Выявление региональных особенностей глобальных изменений природной среды на основе материалов спутниковой съёмки
|
Введение.................................................................................................. 3
Глава 1. ИЗМЕНЕНИЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ .................................................................. 5
1.1 Глобальные изменения природной среды и климата....................................... 5
Глава 2. ВЛИЯНИЕ ГЛОБАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ НА ПРИРОДНУЮ СРЕДУ
РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН................................................................. 10
2.1. Краткая географическая характеристика территории Республики Башкортостан... 10
2.2. Изменения природной среды Республики Башкортостан................................. 16
Глава 3. СПУТНИКОВАЯ СЪЕМКА ПРИ ИЗУЧЕНИИ ОСОБЕННОСТЕЙ
ИЗМЕНЕНИЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ.............................................................. 19
3.1 Основы дистанционного зондирования Земли............................................... 19
3.2 Обзор работ по исследованию природной среды с использованием материалов
спутниковой съемки.................................................................................... 25
Глава 4. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЛЯ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ И
ВЫЯВЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ РЕСПУБЛИКИ
БАШКОРТОСТАН НА ОСНОВЕ МАТЕРИАЛОВ СПУТНИКОВОЙ СЪЕМКИ......... 31
4.1 Ключевые участки и их характеристика....................................................... 31
4.2 Данные дистанционного зондирования Земли, использованные в исследовании.... 33
4.3 Метеорологические данные для исследования............................................... 35
4.4 Характеристика программных средств, использованных в работе...................... 38
5. МОНИТОРИНГ И ВЫЯВЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ НА
ТЕРРИТОРИИ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН НА ОСНОВЕ МАТЕРИАЛОВ
СПУТНИКОВОЙ СЪЕМКИ.................................................................................... 43
5.1 Создание полигонов в QGIS..................................................................... 43
5.2 Разработка методики отбора данных ДЗЗ. Написание кода и обработка данных
ДЗЗ в Google Earth Engine............................................................................. 45
5.3 Анализ полученных данных и выявление изменений....................................... 50
Заключение .............................................................................................. 63
Литература ..................................................................................................... 65
ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................... 71
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Код для обработки данных дистанционного зондирования
Земли...................................................................................................... 72
Глава 1. ИЗМЕНЕНИЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ .................................................................. 5
1.1 Глобальные изменения природной среды и климата....................................... 5
Глава 2. ВЛИЯНИЕ ГЛОБАЛЬНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ НА ПРИРОДНУЮ СРЕДУ
РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН................................................................. 10
2.1. Краткая географическая характеристика территории Республики Башкортостан... 10
2.2. Изменения природной среды Республики Башкортостан................................. 16
Глава 3. СПУТНИКОВАЯ СЪЕМКА ПРИ ИЗУЧЕНИИ ОСОБЕННОСТЕЙ
ИЗМЕНЕНИЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ.............................................................. 19
3.1 Основы дистанционного зондирования Земли............................................... 19
3.2 Обзор работ по исследованию природной среды с использованием материалов
спутниковой съемки.................................................................................... 25
Глава 4. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЛЯ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ И
ВЫЯВЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ РЕСПУБЛИКИ
БАШКОРТОСТАН НА ОСНОВЕ МАТЕРИАЛОВ СПУТНИКОВОЙ СЪЕМКИ......... 31
4.1 Ключевые участки и их характеристика....................................................... 31
4.2 Данные дистанционного зондирования Земли, использованные в исследовании.... 33
4.3 Метеорологические данные для исследования............................................... 35
4.4 Характеристика программных средств, использованных в работе...................... 38
5. МОНИТОРИНГ И ВЫЯВЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ НА
ТЕРРИТОРИИ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН НА ОСНОВЕ МАТЕРИАЛОВ
СПУТНИКОВОЙ СЪЕМКИ.................................................................................... 43
5.1 Создание полигонов в QGIS..................................................................... 43
5.2 Разработка методики отбора данных ДЗЗ. Написание кода и обработка данных
