Использование геоинформационных технологий для изучения ландшафтных особенностей полей малых термокарстовых озер в западно-сибирской арктике на основе спутниковых снимков Kанопус-в
- Авторы: Муратов И.Н.1
-
Учреждения:
- Главный специалист, Югорский НИИ информационных технологий
- Выпуск: Том 14, № 3 (2018)
- Страницы: 7-14
- Раздел: Статьи
- URL: https://vestnikugrasu.org/byusu/article/view/10785
- DOI: https://doi.org/10.17816/byusu2018037-14
- ID: 10785
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Проведены дистанционные исследования по снимкам высокого разрешения Канопус-В на 30 тестовых участках, расположенных достаточно равномерно на территории Арктической зоны Западной Сибири. Получены данные о числе озер и их площадях на каждом тестовом участке. Количество озер изменяется от 135 до 1620 на разных тестовых участках, а площади озер - в пределах от 40 м2 до 400 га. Исследованы изменения характеристик полей малых термокарстовых озер в зависимости от ландшафтного районирования. Изменения плотности озер, их суммарной площади на тестовых участках и заозеренности территории в арктической и в северной субарктической ландшафтных зонах в среднем выражены довольно слабо, но при переходе в южную субарктическую зону их величины показывают значительный рост, что может свидетельствовать о различной интенсивности термокарстовых процессов в разных ландшафтных зонах.
Полный текст
Введение
В последние десятилетия пристальное внимание исследователей занимает проблема парникового эффекта, рассматриваемого в качестве одного из факторов повышения среднегодовой температуры на планете – глобального потепления. Важность этих исследований подтверждается решениями Парижского климатического саммита (2015) о разработке мероприятий, позволяющих не допустить повышение среднегодовой температуры на Земле более чем на 2 °C. Парниковый эффект вызывается ростом объёмов поступления в атмосферу парниковых газов, главными из которых являются углекислый газ и метан. Метан является одним из наиболее важных парниковых газов благодаря высокому потенциалу глобального потепления, по величине которого он, по данным [1], превышает углекислый газ. В работах [2–5] показано, что на территориях севера наибольшее количество метана выделяется в атмосферу из болот и озерно-термокарстовых равнин. Доказано [6], что ¼ часть мировых запасов метана законсервирована на территории Западной Сибири, основную часть которой занимают болотно-озерные ландшафты.
По оценкам [7, 8], наиболее интенсивное выделение метана в арктических и субарктических районах происходит из малых озер термокарстового происхождения. Вследствие труднодоступности территорий в зоне мерзлоты эти исследования малых термокарстовых озер проводятся дистанционными методами с применением спутниковых снимков. К территориям, на которых проведены исследования озер термокарстового происхождения с использованием дистанционных методов, относятся: Сибирь, Скандинавия, Аляска и другие регионы Арктической зоны [9–12]. В основном исследования проводились по снимкам Landsat среднего пространственного разрешения, на которых выделяются только крупные озера. Данные снимки позволили изучить флуктуации численности и размеров озер в интервале нескольких десятилетий [13–15] и распределения озер по размерам, необходимые для оценки запасов метана в озерах [16–19].
Однако на снимках Landsat не видны малые озера (с размерами менее 0,05–0,1 га), концентрация метана в воде которых, по данным [7, 8, 19, 20], более чем на порядок превышает его концентрацию в больших озерах. Это приводит к необходимости использовать снимки высокого пространственного разрешения [21, 22] для изучения полей малых термокарстовых озер. Исследования, направленные на изучение ландшафтных особенностей термокарстово-озерных равнин в зоне мерзлоты, например [23, 24], выполнены также с использованием снимков Landsat.
Для оценки вклада миллионов малых озер в общий объем запасов метана на обширных территориях Северной Евразии необходимо при моделировании динамики термокарстовых озерных полей учитывать ландшафтные особенности полей термокарстовых озер с использованием наземных и дистанционных методов исследования (по космическим снимкам высокого разрешения). Из-за труднодоступности территорий Арктики наземные исследования очень трудоемки и дорогостоящи, в то время как дистанционные исследования менее затратные. Насколько нам известно, дистанционные исследования ландшафтных особенностей распределения полей термокарстовых озер по снимкам высокого разрешения ранее не проводились, что и определило цель данной работы.
