ИЗУЧЕНИЕ НЕГАТИВНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ В ПРЕДЕЛАХ ВОДОСБОРА ОЗЕРА БАЙКАЛ | Опубликовать статью РИНЦ

Сутырина Е.Н.

Доцент, кандидат географических наук, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Иркутский государственный университет”

ИЗУЧЕНИЕ НЕГАТИВНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ В ПРЕДЕЛАХ ВОДОСБОРА ОЗЕРА БАЙКАЛ

Аннотация

В статье представлены результаты исследования негативных изменений подстилающей поверхности в пределах водосборного бассейна озера Байкал на основе данных радиометра AVHRR.

Ключевые слова: трансграничный водосборный бассейн, озеро Байкал, данные радиометра AVHRR, индекс NDVI. 

Sutyrina E.N.

Assistant professor, Ph. D. of Geography, Irkutsk State University

THE STUDY OF THE ADVERSE CHANGES OF THE UNDERLYING SURFACE IN THE DRAINAGE AREA OF THE LAKE BAIKAL

Abstract

The results of the study of the negative changes of land cover within in the bound of the Lake Baikal drainage area using AVHRR data are presented in this paper.

Keywords: trans-boundary drainage area, Lake Baikal, AVHRR data, NDVI.

Водосборный бассейн представляет собой систему различных по структуре и функциям ландшафтных образований, которые объединяются в ландшафтно-гидрологическую систему [1], таким образом, необходимо выделять факторы хозяйственной деятельности, воздействующие на водный объект посредством изменения поверхности водосборов (агротехнические мероприятия, осушение болот и заболоченных земель, вырубка лесов, урбанизация и т.п.) [2].

Хозяйственная деятельность, ведущаяся в пределах водосбора озера Байкал без соблюдения необходимых экологических требований, приводит к серьезным негативным изменениям окружающей среды: нарушению водного баланса; усилению эрозионных процессов; загрязнению вод притоков озера Байкал продуктами эрозии почв и смываемыми с полей органическими веществами; изменению структуры стока в сторону увеличения поверхностного; ухудшению экологической обстановки и увеличению пожарной опасности в лесу; возникновению болезней леса; интенсификации селей и лавин [3].

Ситуация осложняется тем, что бассейн озера Байкал является трансгра-ничным, и Водосборная площадь Байкала равна 588 тыс. км², из них около 299 тыс. км² находится на территории России, остальные 289 тыс. км² – на территории Монголии. Часть водосбора озера на территории Монголии является наиболее плотно населенной и интенсивно осваиваемой территорией, где сосредоточены крупнейшие города Монголии, размещены горнодобывающая, металлургическая, химическая отрасли промышленности, расположены пахотные, пастбищные и сенокосные поливные земли [4].

В условиях изучения водного объекта, имеющего трансграничный водосборный бассейн, применение данных дистанционного спутникового зондирования Земли дает возможность следить за состоянием всего водосборного бассейна и выделять территории, с нарушенными ландшафтами. В связи с приведенными выше причинами первоочередной задачей данного исследования является оценка негативных изменений подстилающей поверхности  в пределах водосборного бассейна озера Байкал на основе спутниковых данных.

Исходные данные

В рамках данного исследования были использованы данные радиометра AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), установленного на борту метеорологических спутников серии NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), отобранные из архива телеметрии Центра космического мониторинга Института солнечно-земной физики СО РАН.

Радиометр AVHRR представляет собой типичный сканер и измеряет собственное и отраженное Землей излучение в шести спектральных диапазонах: 0,58 – 0,68 мкм; 0,725–1,0 мкм; 1,58-1,64 мкм (в дневное время);  3,55–3,93 мкм (в ночное время); 10,3–11,3 мкм; 11,4-12,4 мкм. Полученное изображение охватывает полосу земной поверхности шириной 2600 км по трассе движения спутника, что обеспечивает полный обзор водосборного бассейна озера Байкал за один пролет.

