Yugra State University BulletinYugra State University BulletinВестник Югорского государственного университета1816-92282078-9114Yugra State University1079310.17816/byusu2018088-100ArticlesСтатьиResearch ArticleProblems of modeling the spatial structure of thermokarst lake fields in the permafrost based on satellite imageryПроблемы моделирования пространственной структуры полей термокарстовых озер в зоне вечной мерзлоты на основе спутниковых снимкPolishchukVladimir Y.ПолищукВладимир Юрьевич
Russian Federation

Candidate of Engineering Sciences

Researcher at IMСES SB RAS

Кандидат технических наук

Научный сотрудник

liquid_metal@mail.ruMuratovIldar N.МуратовИльдар Наильевич
Russian Federation

Chief Specialist

Главный специалист

ildarmur@gmail.comPolishchukYuri M.ПолищукЮрий Михайлович
Russian Federation

Doctor of Physico-Mathematical Sciences

Chief Researcher

Доктор физико-математических наук

Главный научный сотрудник центра космических услуг

PolichukJM@uriit.ruInstitute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems (IMCES) SB RASФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наукUgra Research Institute of Information TechnologiesАвтономное учреждение Ханты-Мансийского автономного округа-Югры Югорский научно-исследовательский институт информационных технологийUgra Research Institute of Information Technologies Space Services CenterАвтономное учреждение Ханты-Мансийского автономного округа-Югры Югорский научно-исследовательский институт информационных технологий Центр космических услуг15092018143NO3 (2018)№3 (2018)8810027122018Copyright ©; 2018, Polishchuk V.Y., Muratov I.N., Polishchuk Y.M.Copyright ©; 2018, Полищук В.Ю., Муратов И.Н., Полищук Ю.М.2018Polishchuk V.Y., Muratov I.N., Polishchuk Y.M.Полищук В.Ю., Муратов И.Н., Полищук Ю.М.http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0https://vestnikugrasu.org/byusu/article/view/10793

The problems of modeling the spatial structure of the fields of thermokarst lakes in the permafrost zone of Western Siberia based on the geo-simulation approach are considered. The basic principles for the development of a geo-simulation model for the structure of thermokarst lakes fields are outlined. Experimental data on the properties of lake fields obtained on the basis of the integration of high- and medium-resolution satellite images are presented. Data analysis showed that the empirical histogram of the distribution of lakes by size is approximated by the lognormal distribution law by the Pearson criterion with a probability of 0.99. This law of distribution, in contrast to the power law of size distribution of lakes that is commonly used in such studies, also takes into account small lakes, considered as intense sources of methane emission into the atmosphere from thermokarst lakes. An example of modeling the field of thermokarst lakes with a lognormal law of their size-distribution is given.

Рассмотрены вопросы моделирования пространственной структуры полей термокарстовых озер в зоне мерзлоты Западной Сибири на основе геоимитационного подхода. Изложены основные принципы разработки геоимитационной модели структуры полей термокарстовых озер. Приводятся экспериментальные данные о свойствах озерных полей, полученных на основе интеграции спутниковых снимков высокого и среднего разрешения. Анализ данных показал, что эмпирическая гистограмма распределения озер по размерам аппроксимируется логнормальным законом распределения по критерию Пирсона с вероятностью 0,99. Этот закон распределения, в отличие от обычно используемого в таких исследованиях степенного закона распределения озер по размерам, учитывает и малые озера, рассматриваемые как интенсивные источники эмиссии метана в атмосферу из термокарстовых озер. Дан пример моделирования поля термокарстовых озер с логнормальным законом распределения их по размерам.