Данные и методы исследования
Район проведения исследований – зона сплошной мерзлоты Западной Сибири. В исследовании использовались космоснимки высокого разрешения (разрешение 2 м) в количестве 26 штук. Из-за сравнительно малой полосы захвата снимки Канопус-В не обеспечивают полного покрытия исследуемой территории, что потребовало использования в исследованиях метода тестовых (ключевых) участков. Для проведения дистанционных исследований тестовые участки (ТУ) выбирались в границах сцен космических снимков в местах активного термокарста [25], определяемого по наибольшему сгущению озер. Для этого использовалась карта зон активного термокарста Западной Сибири, геоинформационная технология построения которой изложена в [26].
Выбранные ТУ находились на территории трех ландшафтных зон, располагающихся на территории сплошного распространения мерзлоты. Общая характеристика выбранных тестовых участков приведена в таблице 1, а их расположение дано на рисунке 1, где цифрами обозначены номера ТУ. На рисунке, в соответствии с [27], показано расположение ландшафтных зон на территории исследования. Тестовые участки распределялись равномерно на территории исследования, в соответствии с картой ландшафтного зонирования территории Западной Сибири. На рисунке 1 показана схема размещения тестовых участков, по которой видно, что участки распределены равномерно по территории исследований (приблизительно пропорционально площадям ландшафтных зон).
Таблица 1 – Характеристика размещения тестовых участков на территории исследований
Ландшафтная зона | Количество ТУ | Номера ТУ | Средняя площадь ТУ, га | Период съемки |
Арктическая тундра | 5 | 1–5 | 3142 | 2013–2015 |
Субарктическая северная тундра | 15 | 6–20 | 3155 | 2013–2015 |
Субарктическая южная тундра | 10 | 21–30 | 3023 | 2013–2015 |
Для определения числа и площадей малых озер использовались снимки высокого разрешения Канопус-В. Дешифрирование этих снимков проведено с использованием алгоритма бинарной классификации (инструмент «Переклассификация» в составе ArcGIS 10.3). Алгоритм бинарной классификации основывается на визуальном установлении некоего порогового значения спектральной яркости, с помощью которого выделяются два класса: «вода» и «не вода». Пороговые значения устанавливались отдельно для каждого тестового участка вследствие различий в параметрах снимков. Обрабатываемые панхроматические снимки имеют сильный контраст водной поверхности с окружающей растительностью, что визуально позволяет определить приемлемые пороговые значения для классификации водных объектов. При этом мох и растительность под водой не обнаруживаются, а растительность и мох по берегам, не являющиеся «водой», также не оказывают заметного влияния на определяемую площадь водной поверхности озера.
При дешифрировании снимков Канопус-В минимальный размер озера был выбран 40 м2 исходя из следующих соображений. При пространственном разрешении снимков (2 м) размер пикселя изображения равен 2 м × 2 м (4 м2), что позволяет на площади 40 м2 выделять 10 пикселей, что достаточно для надежной идентификации озер на фоне цифрового шума на снимке. Космические снимки дешифрировались с использованием лицензионного программного обеспечения ArcGIS 10.3. В работе использованы снимки высокого пространственного разрешения Канопус-В, на которых были выделены 30 тестовых участков, равномерно расположенных на территории Арктической зоны Западной Сибири. Использованные снимки получены в течение достаточно короткого периода (2013–2015 гг.). Следовательно, использованные снимки можно рассматривать свободными от возможного влияния климатических изменений.
В результате получены два массива данных о числе озер и их площадях на каждом тестовом участке. Для проведения анализа на каждом ТУ были выделены от 135 до 1620 озер, а их площади изменялись в пределах от 40 м2 до 400 га.
Рисунок 1 – Схема пространственного размещения тестовых участков в Арктической зоне Западной Сибири
Результаты исследования свойств полей термокарстовых озер
Основные характеристики полей термокарстовых озер на исследуемой территории по результатам дистанционного определения числа озер и их площадей по снимкам высокого разрешения даны в таблице 2. Общая площадь озер определялась как суммарная площадь озер на каждом ТУ. Плотность озер рассчитывалась как отношение числа озер на тестовом участке к его площади. Заозеренность территории определялась на каждом ТУ в виде отношения суммарной площади озер на тестовом участке к площади этого участка.
