейных и площадных объектов. Помимо этого, осуществляли расчет таких количественных показателей, как переработанная площадь, удельные потери земель, скорость смещения бровки.
Изучение осыпных процессов на территории Печи-щинского геологического разреза предусматривало наблюдение за отступанием бровки склона.
Первым этапом исследования стал подбор данных дистанционного зондирования. Предпочтение было отдано аэрокосмическим снимкам. Этот метод обеспечивает ряд преимуществ, главное из которых повторяемость, обеспечивающая наблюдения за различными процессами или явлениями с любой регулярностью. Именно периодичность наблюдений позволяет отслеживать динамику склоновых и других видов процессов.
В качестве исходных данных использовали аэро-фотоснимок1942 г., космические снимки 1966,2002 и 2017 гг., а также ортофотоплан исследуемой территории за 2013 г. Снимки получены с применением программ SAS Планета (SASPlanet) и Google Планета Земля. При их выгрузке из программы SASPlanet выбрана проекция Geographic (Latitude/Longitude) / WGS84 / EPSG:4326, результирующий формат JPEG. Для последующей привязки снимков был создан файл TAB. Выгруженные снимки с помощью программы GTT конвертировали из JPEG в TIFF формат. После чего им задавали проекцию WGS1984 в программе ArcMap 10.2.2 [3].
Следующий шаг состоял в обработке полученных снимков посредством визуального дешифрирования, что позволило получить информацию об объектах местности и происходящих на ней экзогенных процессах.
Затем была проведена пространственная привязка снимков - присвоение пространственных местоположений векторным объектам карты или снимков с использованием систем координат. Пространственно привязанные растровые снимки и карты позволяют просматривать данные, выполнять запросы,анализировать их вместе с другими географическими данными, вычислять количественные характеристики различных векторных объектов, определять положение объектов и их изменения во времени.
Пространственную привязку растровых данных проводили с использованием целевых(пространственных) данных, в качестве которых использовали снимок 2017
г. с уже имеющейся пространственной привязкой. Привязываемыми растрами стали снимки 1942, 1966 и 2002 гг., а также ортофотоплан 2013 г.
Сам процесс привязки включал определение серии опорных (контрольных) точек с известными координатами х и у. В ходе работы опорными точками служили пересечения дорог, углы улиц и зданий. Количество использовавшихся контрольных точек варьировало от 10 до 15 шт. [4].
По завершению привязки проводили трансформацию (преобразование) снимков, с помощью которой набор растровых данных был сдвинут в географически верное местоположение и стал соответствовать координатам исходных данных. Следует отметить, что преобразование можно проводиться методом полиномов (1, 2, 3-го и нулевого порядков), сплайнов, подгонки или подобия. Предпочтение было отдано полиномиальной трансформации 2-го порядка, так как она наилучшим образом обеспечивает корректирование сложных искажений и позволяет уменьшить погрешности (невязки) [5, 6].
Все текущие процессы привязок и преобразования снимков осуществляли с использованием программы АгсМар. В ней же была оцифрована бровка склона по состоянию в разные годы (рис. 1).
Рис. 1. Оцифровка бровок склона в программе ArcMap 10.2.2
При изучении осыпных или других экзогенных процессов один из важных этапов - оценка их динамических параметров [7, 8]. Осуществляют ее путем вычислений количественных характеристик. В нашем случае были подсчитаны параметры отступания бровки склона. Оценку ее динамики проводили по ранее перечисленным снимкам, а временные промежутки составили 1942-1966,1966-2002, 2002-2013, 2013-2017 гг. Подсчеты проводили для всего участка в целом и для той его части, на которой наблюдали максимальное отступание бровки (рис. 2).
Количественными характеристиками отступания бровки послужили среднее ее смещение, площадь изъятой земли, средняя скорость переработки, удельные потери земель. Площадь изъятой земли, протяженность и среднее смещение бровки определяли непосредственно в программе АгсМар 10.2.2.
Скорость смещения бровки вычисляли по формуле
[9]:
V = 1/1 (1)
где среднее смещение бровки, м; ? - промежуток времени, год.
