CC BY
73DOI: 10.24411/9999-010A-2019-10051
Г.И. КАЛИМУЛЛИНА
Казанский (Приволжский) федеральный университет; ООО «ЭкоЛидер», г. Казань, Россия
ПРИМЕНЕНИЕ РАЗНОВРЕМЕННЫХ КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ ЬАШ8АТ ДЛЯ УСТАНОВЛЕНИЯ БЕРЕГОВЫХ ЛИНИЙ (ГРАНИЦ)
ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
В последние 2 десятилетия в связи с быстрым развитием технологий космического зондирования и автоматизированной обработки их материалов большое внимание стало уделяться изучению по космическим снимкам геосистем и их компонентов, включая водные объекты. При этом главные направления подобных исследований сосредоточены на использовании сильных по сравнению с традиционными топографическими картами сторон космоснимков: высокой оперативности материалов съёмки и возможности получения разновременных изображений практически с посуточной дискретизацией.
Сейчас космические снимки используются, как правило, для мониторинга опасных и неблагоприятных гидрологических явлений, либо для исследования периодических изменений различных характеристик и свойств водного объекта. В то же время многие проблемы использования космических снимков для решения прикладных задач до сих далеки от решения. Одной из таких проблем является установление местоположения береговых линий (границ) водных объектов для постановки их на государственный кадастровый учет. В настоящее время в Водном и Земельном кодексах прописана необходимость установления границ водных объектов, однако не оговорено какими способами и методами (Потапов и др., 2013; Пьянков, Шихов, 2014).
В соответствии с требованиями современного российского водного законодательства границей всех водных объектов суши естественного (рек, ручьев, озёр) и некоторых водных объектов искусственного (каналы, обводненные карьеры) происхождения считается береговая линия при среднем многолетнем уровне воды за период, когда водный объект не покрыт льдом (Водный кодекс..., 2006, ст. 5). К настоящему времени сложились три в значительной степени различных подхода к определению границ водных объектов. Первый базируется на статистической обработке данных ежесуточных измерений уровней воды на гидрологических постах; второй - на проведении полевых инженерно-гидрологических и инженерно-геодезических изысканий на водных объектах с построением кривой связи расхода Q от уровня воды Н (для водотоков) или объема котловины V от уровня воды Н (для озер и обводненных карьеров). Указанные методы являются ресурсозатратными, в том числе требуют большого количества времени для своего осуществления (Гидрологические., 1987; Владимиров, 1990).
Третий подход лежит в основе данного исследования и основывается на анализе разновременных и разносезонных материалов дистанционного зондирования Земли. На каждом снимке устанавливается положение фактической береговой линии и срочный уровень воды на дату съемки по цифровым моделям рельефа. В последующем в ряду срочных уровней изыскивается средний уровень воды за период, когда водный объект не покрыт льдом; береговая линия, соответствующая этому уровню, считается границей водного объекта.
Целью данного исследования служит разработка основных положений методики определения береговых линий водных объектов на основе анализа разновременных космических снимков на примере оз. Белое, которое входит в систему Клепиковских озер, находящихся на стыке Владимирской, Рязанской и Московской областей.
© 2019 Калимуллина Гульназ Ильгизаровна, Tanasik.com@mail.ru
Для оценки многолетних колебаний уровней воды за безледный период и связанных с ними смещений береговых линий использованы безоблачные разновременные разносезонные снимки с пространственным разрешением 30 м, полученные со спутников Landsat 7 ETM+ и Landsat 8 OLI (EarthExplorer..., 2018).
Озеро обладает изометричными (округлыми в плане) очертаниями: длина озера равна примерно 850 м, наибольшая ширина - 550 м. Площадь озера составляет около 300 га. Котловина имеет карстовое происхождение (максимальные глубины в центральной части озера могут достигать 50 м и более). Озеро большей частью окружено отмелыми заболоченными берегами, частью открытыми, частью занятыми сосновыми лесами. Литораль и сублитораль, повторяя рельеф субаэральной части береговой зоны, отличаются небольшими глубинами (до 5 м) и подвержены процессам эвтрофикации. Озеро является бессточным; его питание осуществляется за счет атмосферных осадков и притока грунтовых вод, а расход водной массы - за счет испарения и инфильтрации в грунт дна и берегов.