remote sensing methodssatellite imagerygeographic information systemspermafrostWestern Siberiageo-simulation modelingthermokarst lakessize-distribution of lakesдистанционные методыспутниковые снимкигеоинформационные системывечная мерзлотаЗападная Сибирьгеоимитационное моделированиетермокарстовые озерараспределение озер по размерамEffect of permafrost thawing on the organic carbon and metal speciation in thermokarst lakes of Western Siberia [Text] / O. S. Pokrovsky, L. S. Shirokova, S. N. Kirpotin [et al.] // Biogeosciences. - 2011. - № 8. - P. 565-583.Holgerson, M. A. Large contribution to inland water CO2 and CH4 emissions from very small ponds [Text] / M. A. Holgerson, P. A. Raymond // Nature Geoscience Letters. - 2016. - № 9. - P. 222-226.Cael, B. B. The size-distribution of Earth's lakes [Text] / B. B. Cael, D. A. Seekell // Scientific Reports. - 2016. - 29633.Моисеев, Н. Н. Системный анализ динамических процессов биосферы [Текст] / Н. Н. Моисеев, Ю. М. Свирежев // Вестник Академии Наук СССР. - 1979. - № 2. - С. 47-54.Лоу, А. М. Имитационное моделирование [Текст] / А. М. Лоу, В. Д. Кельтон // Санкт-Питербург : Питер, 2004. - 847 с.Берлянт, A. M. Математико-картографическое моделирование в системе «создание - использование карт» [Текст] / A. M. Берлянт, В. Т Жуков, B. C. Тикунов // Географические исследования в Московском университете. - Mосква : Изд-во Моск. ун-та, 1976. - С. 235-243.Тикунов, В. С. Моделирование в картографии [Текст] : учебник / В. С. Тикунов. - Москва : Изд-во МГУ, 1997. - 405 с.Кузьмиченок, В. А. Математико-картографическое моделирование возможных изменений водных ресурсов и оледенения Кыргызстана при изменении климата [Текст] / В. А. Кузьмиченок // Вестник Кыргызско-Российского Славянского университета. - 2003. - № 6. - С. 33-41.Ковалева, Т. М. Математическое моделирование очагов заражения клещевыми зоонозами на территории Алтайского края [Текст] / Т. М. Ковалева // Известия Алтайского государственного университета. - 2008. - № 1. - С. 58-62.Сердюцкая, Л. Ф. Техногенная экология [Текст] / Л. Ф. Сердюцкая, А. В. Яцишин // Математико-картографическое моделирование. - Москва : Либроком, 2009. - 232 с.Кулик, К. Н. Компьютерное математико-картографическое моделирование агролесоландшафтов на основе аэрокосмической информации [Текст] / К. Н. Кулик, В. Г. Юрофеев // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. - 2010. - № 1. - С. 52-54.Тимонин, С. А. Математико-картографическое и геоинформационное моделирование демографических процессов в регионах Российской Федерации [Текст] / С. А. Тимонин // Вестник Московского университета. Сер. 5. География. - 2010. - № 5. - С. 11-18.Lawson, A. Spatial cluster modeling [Text] / A. Lawson, D. Denison // Boca Raton-London-New-York: CRC Press. - Chapman and Hall. - 2002, - 287 p.Wang, X. Integrating GIS, simulation models and visualization in traffic impact analysis [Text] / X. Wang // Computers, Environment and Urban Systems. - 2005. - № 29. - P. 471-496.Lai, P. Spatial epidemiological approaches in disease mapping and analysis [Text] / P. Lai, F. So, K. Chan // Boca Raton-London-New-York: CRC Press. - Tailor and Francis Group, 2009. - 194 p.Полищук, Ю. М. Геоимитационное моделирование зон атмосферного загрязнения в результате сжигания газа на нефтяных месторождениях [Текст] / Ю. М. Полищук, О. С. Токарева // Информационные системы и технологии. - 2010. - № 2. - С. 39-46.Zhao, Y. Urban dynamics analysis using spatial metrics geosimulation Spatial analysis and modeling in geographical transformation process [Text] / Y. Zhao, Y. Murayama // Dordrecht-Heidelberg-New-York-London: Springer, GeoJournal Library. - 2011. - № 100. - P. 153-168.