Методика исследований

Для картографирования и анализа различных типов подстилаю-щей поверхности в пределах водосбора озера Байкал в рамках настоящего исследования был использован индекс NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), который является одним из самых используемых индексов для решения задач, использующих количественные оценки растительного покрова [1]. NDVI вычисляется по следующей формуле:

где A₂ – отражательная способность в ближней инфракрасной области спектра; A₁ – отражательная способность в красной области спектра.

Использование нормализованной разности между максимумом (в ближней инфракрасной области спектра) и минимумом (в красной области) отражательной способности делает возможным отделять и классифицировать растительные объекты от прочих природных объектов и позволяет компенсировать разные условия визирования со спутника.

В данной работе расчет NDVI производился по данным прибора AVHRR. Для этого были отобраны дневные снимки, захватывающие водосбор озера Байкал за период с 1999 по 2012 г. за июль и август, когда контрасты значений индекса NDVI для разных типов подстилающей поверхности максимальны, далее по серии спутниковых снимков для каждого года были рассчитаны максимальные значения индекса NDVI за июль-август для всех точек изображения, принадлежащих водосборному бассейну озера.

Значения индекса NDVI для различных типов подстилающей поверхности, характерных для водосбора озера Байкал, для каждого года в отдельности уточнялось на основании сопоставления с современными и ретроспективными картографическими материалами и крупномасштабными космофотоснимками, фрагментарно покрывающими изучаемую территорию в отдельные годы. На основе указанных материалов было определено физическое содержание классов (таб. 1) и составлены разновременные карты состояния поверхности в пределах всего водосбора озера Байкал.

 

Таблица 1 – Физическое содержание классов

Классификационный индекс	Тип подстилающей поверхности
A	Тайга и смешанный лес (густая растительность)
B	Тайга и смешанный лес (разреженная растительность)
C	Лесостепь, кустарниковая растительность
D	Степь, сельскохозяйственные угодья, луговая растительность
E	Заболоченные участки, открытая почва, пустыни, полупустыни, крупные населённые пункты
F	Вода

 

Технологическая схема обработки спутниковых данных включала следующие этапы:

• предварительную обработку, представляющую собой подготовку изображений к тематической обработке (выравнивание динамических диапазонов, уточнение привязки на основе адаптированной автором системы [5], преобразование картографической проекции, и т.д.);
• расчет индекса NDVI и выполнение процедуры классификации;
• составление тематических картографических изображений изучаемой территории;
• анализ составленных картографических изображений методом гистограмм, заключающийся в определении по гистограммам количества пикселей и соответствующий площади, занимаемой тем или иным типом подстилающей поверхности в различные годы, анализ разновременных карт и выявление областей с наиболее выраженными изменениями подстилающей поверхности.

Примеры картографических изображений, отображающих распределение типов подстилающей поверхности в пределах водосбора озера Байкал, приведены на рис. 1.

Рис. 1 – Распределение типов подстилающей поверхности в пределах водосборного бассейна озера Байкал в 1999 и 2012 гг. (соответствие классификационных индексов типам подстилающей поверхности приведено в табл. 1)

Результаты

На основании сопоставления классов на составленных картах с преобладающими классами на крупномасштабных космофотокартах, частично покрывающих изучаемую территорию и соответствующих по времени, было установлено, что все выделенные классы достоверно дешифрируются по спутниковым данным. Самый высокий процент распознавания имеют густая тайга и смешанный лес.

Результаты исследования свидетельствуют об интенсивной трансформации ландшафтов, значительном сокращении площади лесных угодий в пределах всего изучаемого водосбора (с 1999 по 2012 г. сократилась на 18 % площадь густых лесов). Кроме этого за указанный период на территории всего водосборного бассейна наблюдается увеличении пустынных и полупустынных участков и участков с открытой почвой (на 64 %) и рост площадей, занимаемых степными участками и сельскохозяйственными угодьями (на 20 %). Сохранение выявленных темпов деградации ландшафтов неизбежно приведёт к существенному сокращению гидрографической сети и изменению водного режима реки бассейна озера Байкал и за счёт развития антропогенной эрозии почв на водосборе и поступления в малые реки бассейна избыточного по отношению к транспортирующей способности потока количества наносов, что обусловит их обмеление и пересыхание.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-05-31100) и программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «ИГУ» на 2012–2016 годы.