Таблица 2 – Характеристики полей термокарстовых озер
ТУ | Число озер | Общая площадь озер, га | Плотность озер, га-1 | Степень заозеренности, % |
1 | 135 | 542 | 0,04 | 17 |
2 | 330 | 703 | 0,11 | 23 |
3 | 455 | 441 | 0,14 | 14 |
4 | 388 | 572 | 0,12 | 18 |
5 | 312 | 389 | 0,10 | 12 |
6 | 176 | 218 | 0,06 | 7 |
7 | 524 | 649 | 0,16 | 19 |
8 | 181 | 254 | 0,06 | 8 |
9 | 651 | 418 | 0,23 | 14 |
10 | 650 | 474 | 0,20 | 14 |
11 | 166 | 434 | 0,05 | 13 |
12 | 364 | 752 | 0,11 | 23 |
13 | 504 | 429 | 0,15 | 13 |
14 | 388 | 469 | 0,13 | 16 |
15 | 323 | 522 | 0,11 | 17 |
16 | 530 | 499 | 0,17 | 16 |
17 | 185 | 382 | 0,06 | 12 |
18 | 237 | 662 | 0,07 | 20 |
19 | 355 | 566 | 0,12 | 19 |
20 | 475 | 583 | 0,15 | 18 |
21 | 1130 | 671 | 0,37 | 22 |
22 | 554 | 711 | 0,18 | 23 |
23 | 873 | 599 | 0,32 | 22 |
24 | 1602 | 732 | 0,53 | 24 |
25 | 461 | 485 | 0,14 | 15 |
26 | 200 | 416 | 0,07 | 14 |
27 | 540 | 622 | 0,18 | 20 |
28 | 550 | 686 | 0,19 | 24 |
29 | 450 | 657 | 0,15 | 21 |
30 | 187 | 803 | 0,06 | 26 |
Среднее | 463 | 545 | 0,15 | 18 |
Таблица показывает высокую вариативность количества озер на тестовых участках. На каждом участке может быть от сотен до нескольких тысяч озер. Показатель заозеренности территории изменяется в интервале от 7 до 26 %, со средним значением 18 %. Коэффициент плотности озер меняется на разных тестовых участках в широких пределах – разница в плотности озер между участками может изменяться на порядок.
Приведенные в таблице 2 данные о характеристиках озер позволяют изучить закономерности изменения свойств полей малых термокарстовых озер криолитозоны Западной Сибири в зависимости от ландшафтных особенностей исследуемой территории. Для этого были использованы средние значения исследуемых характеристик, рассчитанных как среднеарифметические величины по всем ТУ, находящимся в каждой ландшафтной зоне. Зависимость числа озер, общей площади и степени заозеренности территории, в разных ландшафтных зонах представлена в таблице 3.
Таблица 3 – Характеристики полей термокарстовых озер в разных ландшафтных зонах
Ландшафтная зона | Число озер | Общая площадь озер, га | Заозеренность, % |
Арктическая тундра | 324 | 529 | 17 |
Субарктическая северная тундра | 381 | 487 | 15 |
Субарктическая южная тундра | 655 | 638 | 21 |
Указанные характеристики при переходе из одной ландшафтной зоны в другую проявляют заметные изменения, причем они демонстрируют сходный характер зависимости, а именно: в арктической и в северной субарктической ландшафтных зонах их изменения выражены довольно слабо, а при переходе в южную субарктическую зону их величины показывают значительный рост, что проиллюстрировано на рисунке 2.