Полищук, В. Ю. Геоимитационное моделирование полей термокарстовых озер в зонах мерзлоты [Текст] / В. Ю. Полищук, Ю. М. Полищук. - Ханты-Мансийск : УИП ЮГУ. - 2013. - 129 с.Polishchuk, V. Y. Modeling of thermokarst lake dynamics in West-Siberian permafrost. Permafrost: Distribution, Composition and Impacts on Infrastructure and Ecosystems [Text] / V. Y. Polishchuk, Y. M. Polishchuk // New York : Nova Science Publishers. - 2014. - № 6. - P. 205-234.Polishchuk, Y. M. Forecast of thermokarst lakes dynamics in permafrost based on geo-simulation modeling and remote sensing data [Text] / Y. M. Polishchuk, V. Y. Polishchuk // Proc. of Conf. "Mathematical and Information Technologies MIT-2016" (Vrnjacka Banja, Serbia - Budva, Montenegro, Aug. 28 - Sept. 5, 2016). - Published on CEUR-Workshop Proceedings. - 2017. - Vol. 1839. - P. 393-405.Polishchuk, Y. M. Using geo-simulation for predicting changes in the sizes of thermokarst lakes in northwestern Siberia [Text] / Y. M. Polishchuk, V. Y. Polishchuk // Kriosfera Zemli. - 2016. - Vol. 20, № 2. - P. 29-36.Математическая морфология ландшафтов криолитозоны [Текст] / А. С. Викторов, Т. В. Орлов, В. П. Капралова [и др.] // Москва : РУДН, 2016. - 232 с.Zhu, Z. Improvement and expansion of the Fmask algorithm: cloud, cloud shadow, and snow detection for Landsats 4-7, 8, and Sentinel 2 images [Text] / Z. Zhu, S. Wang, C. E. Woodcock // Remote Sens. Environ. - 2015. - № 159. - P. 269-277.Minor contribution of small thaw ponds to the pools of carbon and methane in the inland waters of the permafrost - affected part of the Western Siberian lowland [Text] / Y. M. Polishchuk, A. N. Bogdanov, I. N. Muratov [et al.] // Environmental Research Letters. - 2018. - V. 13. - P. 1-16.Size distribution, surface coverage, water, carbon, and metal storage of thermokarst lakes in the permafrost zone of the Western Siberia lowland [Text] / Y. M. Polishchuk, A. N. Bogdanov, V. Y. Polishchuk [et al.] // Water. - 2017. - V. 9, Issue 3. - P. 1-18.Опыт и результаты дистанционного исследования озёр криолитозоны Западной Сибири по космическим снимкам различного разрешения за 50-летний период [Текст] / Ю. М. Полищук, А. Н. Богданов, Н. А. Брыксина [и др.] // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2017. - Т. 14. - № 6. - С. 42-55.Полищук, Ю. М. Методические вопросы построения обобщенных гистограмм распределения площадей озер в зоне мерзлоты на основе космических снимков среднего и высокого разрешения [Текст] / Ю. М. Полищук, А. Н. Богданов, И. Н. Муратов // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2016. - Т. 13, № 6. - С. 224-232.Интеграция космических снимков сверхвысокого и среднего разрешения для построения гистограмм распределения площадей термокарстовых озёр в расширенном диапазоне их размеров [Текст] / Ю. М. Полищук, А. Н. Богданов, Н. А. Брыксина [и др.] // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2018. - Т. 15, № 3. - С. 38-46.Обобщенное распределение площадей малых озер в криолитозоне Западной Сибири по космическим снимкам высокого разрешения [Текст] / Ю. М. Полищук, А. Н. Богданов, И. Н. Муратов [и др.] // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2016. - Т. 327, № 10. - С. 13-21.Брыксина, Н. А. Исследование точности дистанционного измерения площадей озер с использованием космических снимков [Текст] / Н. А. Брыксина, Ю. М. Полищук // Геоинформатика. - 2013. - № 1. - С. 62-68.Полищук Ю. М. Распределение площадей озёр криолитозоны в широком диапазоне их размеров по космическим снимкам среднего и высокого разрешения [Текст] / Ю. М. Полищук, А. Н. Богданов, В. Ю. Полищук // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2018. - Т. 329, № 3. - С. 16-25.Кремер, Н. Ш. Теория вероятностей и математическая статистика [Текст] : учебник для вузов / Н. Ш. Кремер - Москва : ЮНИТИ-ДАНА, 2004. - 573 с.Полищук, В. Ю. Дистанционное исследование изменчивости формы береговых границ термокарстовых озер в зоне мерзлоты Западной Сибири [Текст] / В. Ю. Полищук, Ю. М. Полищук // Исследование Земли из космоса. - 2012. - № 1. - С. 61-64.C Sharp [Электронный ресурс] // Википедия : свободная энциклопедия. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/C_Sharp.Microsoft Visual Studio [Электронный ресурс] // Википедия : свободная энциклопедия. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Microsoft_Visual_Studio.