CC BY
14
УДК 528.8
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ В ИССЛЕДОВАНИИ СТЕПЕЙ УЛУГ-ХЕМСКОЙ КОТЛОВИНЫ РЕСПУБЛИКИ ТЫВА
Дмитрий Сергеевич Дубовик
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат географических наук, зав. кафедрой экологии и природопользования, тел. (383)361-08-86, e-mail: d.d@ngs.ru
Михаил Владимирович Якутии
Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 8/2, доктор биологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории биогеоценологии, тел. (383)363-90-25, e-mail: yakutin@issa.nsc.ru; Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, профессор кафедры экологии и природопользования
В результате дешифрирования данных Landsat проведена оценка площадей пашни и залежей в центральной и юго-восточной частях Улуг-Хемской котловины Республики Тыва. Проведенное исследование продемонстрировало, что, несмотря на большое разнообразие локальных условий в пределах Улуг-Хемской котловины, определяющим фактором для пахотного земледелия является климатический. В зоне сухих степей наиболее перспективным типом хозяйственного использования территорий, занятых степной растительностью, является отгонное скотоводство. Значительная часть территорий, распаханных во второй половине ХХ века, в условиях рыночной экономики забрасывается, переводится в разряд залежей и в дальнейшем начинает вновь использоваться в качестве пастбищ. Представляется актуальным более подробное исследование и дальнейший мониторинг степных экосистем Улуг-Хемской котловины.
Ключевые слова: дистанционное зондирование, экологический мониторинг, степные экосистемы, пашня, залежь, деградация.
USE OF REMOTE SENSING DATA IN THE STUDY OF THE STEPPES OF ULUG-CHEM DEPRESSION IN THE TUVA REPUBLIC
Dmitry S. Dubovik
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, PhD, Associate Professor, Department of Ecology and Environmental Management, tel. (383)361-08-86, e-mail: d.d@ngs.ru
Mikhail V. Yakutin
Institute of Soil Science and Agrochemistry SB RAS, 8/2, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Associate Professor, Leading Researcher, Biogeocenology Laboratory, phone: (383)363-90-25, e-mail: yakutin@issa.nsc.ru; Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Professor of Department of Ecology and Wildlife Management
As a result of Landsat data decoding, the area of arable land and deposit lands in the Central and South-Eastern parts of the Ulug-Khem depression in the Tuva Republic was assessed. The study showed that, despite the wide variety of local conditions within the Ulug-Khem depression,
the determining factor for arable farming is climate. In the dry steppe zone the most perspective type of economic use of the territories occupied by steppe vegetation is the distant cattle breeding. A significant part of the territories plowed in the second half of the twentieth century, in a market economy is abandoned, transferred to the category of deposits and later is reused as pastures. A more detailed study and further monitoring of steppe ecosystems of Ulug-Khem depression is considered relevant.
Key words: remote sensing, environmental monitoring, steppe ecosystems, arable land, deposit land, degradation.
Введение
Методы изучения Земли из космоса относят к высоким технологиям, что определяется не только использованием спутниковой техники, сложных оптико-электронных приборов и компьютеров, но и новых подходов к получению и интерпретации результатов измерений. Трудоемкие исследования проводятся на небольшой площади, но дают возможность обобщать данные на большие пространства и даже на весь земной шар. Широта охвата и сравнительно короткие интервалы времени для получения результатов являются характерными чертами спутниковых методов исследования Земли. Данные дистанционного зондирования можно использовать в различных сферах деятельности. Информация, полученная с использованием этих методов, поступает к пользователю оперативно, и зачастую не может быть собрана в полевых условиях. Методы дистанционного зондирования постоянно модифицируются, и это позволяет получать более точную и разнообразную информацию об объекте [1, 2].
Территория исследуемого региона находится в центральной части Азиатского материка между 54 и 50° с. ш., 88 и 89° в. д., и является преимущественно горной страной (почти 82 % территории занято горами). Только 18 % территории приходится на долю относительно пониженных и выровненных элементов рельефа [3]. На территории Тувы выделяются следующие типы ландшафтов: котловинный сухостепной, горностепной, горнолесной и высокогорный. Типичные черты сезонной дифференциации определяются положением Тувы во внутриконтинентальном секторе умеренного пояса. Изолированность котловин служит одной из причин формирования в них климата повышенной континен-тальности. Территория лежит в «дождевой тени» хребтов Алтая и Западного Саяна, поэтому осадков выпадает мало - 180-300 мм. Наибольшее количество осадков - до 65-85 % годовой суммы - приходится, главным образом, на июль и август. В зимний период в условиях отрицательного радиационного баланса и господства антициклонической погоды днища котловин сильно выхолаживаются, а в средне- и высокогорных районах, в результате инверсионных потоков, температура воздуха на 15-20° выше, чем в котловине. В летний сезон, наоборот, происходит сильное нагревание днища котловины при более пониженных температурах в горных районах [4].