Для определения среднего уровня воды оз. Белое за период, когда озеро не покрыто льдом, были обработаны 7 снимков Landsat, отнесенных к периоду 1999-2018 гг. (табл.). Исходные изображения преобразованы путем цветового синтеза в сочетании 7 (Red), 5 (Green) и 4 (Blue) каналов для снимков Landsat 7 ETM+ и 7 (Red), 6 (Green) и 5 (Blue) - для Landsat 8 OLI. Таким образом, использованы каналы только из инфракрасного диапазона, что позволяет с большой точностью дешифрировать водные объекты суши (Quinn, 2001).
Дешифрирование водных объектов проводилось на основе метода автономной кластеризации ISODATA в программе ERDAS Imagine (ERDAS Imagine., 2015). Для исследуемой территории в ходе классификаций выделено в зависимости от качества снимка 20-25 классов. В последующем производилось наложение классифицированного изображения на исходный снимок и экспертное определение тех классов, которые соответствуют водным объектам (точнее - водной поверхности). На завершающем этапе путем переклассификации классам, соответствующим водной поверхности, присваивался код «1», всем остальным классам - код «0». Полученный тематический растр конвертировался в векторный формат, а затем векторный слой сглаживался (подвергался генерализации) для устранения «пиксельной» структуры.
Таким образом для исследуемого озера были получены 7 береговых линий, каждая из которых фиксирует положение берега в одну из дат той части года (с апреля по сентябрь), когда водный объект не покрыт льдом, за многолетний период (с 1999 по 2018 гг., или 20 лет; табл.). Полученные береговые линии совмещались на крупномасштабной топографической карте для оценки взаимного соответствия (рис. 1).
Таблица. Площадь акватории и уровни воды оз. Белое на дату получения космических снимков Landsat
№ п/п Дата снимка F, га H, м n о, м ±Д, м
1 6 сентября 1999 г. 301,0 111,25 649 5,36 ±0,41
2 24 апреля 2000 г. 293,0 110,93 629 3,80 ±0,30
3 18 мая 2014 г. 292,3 111,01 631 4,29 ±0,34
4 3 июня 2014 г. 289,5 111,04 638 4,76 ±0,37
5 21 мая 2015 г. 298,3 111,28 631 5,89 ±0,46
6 15 сентября 2017 г. 308,6 111,45 680 5,56 ±0,42
7 1 августа 2018 г. 307,1 111,62 655 7,17 ±0,55
Примечание: Е - площадь акватории, Н -средний уровень воды по цифровой модели рельефа, п - число определений уровня в точках береговой линии, а - среднеквадратическое отклонение определения среднего уровня, ±Д - доверительный интервал вычисления среднего уровня на 95%-ном пороге вероятности безошибочного прогноза по статистике Стьюдента
В настоящем исследовании исходными сведениями для составления цифровой модели рельефа послужили данные радиолокационной съёмки со спутника БЯТМ 1-Агс (ЕагШЕхр1огег..., 2019). По своим масштабным возможностям модель очень близка к топографическим картам масштаба 1:25 000. Из всех доступных в рамках проведенного исследования источников сведений о рельефе этот является самым детальным.
береговых линий оз. Белое с разновременных космических снимков Черной линией показана береговая линия при высшем (из зафиксированных) уровне воды, желтой линией - при низшем уровне воды, красной линией - при среднем многолетнем уровне воды за безледный период
Анализ данных, представленных в таблице, показывает, что за исследуемый период низший зафиксированный уровень озера составил 110,93 м (24 апреля 2000 г.), а высший - 111,62 м (1 августа 2018 г.). Уровень на дату съемки определялся как среднее арифметическое из высот элементов цифровой модели рельефа, пересекаемых береговой линией (от 600 до 700 значений). И хотя среднеквадратическая ошибка определения высоты уреза может несколько метров, точность вычисления, оцениваемая по статистике Стьюдента, составляет несколько дециметров, что сопоставимо с ошибкой определения высоты произвольной точки по картам масштаба 1:25 000 (Картоведение,
211
2003). Межгодовые и внутрисезонные амплитуды колебания уровней на оз. Белое не превышают полуметра, что свидетельствует о высокой естественной зарегулированно-сти уровенного режима водоема. Направленные изменения уровней за многолетний период не установлены. Колебания площади акватории озера за тот же период составили 17,6 га (от 289,5 до 307,1 га).
