CC BY
122
УДК 631.445.52, 528.855
В.А. Лямина*, Н.В. Глушкова*, Е.Н. Смоленцева**, И.Д. Зольников*
*ИГМ СО РАН, НГУ, Новосибирск ** ИПА СО РАН, Новосибирск
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ ГИС И ДЗ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПЛОЩАДИ ОЗЕР И СОЛОНЧАКОВ НА ТЕРРИТОРИИ ЮГА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
В работе рассмотрено использование методов ГИС и ДЗ для мониторинга изменения площади озер и солончаков. В исследованиях использованы данные наземных полевых наблюдений и космические снимки среднего разрешения (Landsdat, SPOT), охватывающие период времени с 1989 по 2008. Разработанная комплексная технология на основе применения ГИС и ДЗ позволила перейти от качественной к количественной оценке изменений ключевых параметров наземных экосистем. Полученные результаты показывают перспективность использования ДДЗЗ для мониторинга процессов, обусловленных динамикой увлажнения на юге Западной Сибири.
V.A. Lyamina*, N.V. Glushkova,* E.N. Smolentceva**, I.D. Zolnikov*
*IGM SB RAS, Novosibirsk **ISA SB RAS, Novosibirsk
USE OF METHODS OF GIS AND RS FOR MONITORING OF CHANGE OF LAKES AND SOLONCHAKS AREAS ON THE TERRITORY OF WESTERN SIBERIA SOUTH
In this work the use of methods of GIS and RS for monitoring of change of lakes and solonchaks areas is considered. In the study the data of land observation and space images of middle resolution (Landsdat, SPOT) of period 1989-2008 is used. The developed complex technology on the basis of GIS and RS allows to pass from qualitative to quantitative estimation of key parameters changes in ecosystems. The derived results shows the perspective of RS data using for monitoring the processes, caused by humidity dynamics on the Western Siberia south.
В южной части Западной Сибири широко распространены озёрные котловины. Каждая из них представляет собой замкнутое понижение, в центре которого находится одно или несколько озёр, расположенных цепочкой. Окружены котловины гривами и гривообразными повышениями, которые повсеместно распаханы. Относительные превышения между уровнем озёр и вершинами окружающих их повышений составляет 5-15 м.
К котловинам приурочены своеобразные геосистемы локального уровня -природно-территориальные комплексы (ПТК) озёрных котловин. Пространственной особенностью их является микропоясная структура. Непосредственно к акватории озёр примыкает галоморфный микропояс -галофитные сообщества на солончаках. Акватории озёр и солончаки представляют собой пространственно сопряжённые ПТК, соотношение между которыми динамично изменяется в пространстве и во времени. Согласно литературным данным [1, 2], площадь акваторий озёр зависит от
климатического увлажнения территории. Немногочисленные литературные
данные свидетельствуют о значительных колебаниях уровня воды в озёрах в течение последних 100-200 лет, вплоть до полного их высыхания [3, 4]. На дне озер, обнажающихся после испарения воды, происходит формирование солончаков. В результате площадь, занимаемая солончаками, увеличивается, и соответственно меняется соотношение между отдельными ПТК. Так как питаются озёра преимущественно за счёт стока поверхностных вод [2], то климатические условия увлажнения оказывают значительное влияние на уровень воды в озёрах и соотношение ПТК прилегающих к озёрам территорий. Поэтому пространственно-временная динамика ПТК озёрных котловин -важный объект для изучения влияния процесса аридизации на геосистемы локального уровня. Особенно отмечается в настоящее время существенный недостаток информации о количественных аспектах пространственновременной динамики этих объектов на фоне современных изменений климатических условий. Изучение пространственного распределения ПТК проводят путём картографирования их на различных уровнях географического охвата. В настоящее время особое место принадлежит методам автоматизированного картографирования с помощью ГИС-технологий на основе данных дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ). Цель нашей работы - количественная оценка пространственно-временной динамики акваторий озёр и ареалов солончаков в южной части Западной Сибири на основе ДДЗЗ с использованием ГИС.