Центрально-Тувинская котловина представляет собой понижение рельефа между горами Западного Саяна, Восточного Саяна, Алтая и Танну-Ола на тер-
ритории республики Тува. Длина Центрально-Тувинской котловины около 400 км, ширина от 25 до 70 км, высота колеблется от 600 до 900 м над уровнем моря. Местами в котловину вдаются отроги соседних хребтов. Котловину прорезает долина Верхнего Енисея (Улуг-Хема). Территорию котловины принято разделять на западную и восточную части - Хемчикскую и Улуг-Хемскую котловины, соответственно. Улуг-Хемская котловина занимает большую часть Центрально-Тувинской депрессии. Длина ее составляет около 100 км, при средней ширине 25-30 км. В северной и западной частях котловины наблюдается низкогорный, сильно расчлененный рельеф отдельных возвышенностей с высотами 1200-1500 м и мелкосопочник право- и левобережья р. Улуг-Хем. За пределами долины р. Улуг-Хема, в области распространения увалисто-грядово-равнинного рельефа, наблюдаются древние сухие долины и небольшие бессточные котловины с солоноватыми и солеными озерами. На некоторых водораздельных увалах и в древних долинах встречаются крупные песчаные массивы [5, 6].
Территория Улуг-Хемской котловины представляет собой природный комплекс, состоящий из равнинных и горных экосистем, экосистем речных долин и т. д. Рельеф изобилует разнообразием форм, что является результатом разнообразных природных условий в котловине. Для юго-восточной и восточной частей котловины характерны горный рельеф и повышенное увлажнение, что приводит к преобладанию горных черноземов и темно-каштановых почв. Данные почвы являются наиболее благоприятными для ведения сельского хозяйства. В понижении котловины преобладают светло-каштановые и темно-каштановые песчаные почвы. В западной части котловины каштановые и темно-каштановые песчаные и супесчаные в сочетании с солончаками, что объясняется наличием речных долин [3, 7].
Сухостепные межгорные котловины Тувы в сочетании с горным обрамлением исторически являются центрами развития кочевого скотоводства. Использование пастбищных ресурсов котловин и горных склонов - основной фактор исторической и современной антропогенной трансформации экосистем. Различные условия внутри котловины, а также отгонная пространственно-временная система выпаса скота позволяет содержать скот на естественном корме круглый год. Это уменьшает антропогенную нагрузку на пастбища, давая восстановиться экосистемам [8].
Начиная с 60-х годов прошлого века в Туве ведется активная распашка территорий котловин, в том числе и Улуг-Хемской. Это привело к сокращению площадей пастбищ, что, в свою очередь, привело к уменьшению поголовья скота. Антропогенная нагрузка на территорию резко увеличилась, поскольку к тому времени не существовало технологий природопользования именно для такой специфической территории. Значительное по площади количество пашен через 10-15 лет постепенно вышло из севооборота, что привело к увеличению площадей залежей. По сравнению с началом 90-х годов прошлого века площадь пашен в Улуг-Хемской котловине сократилась в примерно в 7 раз, что говорит
о том, что большая часть из них попросту стала непригодна для посева. В настоящее время большая часть земель Тувы отнесена к категории земель лесного фонда (64,5 %), к землям сельскохозяйственного назначения относится 18,8 % площади территории республики [6, 9, 10].
Крайняя «ранимость» степных экосистем, в условиях резко континентального климата и увеличивающейся антропогенной нагрузки подчеркивает важность вопросов изучения, оперативной оценки хозяйственного использования, планирования, рационального управления этой территорией. Дистанционные методы зондирования земли в Туве используются пока очень ограниченно [11-13]. Более широкое их использование могло бы быть очень полезным в сохранении стабильной экологической обстановки в регионе.