Для оценки правильности полученных результатов строились графики связи между уровнем воды в озере и площадью озерной акватории на отдельные даты (рис. 2). График в общем случае имеет вид возрастающей прямой: большим площадям соответствуют большие высоты уреза. По графику отсеивались такие снимки, на которых соотношение «площадь акватории - урез воды» заметно уклонялось от усредняющей прямой.
Средний многолетний уровень воды оз. Белое за безледный период составляет 111,22 м, что на 18 см выше уровня воды, при котором закартированы очертания озера на топографических картах (рис. 2). Для этой отметки по цифровой модели рельефа в последующем производится картирование береговой линии, или границ, водного объекта. Местоположение береговой линии (границы водного объекта) считается определенным со дня внесения сведений о местоположении береговой линии (границы водного объекта) в Единый государственный кадастр недвижимости Постановление..., 2016).
111,7 111,6 111,5 111,4 111,3
111,2 111,1 111,0 110,9 110,8
285 290 295 300 305 310
Площадь акватории (Р), га
Рис. 2. График связи между уровнем воды и пощадью акватории оз. Белое Примечание: К2 - коэффициент достоверности аппроксимации. Цифры у точек соответствуют датам получения космических снимков. Квадрат отвечает береговой линии озера с топографической карты масштаба 1:25 000, треугольник - расчетной береговой линии при среднем многолетнем уровне воды за без-ледный период
Методика, представленная в работе, может стать основой для создания одной из законодательно утвержденной процедуры определения границ водных объектов с це-212
Урез воды в озере (IT), м
1. VII 1.2ЧIS О
^ 15. IX. 2017
R2- - 0,850
нб,= 111,22 м 21.V.2015C o6.IX.1999
АН = 18 см
3. VI.2014 о -- ^О 1 о ттлл 1 4
/ 1 О. У.¿VI о 24.IV, i 2000 298,3 га
лью постановки на государственный кадастровый учет. По сравнению с двумя другими методическими подходами его отличает возможность практического применения на неизученных и труднодоступных водных объектах, меньшие организационно-технические и финансовые затраты, опора на материалы из общедоступных информационных источников. Все исходные данные и материалы, полученные в ходе работ, по своему качеству позволяют определить границы водных объектов с точностью, необходимой для их внесения в Государственный водный реестр и для постановки на государственный кадастровый учет.
Список литературы
Владимиров А.М. Гидрологические расчеты. Л., 1990. 365 с.
Водный кодекс Российской Федерации от 03.06.2006 №74-ФЗ (действующая редакция от 03.08.2018), 2006.
Гидрологические и воднобалансовые расчеты / Под ред. Н.Г. Галущенко. Киев: Высш. школа, 1987. 247 с.
Картоведение / Под ред. А.М. Берлянта. М.: Аспект Пресс, 2003. 477 с.
Потапов В.П., Гиниятуллина О.Л., Андреева Н.В. Использование данных дистанционного зондирования Земли для оценки антропогенного воздействия на водные объекты // Горный информационно-аналитический бюлл. 2013. C. 465-474.
Постановление Правительства РФ от 29 апреля 2016 г. № 377 «Об утверждении Правил определения местоположения береговой линии (границы водного объекта), случаев и периодичности ее
определения и о внесении изменений в Правила установления на местности границ водоохранных зон и границ прибрежных защитных полос водных объектов»
Пьянков С.В., Шихов А.Н. Опасные гидрометеорологические явления: режим, мониторинг, прогноз. Пермь: Раритет-Пермь, 2014. 296 с.
EarthExplorer. U.S. Department of the Interior U.S. Geological Survey: official site, 2019. URL-адрес: https://earthexplorer.usgs.gov (дата обращения 06.02.2019).
ERDAS Imagine. Product Features and Comparisons: Product Description. Hexagon Geospatial. 2015. URL-адрес:
https ://www. geoimage. com.au/LiteratureRetrieve. asp x?ID=180779 (дата обращения 06.02.2019).
Quinn J.W. Band Combinations. URL-адрес: http://web.pdx.edu/%7Eemch/ip1/bandcombinations. html (дата обращения 06.02.2019).