ДЗЗ в Google Earth Engine............................................................................. 45
5.3 Анализ полученных данных и выявление изменений....................................... 50
Заключение .............................................................................................. 63
Литература ..................................................................................................... 65
ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................... 71
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Код для обработки данных дистанционного зондирования
Земли...................................................................................................... 72
Актуальность темы. Современное состояние природной среды подвержено
изменениям, что обусловлено природными и антропогенными факторами. Одним из
методов исследования изменения природной среды – является мониторинг изменения
природных условий. Мониторинг - это комплексная система наблюдений за состоянием
окружающей среды, оценки и прогноза изменений ее состояния под воздействием
природных и антропогенных факторов. Мониторинг предполагает процесс
систематического или непрерывного сбора информации о параметрах окружающей
среды для определения тенденций их изменения. Мониторинг можно проводить с
помощью сети стационарных пунктов, однако наблюдения на отдельных точках или
профилях не всегда отражают пространственные изменения. Поэтому использование
аэро- и космических снимков является необходимым условием проведения регулярных
наблюдений за современным состоянием систем. Сравнение их с результатами съемок,
выполненных в прошлые годы, десятилетия позволяет точно выявить произошедшие
изменения природной среды. Применение материалов спутниковой съемки при
проведении мониторинга сводится к сопоставлению разновременных данных для
выявления изменений в природной среде.
Цель работы: Разработать методику мониторинга природной среды (на примере лесных экосистем) с использованием материалов спутниковой съемки и апробировать её на примере ключевых участках, расположенных на территории Республики Башкортостан.
Задачи научно-исследовательской работы:
-Анализ изученности данного вопроса и актуальности данной темы, обзор
литературы;
-описание географической характеристики территории Республики
Башкортостан и природных особенностей ключевых участков исследования;
-подбор данных дистанционного зондирования Земли и метеорологических
данных, а именно, информации по температуре воздуха и относительной влажности
воздуха, как об одних из главных факторов, влияющих на состояний лесного покрова и
в целом природной среды;
-разработка методики отбора и обработки данных дистанционного зондирования
Земли с необходимыми параметрами, такие как: временной промежуток,
местоположение объекта исследований, допустимый процент облачности и т.д.
-статистический анализ данных ДЗЗ, исследование динамики, изменений
показателей NDVI и NDWI;
-статистический анализ данных метеостанций;
-сравнение, сопоставление данных ДЗЗ и наземных данных (данных
метеостанций), анализ, выявление характерных изменений.
Объект исследования: объектом исследования являются современные
изменения природной среды.
Предмет исследования: тенденции изменений природной среды в пределах
изучаемой территории.
Научная новизна.
1. Разработана методика (путем написания кода в облачной платформе для
геопространственного анализа Google Earth Engine), который позволяет сделать отбор и
обработку данных дистанционного зондирования Земли, с учетом необходимых
параметров (временной промежуток, местоположение объекта исследований,
допустимый процент облачности).
2. Впервые, на изучаемую территорию, были рассчитаны средние значения
NDVI и NDWI, индексы, дающие характеристики состояния растительного покрова
(для летнего периода, с 1985 по 2020 гг.), проведен сравнительный анализ полученных
значений индексов с данными близлежащих к ключевым участкам метеостанций,
оценено влияние тенденций изменений метеорологических данных на данные NDVI и
NDWI. Путем анализа полученных данных выявлены характерные изменения
природной среды изучаемой территории.
изменениям, что обусловлено природными и антропогенными факторами. Одним из
методов исследования изменения природной среды – является мониторинг изменения
природных условий. Мониторинг - это комплексная система наблюдений за состоянием
окружающей среды, оценки и прогноза изменений ее состояния под воздействием
природных и антропогенных факторов. Мониторинг предполагает процесс
систематического или непрерывного сбора информации о параметрах окружающей
среды для определения тенденций их изменения. Мониторинг можно проводить с
помощью сети стационарных пунктов, однако наблюдения на отдельных точках или
профилях не всегда отражают пространственные изменения. Поэтому использование
аэро- и космических снимков является необходимым условием проведения регулярных
наблюдений за современным состоянием систем. Сравнение их с результатами съемок,
выполненных в прошлые годы, десятилетия позволяет точно выявить произошедшие
изменения природной среды. Применение материалов спутниковой съемки при
проведении мониторинга сводится к сопоставлению разновременных данных для
выявления изменений в природной среде.