Объекты и методы исследования
Улуг-Хемскую котловину можно условно разделить на три части, заметно отличающиеся между собой по природным условиям: западную, центральную и юго-восточную. В качестве непосредственного объекта исследования был выбран участок, ограниченный реками Улуг-Хем, Каа-Хем и Элегест с севера и запада, и границей котловины с востока и юга. Именно здесь проживает подавляющая часть населения республики, сосредоточены запасы угля, располагаются многие ценные природные объекты. Данный участок охватывает всю юго-восточную и большую половину центральной части котловины и включает контрастный набор экосистем - от сухих степей на светло-каштановых почвах и массивов незакрепленных песков в центральной части котловины, до степей на черноземных почвах, лесостепных и лесных экосистем в юго-восточной части. Исследуемая территория представлена на рис. 1.
Рис. 1. Исследуемая территория в Улуг-Хемской котловине
В качестве исходных материалов для оценки территории, помимо литературных данных, были использованы данные Landsat 5, 7, 8 [14], Почвенная карта республики Тува масштаба 1:1 000 000 [15], топографические карты масштаба 1: 200 000 [16]. Кроме того, отдельные объекты были получены в обменном векторном формате. Характеристика используемых пространственных данных представлена в табл. 1.
Таблица 1
Данные Landsat, используемые в работе
Наименование Дата съемки Масштаб (разрешение)
Landsat 5 L51IKR1011262040100_HDF Синтезированные изображения в комбинациях каналов RGB 1234657 Растительный индекс NDVI 19.09. 2011 г. 200 000 (30 м) (30 м)
Landsat 7 LE71400242013291SG100 Синтезированные изображения в комбинациях каналов RGB 1234657 Растительный индекс NDVI 18.10. 2013 г. 200 000 (15 м) (30 м)
Landsat 8 LC81400242013203LGN00: Синтезированные изображения в комбинациях каналов RGB 769; 764; 654 Растительный индекс NDVI 22.07. 2013 г. 200 000 (15 м) (30 м)
Для работы были выбраны снимки соответствующих сезонов с приемлемым облачным покрытием. Основной снимок второй половины лета 2013 года, а также снимок Landsat 7, полученный в октябре и Landsat 5, предыдущего сезона - для более достоверной дифференциации используемых пашен и залежей.
Все данные были получены в виде отдельных спектральных каналов, представляющих из себя заархивированный набор черно-белых растровых изображений в формате geo-tiff. Данные скорректированы спектрально и пространственно, поставляются в универсальной поперечной проекции Меркатора на эллипсоид WGS-84. Обработка снимков осуществлялась с использованием программного продукта Erdas Imagine 2013 и включала в себя синтезирование цветных изображений, построение растительных индексов, увеличение пространственного разрешения цветных изображений за счёт панхроматического канала (операция «Resolution merge», метод «Brovey transform»).
После того, как данные были подготовлены, дальнейшая работа осуществлялась в двух геоинформационных системах - Mapinfo Professional и «Карта 2008». Дешифрирование, векторизация, построения матриц осуществлялись в ГИС «Карта 2008», здесь же происходила вся совместная работа с различными растровыми источниками, качественный, и, частично, количественный анализ территории. В Mapinfo Professional удобнее было осуществлять построение
отдельных объектов, проводить вычисления площадей. Связь между средами осуществлялась через обменный формат «.т1Б>. Весь указанный комплекс данных, собранный в виде электронной карты в программной среде «ГИС Карта» по существу и составил пространственную основу для исследования и оценки территории.
Результаты
Одна из задач работы заключалась в установлении площадей и расположения фактически используемых пашен и деградированных участков залежей в пределах исследуемой территории. Дешифрирование выполнялось с учетом всех имеющихся пространственных данных: два «вспомогательных» снимка -ЬапёБа1 7, полученный в октябре 2013 года и ЬапёБа1 5, полученный в аналогичном сезоне 2011 года использовались при дифференциации используемых пашен и залежей; данные растительного индекса КОУ1 - для выявления участков с нарушенным растительным покровом. Кроме того, границы между различными экосистемами лучше отображаются на изображениях, синтезированных в различных сочетаниях спектральных каналов.
Пашни и залежи имеют формы, несвойственные природным объектам, чаще всего прямоугольные или угловатые. Земли, используемые под пашни, на снимке имеют равномерную, светлую текстуру, что объясняется отражательной способностью культур, которые там произрастают (рис. 2). Неиспользуемые земли, залежи и пары на снимке выглядят темнее, что является следствием зарастания их рудеральной растительностью.
