Using geoinformation technologies for the study of small thermokarst lakes fields in the western siberia arctic based on satellite images of Kanopus-v

Full Text

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

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

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

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.

About the authors

Ildar N Muratov

Author for correspondence.
Email: ildarmur@gmail.com

Chief Specialist

References

Supplementary files