Цель работы: Разработать методику мониторинга природной среды (на примере лесных экосистем) с использованием материалов спутниковой съемки и апробировать её на примере ключевых участках, расположенных на территории Республики Башкортостан.
Задачи научно-исследовательской работы:
-Анализ изученности данного вопроса и актуальности данной темы, обзор
литературы;
-описание географической характеристики территории Республики
Башкортостан и природных особенностей ключевых участков исследования;
-подбор данных дистанционного зондирования Земли и метеорологических
данных, а именно, информации по температуре воздуха и относительной влажности
воздуха, как об одних из главных факторов, влияющих на состояний лесного покрова и
в целом природной среды;
-разработка методики отбора и обработки данных дистанционного зондирования
Земли с необходимыми параметрами, такие как: временной промежуток,
местоположение объекта исследований, допустимый процент облачности и т.д.
-статистический анализ данных ДЗЗ, исследование динамики, изменений
показателей NDVI и NDWI;
-статистический анализ данных метеостанций;
-сравнение, сопоставление данных ДЗЗ и наземных данных (данных
метеостанций), анализ, выявление характерных изменений.
Объект исследования: объектом исследования являются современные
изменения природной среды.
Предмет исследования: тенденции изменений природной среды в пределах
изучаемой территории.
Научная новизна.
1. Разработана методика (путем написания кода в облачной платформе для
геопространственного анализа Google Earth Engine), который позволяет сделать отбор и
обработку данных дистанционного зондирования Земли, с учетом необходимых
параметров (временной промежуток, местоположение объекта исследований,
допустимый процент облачности).
2. Впервые, на изучаемую территорию, были рассчитаны средние значения
NDVI и NDWI, индексы, дающие характеристики состояния растительного покрова
(для летнего периода, с 1985 по 2020 гг.), проведен сравнительный анализ полученных
значений индексов с данными близлежащих к ключевым участкам метеостанций,
оценено влияние тенденций изменений метеорологических данных на данные NDVI и
NDWI. Путем анализа полученных данных выявлены характерные изменения
природной среды изучаемой территории.
Данная выпускная квалификационная работа, посвящена изучению
региональных особенностей изменений природной среды, с использованием
материалов спутниковой съемки. Рассматриваются лесные экосистемы Республики
Башкортостан в различных природных зонах, в 7 ключевых участках: в лесостепной
зоне, в лесной зоне и в горно-лесной области. В работе представлена методика отбора
космических снимков, с параметрами, которые задаются пользователем, учитывая свои
научные интересы (временной промежуток, процент допустимой облачности,
территория и много других показателей), проведен статистический анализ полученных
данных ДЗЗ и наземных данных с метеостанций.
В выпускной квалификационной работе были реализованы следующие задачи:
1. Проведен обзор литературы, рассмотрена изученность, актуальность
данной темы;
2. Изучены вопросы глобальных изменений природной среды, влияние
глобальных изменений на природную среду Республики Башкортостан;
3. Дана географическая характеристика территории Республики
Башкортостан, описаны природные особенности исследуемых ключевых участков;
4. Проведен подбор космических снимков, сбор метеорологических данных;
5. Разработана методика автоматизированного отбора и обработки
космических снимков, которая реализуется в сервисе Google Earth Engine;
6. Проведен статистический анализ средних значений NDVI и NDWI,
полученных путем обработки данных ДЗЗ в Google Earth Engine;
7. Проведен статистических анализ метеорологических данных;
8. Сделан сравнительный анализ данных NDVI и NDWI, с данными
метеостанций, оценена роль климатического фактора на функционировании лесной
растительности;
9. Выявлены изменения в значениях при анализе временных рядов NDVI,
NDWI и метеоданных;
10. Сделан сравнительный анализ данных NDVI и NDWI, с данными
метеостанций, оценена роль климатического фактора на динамику, функционировании
лесной растительности.