Исследования проводились на юге Западной Сибири в пределах Кулундинской равнины. Особенностью региона является широкое распространение озёр. На Кулундинской равнине их насчитывается около 3 000, преобладающее большинство — бессточные [2]. Отличительной гидрографической чертой является малая глубина озёрных котловин в целом и их подводной части. Начальный этап изучения структуры и динамики локальных ПТК озёрных котловин включал наземные наблюдения, проводимые в 2001-2008 годах на ключевом участке площадью около 200 га, расположенном в одной из котловин. В состав участка входит озеро и прилегающие к нему территории с естественным растительным покровом. Было проведено сопряжённое изучение почв и растительности методом закладки профилей и картографированием. Были выделены ПТК низшего уровня, проведено их описание с координатной привязкой точки описания по GPS. В дальнейшем эти точки использовались для выбора эталонных участков на космических снимках при их автоматической классификации. Проводились также сезонные (с начала мая по конец сентября) и годовые наблюдения за уровнем воды в озере методом закладки реперов. На основании результатов наземных наблюдений была разработана схема изменений структуры ПТК в результате высыхания озера.
Далее проводилась количественная оценка проходящих изменений за пределами ключевого участка. Для экстраполяции результатов наземных наблюдений на прилегающие к ключевому участку территории и дальнейшего мониторинга локальных ПТК были использованы ДДЗЗ и геоинформационные технологии для их обработки и анализа. Основным методом изучения пространственно-временной динамики было картографирование эталонного
полигона на основе ДДЗЗ с использованием геоинформационных систем (ГИС). Эталонный полигон представлял собой участок в границах сцен космических снимков, площадь которого составила 1 566 квадратных километров. Для оценки происходящих изменений проводилось сравнение местоположений и площадей акватории озёр и ареалов солончаков в разные годы и интервалы времени.
В работе использовалась серия разновременных снимков близких по сезону: Landsat TM (1 августа 1989г), Landsat ETM+ (3 сентября 2001 г.), SPOT-2 (28 августа 2008 г.). При выборе снимков учитывалось время съёмки, что связано с сезонными колебаниями уровня воды в озёра. Данные с датчика Landsat имеют шесть каналов в видимом диапазоне с пространственным разрешением 30 м и один канал в тепловом диапазоне (разрешение 120 м для ТМ и 60 м для ЕТМ+ соответственно). Французский спутник серии SPOT-2 имеет 3 канала в видимом и ближнем ИК диапазонах с пространственным разрешением 20 м. Предварительная обработка космических снимков включала в себя радиометрическую и атмосферную коррекции. Для снимков SPOT проводилась дополнительная привязка к данным Landsat. Обработка и классификация космических снимков проводилась в программном пакете ENVI, построение плотностных сеток и оверлейные операции с векторными объектами проводились в программном пакете ArcGIS.
Выделение ареалов солончаков и акваторий озёр и ареалов солончаков по снимкам Landsat (по 5 каналам) TM, ETM+ и SPOT (по 3 каналам) осуществлялось классификацией с обучением правилом максимального правдоподобия (Maximum Likelihood) по эталонным участкам со снимков. В качестве эталонов были выбраны участки солончаков, водных объектов, пашен, леса, естественной травянистой растительности (сенокосы и пастбища). Количество классов составляло соответственно 5. Полученные в результате обработки снимков классы солончаков и водных объектов конвертировались из растра в соответствующие векторные слои. По полученным векторам были построены плотностные сетки отдельно по солончакам и по водным объектам, что было необходимо для сравнения снимков с различным пространственным разрешением (Landsat - 28,5 м; SPOT - 20 м). Плотностные сетки строились с шагом 5 м и радиусом 50 м. Эти параметры были подобраны опытным путем, таким образом, чтобы результат наиболее контрастно отражал границы векторных объектов, полученных при классификации снимков, и при этом сглаживались объекты размером в один пиксель. Далее были рассчитаны разницы (дельты) плотностных сеток разных годов: 1) Landsat ETM+ 2001 -Landsat TM 1989, 2) SPOT-2 2008 - Landsat ETM+ 2001, 3) SPOT-2 2008 -Landsat TM 1989.
Полученные дельты были реклассифицированы в сетки со значениями -1, 0, 1. Пороговые значения для реклассификации получены путем анализа статистического и пространственного распределения плотностных характеристик. При этом значение 0 соответствует территории, на которой не произошло изменение обстановки за прошедший период времени; значение -1 соответствует территории, где картографируемые объекты (озера или
солончаки) исчезли (например, озеро высохло или, например, солончаки были затоплены); значение 1 соответствует территории, где картографируемые объекты появились. Далее полученные сетки были преобразованы в векторный формат, позволяющий проводить оверлейные операции. Таким образом, на основании анализа по ДДЗЗ динамики ПТК была построена серия схем, позволяющая оценить также качественные изменения, происходящие с водными объектами и солончаками за различные периоды времени. Путем проведения серии оверлейных операций были выделены: 1) озёра, 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.