Удельные потери земель определяли как отношение протяженности бровки к площади изъятой земли в определенный промежуток времени (2):
Рис. 2. Области вычислений количественных характеристик отступания бровки склона
У =
¿sXÎ
-хЮ3
(2)
где - длина протяженности бровки склона, м; Э - площадь изъятой земли, м2; ? - промежуток времени, год.
Результаты и обсуждение. Скорость отступания бровки в среднем для всего участка и его части с максимальным смещением бровки составила 0,3.. .0,4 м/год. Невысокая величина этого показателя свидетельствует о том, что процессы осыпания происходят с низкой интенсивностью. Это может быть связано с составом пород, слагающих склон.
Таблица. Результаты вычислений количественных характеристик отступания бровки склона
Период Количество лет Площадь изъятой земли, м2 Среднее смещение бровки, м Скорость отступания бровки, м/год Удельныепо-тери земель, га/(кмгод)
Весь участок
1942-1966 24 1936,18 9,76 0,41 17,3
1966-2002 36 6632,74 15,38 0,43 39,4
2002-2013 11 519,26 2,59 0,24 10,1
2013-2017 4 176,40 0,92 0,23 9,4
Участок с максимальным смещением бровки
1942-1966 24 782,90 13,55 0,56 35,1
1966-2002 36 2061,35 20,45 0,57 61,6
2002-2013 11 103,29 2,19 0,20 2,0
2013-2017 4 37,40 0,47 0,12 2,0
У Печищинского разреза они представлены толщами чередующихся доломитов, известняков, мергелей, алевролитов, песчаников, с включениями гипса, глины и др. [10]. Низкой скорости отступания бровки могло способствовать преобладание доломитов в составе пород склона. В отличие от легко выветриваемых пород они наиболее прочны и устойчивы [11, 12].
Особого внимания заслуживает участок с максимальным смещением бровки склона. По результатам
проведенных вычислений он характеризуется наибольшими величинами показателей площади изъятой земли, скорости отступания бровки и удельной потери земель, что обусловлено факторами, вызывающими развитие процессов осыпания (колебания температур, талые воды, высота денудационной стенки, состав пород и др.).
По итогам расчетов проведена типизация осыпного склона на основе классификации берегов морей и водохранилищ по степени опасности развития процесса их переработки [13]. Согласно ее результатам исследуемый участок, включая часть с максимальным смещением бровки склона, относится к малоопасному типу.
Типы опасности по показателю удельной потери земель варьируют от малоопасных до весьма опасных.
Для предотвращения процессов осыпания на памятнике природы и сохранения его облика разработаны 2 варианта защитных мероприятий. Первый предусматривает посадку агролесомелиоративных насаждений и строительство гидротехнических противоэрозионных сооружений (водозадерживающие валы), второй - облесение территории.
Выбор мероприятий обусловлен их эффективностью и доступностью для реализации при относительно малых материально-технических и финансовых затратах. Мероприятия по защите бровки склона от осыпных процессов проектируются на водораздельной площади, так как размещение их на самом склоне разреза неприемлемо в силу его ценности как памятника природы.
Выводы. Изучение динамики осыпных процессов, которые происходят на территории Печищинского геологического разреза показало, что осыпные процессы протекают с малой интенсивностью, которую подтверждает невысокая скорость отступания бровки склона и площади изъятой земли. В последние годы (начиная с 2002 г.) отмечено уменьшение скорости смещения бровки. По степени опасности развития процесса переработки склон Печищинского разреза отнесен к малоопасному типу со скоростью смещения бровки склона не более 0,56 м/год, в том числе в период с 2002 г. - не более 0,24 м/год, что не представляет угрозы для жизни и здоровья людей или отрицательных воздействий на окружающую среду.
Литература.
1. Остроухов А. В., Ким В. И., Махинов А. Н. Оценка морфометрическихпараметров оползня на Бурейском водохранилище и его последствий на основе ДДЗЗ и данных полевых измерений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 1. С. 254-258.
2. Болякова К. Ю. Мониторинг опасных экзогенных процессов Татарстана на примере памятника природы «Печищинский геологический разрез» // Управление объектами недвижимости и развитием территорий. Саратов: Центр социальных агро-инноваций СГАУ, 2017. С. 69-73.