Рисунок 2 – График изменения характеристик полей озер в зависимости от ландшафтных зон
Сходный характер поведения этих трех характеристик, по нашему мнению, обусловлен показанным на графике ростом числа озер в южной субарктической ландшафтной зоне, который сопровождается увеличением суммарной площади озер и, следовательно, степени заозеренности территории в этой зоне по сравнению с другими зонами. К сожалению, на основе дистанционных данных не представляется возможным объяснить причины существенного роста рассматриваемых характеристик полей термокарстовых озер в южной субарктической зоне, так как эти данные не позволяют раскрыть внутренние механизмы развития термокарстовых процессов, определяющих особенности изменения полей термокарстовых озер. Для объяснения причин изменений характеристик полей озер в зависимости от ландшафтного зонирования, по нашему мнению, необходимы дополнительные комплексные геокриологические, геологические и физико-географические исследования термокарстовых процессов на территории криолитозоны.
Заключение
В статье рассмотрены вопросы проведения дистанционных исследований основных характеристик полей малых термокарстовых озер в арктической, северной и южной субарктических ландшафтных зонах на территории многолетней мерзлоты Западной Сибири. Исследования проведены с использованием 26 космических снимков высокого пространственного разрешения Канопус-В, позволивших определить число и измерить площади термокарстовых озер на 30 тестовых участках. С использованием этих данных определены основные характеристики полей термокарстовых озер в разных ландшафтных зонах: плотность озер на единичной площади (1 га), суммарная площадь озер и заозеренность территории. На основе проведенного анализа установлено, что в арктической и в северной субарктической ландшафтных зонах изменения характеристик полей озер выражены довольно слабо, а при переходе в южную субарктическую зону их величины показывают значительный рост, что может свидетельствовать о разной интенсивности протекания термокарстовых процессов в различных ландшафтных зонах на территории многолетней мерзлоты.
Об авторах
Ильдар Наильевич Муратов
Главный специалист, Югорский НИИ информационных технологий
Автор, ответственный за переписку.
Email: ildarmur@gmail.com
Chief Specialist
РоссияСписок литературы
- Кароль, И. Л. Оценки характеристик относительного вклада парниковых газов в глобальное потепление климата [Текст] / И. Л. Кароль // Метеорология и гидрология. - 1996. - № 11. - С. 5-12.
- Walter, K. M. Methane bubbling from northern lakes: present and future contributions to the global methane budget [Text] / K. M. Walter, L. C. Smith, F. S. Chapin // Phil. Trans. R. Soc. - 2007. - Vol. 365. - P. 1657-1676.
- Fates of methane from different lake habitats: Connecting whole-lake budget and CH4 emissions [Text] / D. Bastviken, J. J. Cole, M. L. Pace [et al.] // J. of Geoph. Res. - 2008. - Vol. 113. - G02024.
- Methane dynamics in different boreal lake types [Text] / S. Juutinen, M. Rantakari, P. Kortelainen [et al.] // Biogeosciences. - 2009. - №. 6. - P. 209- 223.
- Seasonal variability as a source of uncertainty in the West Siberian regional CH4 flux upscaling [Text] / A. F. Sabrekov, B. R. K. Runkle, M. V. Glagolev [et al.] // Environ. Res. Lett. - 2014. - № 9. - P. 1-9.
- Глобальные изменения климата: «метановая бомба» - наукообразный миф или потенциальный сценарий? [Текст] / А. И. Жилиба, Г. А. Вандышева, К. Г. Грибанов [и др.] // Динамика окружающей среды и глобальные изменения климата. - 2011. - Т. 2. - № 1. - С. 3-16.
- Pokrovsky, O. S. Effect 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 // Biogeosciences. - 2011. - Vol. 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. - 2016. - № 9. - P. 222-226.
- Spatial Extent, Age, and Carbon Stoks in Drained Thaw Lake Basins on the Barrow Peninsula [Text] / K. M. Hinkel, W. R. Eisner, J. G. Bockheim [et al.] // Alaska. Arctic, Antarctic, and Alpine Research. - 2003. - Vol. 35. - № 3. - P. 291-300.
- Luoto, M. Thermokarst ponds as indicator of the former distribution of palsas in Finnish Lapland [Text] / M. Luoto, M. Seppala // Permafrost and Periglacial Processes. - 2003. - Vol. 14. - P. 19-27.
- Кравцова, В. И. Распространение термокарстовых озер в России [Текст] / В. И. Кравцова // Вестник Московского университета. - 2009. - № 3. - С. 33-42.