Первый временной интервал (1989-2001 гг.) характеризуется уменьшением площади солончаков на 1,6 % (от всей площади сцены) и увеличением площади озер на 0,43 %, при этом только одно крупное озеро высохло, и 12 озер появилось, и многие озера увеличили свою площадь. Второй временной интервал (2001 - 2008 гг.) характеризуется увеличением площади солончаков на 1,1 % и уменьшением площади озер на 0,56%, при этом появились 7 озер, и 4 озера высохло. Таким образом, в первом и во втором временных интервалах присутствует разнонаправленная динамика озер и солончаков. Разница между 1989 и 2008 годами характеризуется уменьшением площади солончаков на 0,5 % и уменьшением площади озер на 0,13 %. Полученные результаты свидетельствуют о сложных механизмах трансформации ПТК озёрных котловин в течение длительных (более 10 лет) интервалов времени.
Использование ДДЗЗ и анализ климатических изменений позволили выделить основные элементы динамики геосистем озёрных котловин ЗС при аридизации климата. Анализ климатических изменений, проведённый ИВЭП СО РАН по данным ряда метеостанций Кулундинской равнины показал, что на 1985 год пришелся минимум осадков. При этом общий климатический тренд за последние 50 лет свидетельствует об аридизации климата района. Так, на Кулундинской равнине происходит структурная перестройка между основными компонентами ПТК: почвами, водными объектами и растительностью. В засушливые периоды (2001-2008) на месте высохших озёр (водные объекты) образуются соровые солончаки (почвы). Также в этот период в озёрных котловинах происходит интенсивное гидрогенное засоление почв и деградации засолённых почв в солончаки, за счёт чего площадь солончаков дополнительно увеличивается. В растительном покрове происходит образование галофитных сообществ на месте солонцеватых степей. По мере нарастания атмосферного увлажнения (1989-2001) происходит частичное заполнение высохших озёрных ванн, увеличение площадей водного зеркала озёр и уменьшение площади солончаков. Начало третьего тысячелетия (2001-2008) также характеризовалось относительно засушливыми условиями, что привело к увеличению площади солончаков и уменьшению акваторий озёр. Таким образом, за относительно короткий период (7-10 лет) динамика пространственных показателей для озёр и солончаков однонаправлена: происходит увеличение площади одних и
пропорциональное уменьшение других. За более длительный период времени
был обнаружен более сложный характер площадной динамики изучаемых объектов. Так, за двадцатилетний период (1989-2008) произошло уменьшение площадей, как озёр, так и солончаков. Анализ пространственно-временной динамики отдельных классов, выделенных при классификации снимка, показал, что площадь солончаков сокращается не только в результате затопления озёрными водами, но и частично за счёт зарастания галофитной растительностью, поэтому приращение площади открытых солончаковых пространств не фиксируется. Наоборот, при автоматической классификации растрового изображения космического снимка бывшие участки солончаков переходят в другой класс. Поэтому при анализе долговременных трендов, площадь озер является более точным индикатором аридизации, нежели площадь солончаков. Проведённые исследования показали перспективность использования ДДЗЗ для мониторинга озёрных котловин в южной части Западной Сибири.
Работа выполнена при финансовой поддержке проекта № 14/16 программы президиума РАН.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шнитников А. В. Озёра Западной Сибири и Северного Казахстана и многовековая изменчивость увлажнённости степей [Текст]: / А.В. Шнитников // Тр. лаб. озёроведения АН СССР, т. 5, 1957. - 112 с.
2. Абрамович Д.И. Воды Кулундинской степи. [Текст]: / Изд-во Сиб. отд. АН СССР. - Новосибирск: Изд-во Сиб. отд. АН СССР, 1960. - 214 с.
3. Уменьшение вод в Арало-Каспийской низменности в пределах Западной Сибири по картографическим исследованиям за 100 лет [Текст]: / Н.М. Ядринцев // Изв. РГО, т. XXII, вып.1, 1886. - С. 53-62.
4. Шнитников А.В. Внутривековые колебания уровня степных озёр Западной Сибири и Северного Казахстана и их зависимость от климата [Текст]: / А.В. Шнитников // Тр. лаб. озёроведения АН С ССР, т. 1, 1950. - 185 с.
© В.А. Лямина, Н.В. Глушкова, Е.Н. Смоленцева, И.Д. Зольников, 2010
6