3. Официальный сайт ArcGIS - Справочная библиотека ArcGIS, 1995-2013. URL: www.resources.arcgis.com (дата обращения 04.04.2019).
4. Захарова Л. Н., Захаров А. И. Наблюдение динамики зоны оползня на реке Бурея по данным интерферометрической съёмки Sentinel-1 в 2017-2018 гг. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 2. С. 273-277.
5. Симоненко Е. В., Лопырев А. Е., Криворотова А. А. Мониторинг земель дистанционным зондированием территории// Новая наука: Теоретический и практический взгляд. 2017. Т. 2. № 4. С. 205.
6. Day D., Weaver W., Wilsing L. Accuracy of UAS Photogrammetry: A Comparative Evaluation //Photogrammetric Engineering & Remote Sensing. 2016. Vol. 82. № 12. Pp. 909-914.
7. Возможности использования БПЛА при изучении труднодоступных участков геологических разрезов (на примере Пе-чищенского стратотипа) /А. В. Старовойтов, Э. А., Королев, А. А. Ескин и др. // Инженерная и горная геофизика. URL: http:// www.earthdoc.org/publication/publicationdetails/?publication= 91711 (дата обращения 23.03.2019).
8. Ocean Remote Sensing in Russia /A. G. Kostianoy, A. I. Ginzburg, O. V. Kopelevich, etc. // Comprehensive Remote Sensing. 2018. Vol. 8. Pp. 284-325.
9. Рагозин А. Л., Бурова В. Н. Региональный анализ абразионной опасности и риска на морях и водохранилищах России //Современные проблемы изучения берегов. СПб.: ИТА РАН, 1995. С. 45-46.
10. Геология Татарстана: стратиграфия и тектоника / М-во экологии и природных ресурсов Республики Татарстан. М.: ГЕОС, 2003. 402 с.
11. Ларочкина И. А. Геологические памятники природы Республики Татарстан: Казань, Акварель-Арт, 2017. 296 с.
12. Research advances of SAR remote sensing for agriculture applications: A review/ C. Liu, Z. Chen, Y. Shao etc. // Journal of Integrative Agriculture. 2019. Vol. 18, № 3. Pp. 506-525.
13. Егоров И. Е. Экзогенные геоморфологические процессы и методы их изучения: монография. Ижевск: Удмурдский государственный университет, 2017. 383 с.
References
1. Ostroukhov AV, Kim VI, Makhinov AN. [Evaluation of the morphometric parameters of a landslide on the Bureyskoye reservoir and its consequences based on remote sensing and field measurements]. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2019;16(1):254-8. Russian.
2. Bolyakova KYu. Monitoring opasnykh ekzogennykh protsessov Tatarstana na primere pamyatnika prirody "Pechishchinskii geologicheskii razrez" [Monitoring of dangerous exogenous processes in Tatarstan by the example of the Pechishchinsky geological section natural monument]. In: Upravlenie ob"ektami nedvizhimosti i razvitiem territorii [Property Management and Territory Development]. Saratov (Russia): Tsentr sotsial'nykh agroinnovatsii SGAU; 2017. p. 69-73. Russian.
3. ArcGIS Resources-Archive, 1995-2013 [Internet]. 2019 [cited 2019 Apr4]. Available from: http://www.resources.arcgis.com.
4. Zakharova LN, Zakharov AI. [Observation of the dynamics of the landslide zone on the Bureya river according to the Sentinel-1 interferometric survey in 2017-2018]. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2019;16(2):273-7. Russian.
5. Simonenko EV, LopyrevAE, Krivorotova AA. [Land monitoring by remote sensing]. Novaya nauka: Teoreticheskii i prakticheskii vzglyad. 2017;2(4):205. Russian.
6. Day D, Weaver W, Wilsing L. Accuracy of UAS Photogrammetry: A Comparative Evaluation. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing. 2016;82(12):909-14.