Рис. 2. Пашни и залежи в Улуг-Хемской котловине на космическом снимке
На залежах и пашнях в основном в центральной части котловины присутствуют участки, поверхности которых полностью покрыты песком и щебнем. На снимке, в сочетании каналов RGB 769 такие участки выглядят белесыми «островками» (рис. 3).
Рис. 3. Выходы песка и щебня (желтые островки) на залежах в центральной части Улуг-Хемской котловины, на фоне снимка Landsat 8
Обсуждение
Распределение площадей выделов преобладающих типов хозяйственного использования территорий в пределах исследуемого участка Улуг-Хемской котловины представлено в табл. 2.
Таблица 2
Исторически сложившиеся типы хозяйственного использования
2
степных экосистем Улуг-Хемской котловины, км
Наименование Центральная часть котловины Юго-восточная часть котловины
Трудно доступные, либо мало используемые территории 539 1008
Целинные территории используемые, преимущественно, в качестве пастбищ 2154 669
Территории, периодически используемые в качестве пашен 0 196
Территории, занятые преимущественно залежами 1640 714
Селитебные и промышленные территории 77 14
В результате комплексного дешифрирования и анализа территории по данным 2013 года было установлено, что площади используемой пашни в пределах исследуемой территории в юго-восточной части котловины составляют 60,2 км , тогда как в центральной части пашни сведены полностью. Площадь залежных земель в юго-восточной части составляет 257,75 км2; на территории центральной части котловины площадь залежей составляет 882,39 км , что почти в три раза больше, чем в юго-восточной. Залежи, находящиеся в центральной части котловины более подвержены эрозионным процессам, чем залежи в юго-восточной части. Об этом говорит соотношение площадей деградированных или полностью сведенных участков на залежах.
В юго-восточной части котловины среднее расстояние от населенных пунктов до залежных участков составляет около 12 км, тогда как пашни имеющиеся только в этой части котловины расположены от населенных пунктов в среднем на расстоянии 2 км, что меньше расстояний от залежей до населенных пунктов в 6 раз. При этом прочих существенных отличий в расположении пашен и залежей в юго-восточной части котловины не обнаружено. Очевидно, что в 90-е гг. ХХ века расстояние от населенного пункта было ведущим критерием при выборе участков, переводимых в режим залежи. В центральной части котловины участки, занятые пашнями не были обнаружены, т.е. все ранее распаханные территории переведены в разряд залежей.
Заключение
Проведенное исследование продемонстрировало, что, несмотря на большое разнообразие локальных условий в пределах Улуг-Хемской котловины, определяющим фактором для пахотного земледелия является климатический. В зоне сухих степей наиболее перспективным типом хозяйственного использования территорий, занятых степной растительностью, является отгонное скотоводство. Значительная часть территорий, распаханных во второй половине ХХ века, в условиях рыночной экономики забрасывается, переводится в разряд залежей и в дальнейшем начинает вновь использоваться в качестве пастбищ. Представляется актуальным более подробное исследование и дальнейший мониторинг степных экосистем Улуг-Хемской котловины.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кашкин В. Б., Сухинин А. И. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений. - М.: Логос, 2001. - 264 с.
2. Чандра А. М., Гош С. К. Дистанционное зондирование и географические информационные системы. - М.: Техносфера, 2008. - 312 с.
3. Носин В. А. Почвы Тувы. - М.: Изд-во Академии Наук СССР, 1963. - 340 с.
4. Чибилёв А. А. Степи Северной Евразии (эколого-географический очерк и библиография). - Екатеринбург: УрО РАН, 1998. - 192 с.
5. Геология СССР. Т. 29. Тувинская АССР. Ч. 1. Геологическое описание [под ред. А. В. Сидоренко]. - М.: Недра, 1966. - 464 с.
6. Ондар С. О., Путинцев Н. И., Ашак-оол А. Ч. и др. Проблемы устойчивости экосистем и оценка их современного состояния. - Кызыл: ТувИКОПР СО РАН, 2000. - 182 с.
7. Ступин В. П. Картографирование морфосистем. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. -
148 с.
8. Куминова А. В., Седельников В. П., Маскаев Ю. М. и др. Растительный покров и естественные кормовые угодья Тувинской АССР. - Новосибирск: Наука, 1985. - 185 с.
9. Гомбоев Б. О. Аграрное землепользование Внутренней Азии. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. - 228 с.
