Использование данных дистанционного зондирования и геоинформационных
технологий для создания серии карт антропогенной нарушенности территории
Ленинградской области
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЛЕНИНГРАДСКОЙ
ОБЛАСТИ 6
1.1. Административно-территориальное устройство 6
1.2. Орография 6
1.3. Климат 8
1.4. Гидрография 10
1.5. Почвы 11
1.6. Растительность 14
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 17
2.1. Онлайн-сервис Google Earth Engine 17
2.2. Landsat 7 ETM+ и Landsat 8 OLI 23
2.3. Производные изображения 27
2.3.1. Индексные изображения 28
2.3.2. Синтезированные изображения 34
2.3.3. Классифицированные изображения 40
ГЛАВА 3. АЛГОРИТМ ВЫЯВЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ С АНТРОПОГЕННОЙ НАРУШЕННОСТЬЮ В ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ 44
3.1. Опыт в исследованиях 44
3.2. Поиск и предварительная обработка снимков 46
3.2.1. Использование Google Earth Engine 46
3.2.2. Обработка в ПО ENVI 53
3.3. Выбор наиболее подходящих способов выявления антропогенно нарушенных
территорий 55
3.3.1. Выявление гарей 56
3.3.2. Выявление вырубок 62
3.3.3. Выявление сельскохозяйственных угодий 66
3.3.4. Выявление урбанизированных территорий 70
ГЛАВА 4. СОЗДАНИЕ СЕРИИ КАРТ 74
3.4. Создание тематических карт в ArcGIS 74
3.5. Анализ полученных данных 80
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 83
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 85
ПРИЛОЖЕНИЕ № 1 91
ПРИЛОЖЕНИЕ № 2 92
ПРИЛОЖЕНИЕ № 3 93
ПРИЛОЖЕНИЕ № 4 94
ПРИЛОЖЕНИЕ № 5 95
Антропогенная деятельность неразрывно связана с природной средой, человек начал преобразовывать ее с давних пор. На сегодняшний день негативное влияние людей на окружающую среду проявляется в глобальных масштабах.
Антропогенное воздействие может оказывать влияние на такие компоненты геосистем, как почва, недра, растительный покров, гидрография и фауна. Под антропогенной нарушенностью территорий, понимается степень изменения процессов функционирования и состава компонентов природной среды в результате внешнего влияния.
Актуальность исследования объясняется тем, что оценка и анализ антропогенных нарушений природных систем для обеспечения восстановления природных ресурсов является одной из задач рационального природопользования. Самыми явными и распространенными нарушениями являются гари, лесные рубки, сельскохозяйственные угодья и урбанизированные территории. В современных условиях решение таких задач невозможно представить без применения данных дистанционного зондирования Земли и геоинформационных технологий.
Ленинградская область является достаточно населенным субъектом Российской Федерации. Плотность населения в регионе по данным Росстата составляет 22,78 человек на кв. км на 01.01.2022 г. Это объясняется наличием относительно благоприятных условий для жизни и соседством крупного мегаполиса - города федерального значения Санкт-Петербург. Поэтому антропогенные нарушения в таком регионе требуют тщательной оценки и анализа, чтобы в дальнейшем принять необходимые меры по восстановлению природных ресурсов и предотвратить необратимые отрицательные последствия для окружающей среды.
Ленинградская область покрывается большим количеством спутниковых снимков, поэтому для мониторинга ее растительности требуется обработать и проанализировать данные, для которых может не хватить мощности и производительности персонального компьютера. Поэтому актуальным также является использование облачных технологий для получения информации о состоянии земного покрова с помощью космических средств наблюдения Земли.
Целью работы является создание серии карт антропогенных нарушений территории Ленинградской области, используя данные дистанционного зондирования Земли и геоинформационных технологий.