7. Starovoitov AV, Korolev EA, Eskin AA, et al. [The possibilities of using UAVs in the study of hard-to-reach sites of geological sections (for example, the Pechischensky stratotype)]. Inzhenernaya i gornaya geofizika [cited 2019 Mar 23]. Available from: http:// www.earthdoc.org/publication/publicationdetails/?publication= 91711. Russian.
8. Kostianoy AG, Ginzburg AI, Kopelevichetc OV. Ocean Remote Sensing in Russia. Comprehensive Remote Sensing. 2018;8:284-325.
9. Ragozin AL, Burova VN. Regional'nyi analiz abrazionnoi opasnosti i riska na moryakh i vodokhranilishchakh Rossii [Regional analysis of abrasion hazard and risk in the seas and reservoirs of Russia]. In: Sovremennye problemy izucheniya beregov [Modern problems of coastal studies]. Saint-Petersburg (Russia): ITA RAN; 1995. p. 45-6. Russian.
10. Ministry of Ecology and Natural Resources of the Republic of Tatarstan. Geologiya Tatarstana: stratigrafiya i tektonika [Geology of Tatarstan: stratigraphy and tectonics]. Moscow: GEOS; 2003. 402 p. Russian.
11. Larochkina IA. Geologicheskie pamyatniki prirody Respubliki Tatarstan [Geological monuments of nature of the Republic of Tatarstan]. Kazan'(Russia): Akvarel'-Art; 2017. 296p. Russian.
12. Liu C, Chen Z, Shao Y, et al. Research advances of SAR remote sensing for agriculture applications. Journal of Integrative Agriculture. 2019;18(3):506-25.
13. Egorov IE. Ekzogennye geomorfologicheskie protsessy i metody ikh izucheniya [Exogenous geomorphologicalprocesses and methods for their study]. Izhevsk (Russia): Udmurdskii gosudarstvennyi universitet; 2017. 383 p. Russian.
Требования к оформлению статей в журнале «Достижения науки и техники АПК»
В статье должно быть кратко изложено состояние дел по изучаемой проблеме со ссылками на публикации (желательно не менее трех ссылок). Затем указаны цели, задачи, условия и методы исследований. Подробно представлены результаты экспериментов и их анализ. Сделаны выводы и даны предложения производству. В статье следует по возможности выделять следующие блоки: введение; цель и задачи исследований; условия, материалы и методы исследований; результаты исследований; выводы.
Вместе со статьей должны быть представлены перевод названия на английский язык; аннотация (200-250 слов) на русском и английском языках; ключевые слова на русском и английском языках; полные почтовые адреса всех учреждений, в которых работают авторы, на русском и английском языке; ученые степени и должности авторов на русском и английском языке код УДК; библиографический список.
В тексте ссылка на источник отмечается соответствующей цифрой в квадратных скобках в порядке цитирования. В списке литературы приводятся только те источники, на которые есть ссылка в тексте. Использование цитат без указания источника информации запрещается.
Материал для подачи в журнал набирается в текстовом редакторе Word версия не ниже 97 файл с расширением *.rtf.
Объем публикации 12-16 стр. машинописного текста набранного шрифтом Times New Roman, размер кегля 14 с полуторным интервалом. На 2,5 страницы текста допускается не более 1 рисунка или таблицы.
Статьи необходимо направлять с сопроводительным письмом с указанием сведений об авторах (фамилия, имя, отчество -полностью, ученая степень, место работы и занимаемая должность) на русском и английском языке, контактных телефонов и адреса электронной почты для обратной связи.
На публикацию представляемых материалов необходимо письменное разрешение и рекомендация руководства организации, на средства которой проводились исследования. Его вместе с одним экземпляром рукописи, подписанным авторами, и статьей в электронном виде нужно отправлять по адресу: 101000, г. Москва, Моспочтамт, а/я 166, ООО «Редакция журнала «Достижения науки и техники АПК». Для ускорения выхода в свет материалы в электронном виде можно направлять по адресу: agroapk@mail.ru.
Плата с аспирантов за публикацию рукописей не взимается.
Несоответствие статьи по одному из перечисленных пунктов может служить основанием для отказа в публикации.
Все рукописи, содержащие сведения о результатах научных исследований, рецензируются, по итогам рецензирования принимается решение о целесообразности опубликования материалов.