- Анализ развития морфологической структуры озерно-термокарстовых равнин на основе математической модели [Текст] / А. С. Викторов, В. П. Капралова, Т. В. Орлов [и др.] // Геоморфология. - 2015. - № 3. - С. 3-13.
- Кравцова, В. И. Изменения размеров термокарстовых озер в различных районах России за последние 30 лет [Текст] / В. И. Кравцова, А. Г. Быстрова // Криосфера Земли. - 2009. - Т. 13, № 2. - С. 16-26.
- Брыксина, Н. А. Анализ изменения численности термокарстовых озер в зоне мерзлоты Западной Сибири на основе космических снимков [Текст] / Н. А. Брыксина, Ю. М. Полищук // Криосфера Земли. - 2015. - Т. 19, № 2. - С. 114-120.
- Polishchuk, Y. M. Remote analysis of changes in the number and distribution of small thermokarst lakes by sizes in Cryolithozone of Western Siberia [Text] / Y. M. Polishchuk, N. A. Bryksina, V. Y. Polishchuk // Izvestia. Atmospheric and Oceanic Physics. - 2015. - Vol. 51. - № 9. - P. 999-1006.
- Downing, J. A. The global abundance and size distribution of lakes, ponds, and impoundments [Text] / J. A. Downing, Y. T. Prairie // Limnol. Oceanogr. - 2006. - Vol. 51. - P. 2388-2397.
- Karlsson, J. M. Temporal behavior of lake size-distribution in a thawing permafrost landscape in Northwestern Siberia [Text] / J. M. Karlsson, S. W. Lyon, G. Destouni // Remote sensing. - 2014. - № 6. - P. 621-636.
- Polishchuk, V. Y. Modeling of thermokarst lake dynamics in West-Siberian permafrost. Ch. 6 [Text] / V. Y. Polishchuk, Y. M. Polishchuk // Permafrost: Distribution, Composition and Impacts on Infrastructure and Ecosystems / Ed. by O. Pokrovsky. - NY: Nova Science Publishers. - 2014. - P. 205-234.
- Викторов, А. С. Математическая модель морфологической структуры озерно-термокарстовых равнин в изменяющихся климатических условиях [Текст] / А. С. Викторов, В. П. Капралова, О. Н. Трапезникова // Криосфера Земли. - 2015. - Т. 19, № 2. - С. 26- 4.
- Методические вопросы оценки запасов метана в малых термокарстовых озерах в зоне мерзлоты Западной Сибири [Текст] / Ю. М. Полищук, В. Ю. Полищук, Н. А. Брыксина [и др.] // Известия Томского политехнического университета. - 2015. - Т. 326, № 2. - С. 127-135.
- 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.
- Полищук, Ю. М. Исследование полей малых термокарстовых озер в зоне сплошной мерзлоты Западной Сибири по спутниковым снимкам высокого разрешения [Текст] / Ю. М. Полищук, И. Н. Муратов, В. Ю. Полищук // Оптика атмосферы и океана. - 2016. - Т. 29, № 7. - С. 592-597.
- Брыксина, Н. А. Ландшафтно-космический анализ динамики полей термокарстовых озер в зоне многолетней мерзлоты Западной Сибири [Текст] / Н. А. Брыксина, Ю. М. Полищук, В. И. Булатов // Вестник Томского государственного педагогического университета. - 2012. - № 7. - С. 153-157.
- Брыксина, Н. А. Ландшафтно-геокриологический анализ изменения количества озер на территории Западной Сибири с использованием космических снимков [Текст] / Н. А. Брыксина, Ю. М. Полищук // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. - 2016. - № 5. - С. 37-45.
- Викторов, А. С. Основные проблемы математической морфологии ландшафта [Текст] / А. С. Викторов. - Москва : Наука. - 2006. - 252 с.
- Полищук, Ю. М. Зоны активного термокарста на территории многолетней мерзлоты и их выявление по космическим снимкам [Текст] / Ю. М. Полищук, А. Н. Богданов // Известия Томского политехнического университета. - 2015. - Т. 326, № 12. - С. 104-114.
- Ландшафтная карта СССР [Электронный ресурс] / под ред. И. С. Гудилина. - URL: https://www.twirpx.com/file/1494034/. (дата обращения: 17.01.2016).