В результате, были выяснено, на территории Республики Башкортостан, в
различных природных зонах, наблюдается изменения, такие как рост показателей NDVI
(во всех ключевых участках); рост NDWI в 1,2,3,4,5 участках, в 6 и 7 ключевых
участках наблюдается снижение данного показателей данного индекса. Рассматривая
ход данных температуры воздуха и относительной влажности воздуха, видим, что на
всех близлежащих к ключевым участкам метеостанциях, наблюдается рост значений
температуры воздуха. Рост относительной влажности воздуха наблюдается только в
метеостанции Аксаково, расположенный рядом 1 участком. В остальных же ключевых
участках, тренд к увеличению или, наоборот, к снижению показателя отсутствуют,
линия тренда значений остается ровной на всем протяжении времени исследования.
Исследование функционирования ландшафтов, экосистем является важной
задачей, особенно в контексте глобальных изменений природной среды, так как
позволяет оценить дальнейшую динамику, а это необходимо как для научных, так и для
практических целей.
региональных особенностей изменений природной среды, с использованием
материалов спутниковой съемки. Рассматриваются лесные экосистемы Республики
Башкортостан в различных природных зонах, в 7 ключевых участках: в лесостепной
зоне, в лесной зоне и в горно-лесной области. В работе представлена методика отбора
космических снимков, с параметрами, которые задаются пользователем, учитывая свои
научные интересы (временной промежуток, процент допустимой облачности,
территория и много других показателей), проведен статистический анализ полученных
данных ДЗЗ и наземных данных с метеостанций.
В выпускной квалификационной работе были реализованы следующие задачи:
1. Проведен обзор литературы, рассмотрена изученность, актуальность
данной темы;
2. Изучены вопросы глобальных изменений природной среды, влияние
глобальных изменений на природную среду Республики Башкортостан;
3. Дана географическая характеристика территории Республики
Башкортостан, описаны природные особенности исследуемых ключевых участков;
4. Проведен подбор космических снимков, сбор метеорологических данных;
5. Разработана методика автоматизированного отбора и обработки
космических снимков, которая реализуется в сервисе Google Earth Engine;
6. Проведен статистический анализ средних значений NDVI и NDWI,
полученных путем обработки данных ДЗЗ в Google Earth Engine;
7. Проведен статистических анализ метеорологических данных;
8. Сделан сравнительный анализ данных NDVI и NDWI, с данными
метеостанций, оценена роль климатического фактора на функционировании лесной
растительности;
9. Выявлены изменения в значениях при анализе временных рядов NDVI,
NDWI и метеоданных;
10. Сделан сравнительный анализ данных NDVI и NDWI, с данными
метеостанций, оценена роль климатического фактора на динамику, функционировании
лесной растительности.
В результате, были выяснено, на территории Республики Башкортостан, в
различных природных зонах, наблюдается изменения, такие как рост показателей NDVI
(во всех ключевых участках); рост NDWI в 1,2,3,4,5 участках, в 6 и 7 ключевых
участках наблюдается снижение данного показателей данного индекса. Рассматривая
ход данных температуры воздуха и относительной влажности воздуха, видим, что на
всех близлежащих к ключевым участкам метеостанциях, наблюдается рост значений
температуры воздуха. Рост относительной влажности воздуха наблюдается только в
метеостанции Аксаково, расположенный рядом 1 участком. В остальных же ключевых
участках, тренд к увеличению или, наоборот, к снижению показателя отсутствуют,
линия тренда значений остается ровной на всем протяжении времени исследования.
Исследование функционирования ландшафтов, экосистем является важной
задачей, особенно в контексте глобальных изменений природной среды, так как
позволяет оценить дальнейшую динамику, а это необходимо как для научных, так и для
практических целей.