Для реализации поставленной цели было необходимо решить следующие
задачи:
1. Ознакомиться с физико-географической характеристикой Ленинградской области, в особенности с растительностью;
2. Изучить интерфейс облачного сервиса Google Earth Engine;
3. Рассмотреть характеристики спутниковых снимков Landsat-7 ETM+ и Landsat-8 OLI;
4. Провести анализ преимуществ различных индексных, синтезированных и классифицированных изображений;
5. Получить и обработать необходимые снимки;
6. Исследовать и описать методику выявления гарей, сельскохозяйственных угодий, вырубок и урбанизированных территорий Ленинградской области;
7. Создать серию тематических карт;
8. Выполнить анализ получившихся данных.
Структура работы включает в себя введение, четыре главы, состоящие из 14 разделов и 9 подразделов, заключение, список использованных источников и приложения.
Практическая часть работы была выполнена в таких программах, как Google Earth Engine, ENVI 5.0, QGIS 3.22.2 и ArcGIS 10.8.
Итогом данной работы стала серия карт антропогенной нарушенности территории Ленинградской области за 2020 год с использованием данных дистанционного зондирования Земли и геоинформационных технологий. Серия состоит из пяти карт: «Распределение гарей», «Распределение вырубок»,
«Сельскохозяйственные угодья», «Урбанизированные территории» и «Антропогенные нарушения» Всеволожского муниципального района, как самого нарушенного человеческой деятельностью в процентном отношении (Приложения № 1 - 5).
В ходе выпускной квалификационной работы были выполнены все поставленные задачи - ознакомились с физико-географической характеристикой Ленинградской области, в особенности с растительностью, изучили интерфейс облачного сервиса Google Earth Engine, рассмотрели характеристики спутниковых снимков Landsat-7 ETM+ и Landsat-8 OLI, провели анализ преимуществ различных индексных, синтезированных и классифицированных изображений, получили и обработали необходимые спутниковые снимки, исследовали и описали методику выявления гарей, сельскохозяйственных угодий, вырубок и урбанизированных территорий Ленинградской области, создали серию тематических карт и выполнили анализ получившихся данных.
В результате анализа данных, содержащихся в составленных тематических картах, сделали следующие выводы:
1. Гари на территории Ленинградской области в 2020 году в большинстве своем расположены на Карельском перешейке и на юго-западе области;
2. Большинство вырубок леса в исследуемом субъекте РФ в 2020 году концентрировались на востоке области;
3. Сельскохозяйственные угодья на территории Ленинградской области на момент 2020 года в целом сконцентрированы на Карельском перешейке и на юго-западе региона;
4. Большая площадь урбанизированных территории в Ленинградской области на момент 2020 года наблюдается во Всеволожском, Выборгском и Гатчинском районах.
В целом, в Ленинградской области по четырем рассмотренным видам нарушений природной среды (гари, вырубки, сельскохозяйственные угодья, урбанизированные территории) общая их площадь составляет 7701,10 кв. км, что примерно 9 % от площади всей территории субъекта РФ.
Самым нарушенным муниципальным районом считается Всеволожский - по результатам расчета процента площади антропогенной нарушенности от общей площади района. Этот процент составил 28,01 % при площади Всеволожского района в 3079,22 кв. км.
Также в ходе работы было выявлено, что использование облачных технологий, в частности Google Earth Engine, позволяет уменьшить трудозатраты и повысить производительность при работе с большим объемом спутниковых снимков.
Тем не менее, способы выявления гарей, вырубок, сельскохозяйственных угодий и урбанизированных территорий в дальнейшем могут быть усовершенствованы, полностью автоматизированы и оптимизированы, чтобы использовать для научных и прикладных задач и ускорить их выполнение.
У данной работы, несомненно, есть перспективы развития. Например, можно рассмотреть другие виды антропогенных нарушений (разработки полезных ископаемых, гидротехнические системы и т. д.), исследовать способы выявления разных типов сельскохозяйственных угодий (пашни, залежи и др.), типов урбанизированных территорий (селитебные и промышленные районы, транспортные узлы).
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