10. Мордкович В. Г., Гиляров А. М., Тишков А. А., Баландин С. А. Судьба степей. -Новосибирск: «Мангазея», 1997. - 208 с.
11. Якутин М. В., Дубовик Д. С. Использование данных дистанционного зондирования в мониторинге экосистем Турано-Уюкской котловины // Геодезия и картография. Известия высших учебных заведений. - 2012. - № 1. - С. 75-78.
12. Якутин М. В., Дубовик Д. С. О системе показателей мониторинга экосистем сухих степей // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 2 (18). - С. 94-99.
13. Якутин М. В., Дубовик Д. С., Анопченко Л. Ю. Оценка динамики водного зеркала малых озер Убсунурской котловины (Тыва) по материалам дистанционного зондирования // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2016. - № 1. - С. 71-74.
14. Официальный сайт геологической службы США. - Режим доступа: http://glovis.usgs.gov (19.03.14 г.)
15. Почвенная карта республики Тува. Масштаб 1:1 000 000. - 1969.
16. Топографическая карта, листы: М-46-05; М-46-06; М-46-11; М-46-12. Масштаб 1:200 000. - Главное управление геодезии и картографии при совете министров СССР, 1982.
REFERENCES
1. Kashkin V. B., Sukhinin, A. I., Remote sensing of the Earth from space. Digital image processing. - Moscow: Logos, 2001. - 264 p. [in Russian].
2. Chandra A. M. and Ghosh S. K. Remote sensing and geographical information system. -Moscow: Technosphere, 2008. - 312 p. [in Russian].
3. Nosin V. A. Soils of Tuva. - Moscow: Publishing house of the USSR Academy of Sciences, 1963. - 340 p. [in Russian].
4. Chibilev A. A. Steppes of Northern Eurasia (ecological and geographical essay and bibliography). - Ekaterinburg: UB RAS, 1998. - 192 p. [in Russian].
5. Geology of the USSR. Vol. 29. The Tuva ASSR. Part 1. Geological description [under the editorship of A. V. Sidorenko]. - Moscow: Nedra, 1966. - 464. [in Russian].
6. Ondar S. O., Putintsev N. A., Ashac-ool A. C. etc. Problems of sustainability of ecosystems and assessment of their current state. - Kyzyl: Tuvinian Institute for Exploration of Natural Resources of SB RAS, 2000. - 182 p. [in Russian].
7. Stupin V. P. Mapping of morphosystems. - Irkutsk: Publishing house of Irkutsk state technical university, 2008. - 148 p. [in Russian].
8. Kuminova A. V., Sedel'nikov V. P., Maskaev Yu. M. etc. The vegetation cover and the natural fodder lands of the Tuva ASSR. - Novosibirsk: Nauka, 1985. - 185 p. [in Russian].
9. Gomboev B. O. The agrarian land tenure of the Inner Asia. - Novosibirsk: Publishing house SB RAS, 2006. - 228 p. [in Russian].
10. Mordkovich V. G., Gilyarov A. M., Tishkov A. A., Balandin S. A. The fate of the steppes. - Novosibirsk: «Mangazeya», 1997. - 208 p. [in Russian].
11. Yakutin M. V., Dubovik D. S. Use of remote sensing data in monitoring ecosystems Turano-Uyuk depression // Geodesy and cartography. News of higher educational institutions. -2012. - № 1. - P. 75-78. [in Russian].
12. Yakutin M. V., Dubovik D. S. On the system of indicators for monitoring the ecosystems of dry steppes // Bulletin of the SSGA. - 2012. - Vol. 2 (18). - P. 94-99. [in Russian].
13. Yakutin M. V., Dubovik D. S., Anopchenko L. Yu. Assessment of the dynamics of the water table in small lakes of Ubsunur depression (Tuva) at the remote sensing materials // Geodesy and cartography. News of higher educational institutions. - 2016. - № 1. - P. 71-74. [in Russian].
14. The official website of the U.S. geological survey. - Access mode: http://glovis.usgs.gov (19.03.14 g.)
15. Soil map of the Republic of Tuva. Scale 1: 1 000 000. - 1969. [in Russian].
16. Topographic map, sheets: M-46-05; M-46-06; M-46-11; M-46-12. Scale 1: 200 000. -Main Department of geodesy and cartography in the USSR Council of Ministers, 1982. [in Russian].
© Д. С. Дубовик, М. В. Якутия, 2018
