МОНИТОРИНГ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ЮЖНО-САХАЛИНСКОГО ГОРОДСКОГО ОКРУГА С ПРИМЕНЕНИЕМ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Физико-географическая и социально-экономическая справка 8
1.1 Сахалинская область 8
1.2 Характеристика городского округа «Город Южно-Сахалинск» 10
1.2.1 Рельеф и геологическое строение 10
1.2.2 Климат 14
1.2.3 Поверхностные и подземные воды 16
1.2.4 Почвы, растительность 18
1.2.5 Административное деление. Население 24
2 Дистанционное зондирование Земли 26
2.1 Обзор литературы 26
2.2 Общие сведения о методах дистанционного зондирования Земли 28
2.3 Программа Landsat 33
3 Методика выполнения работы 37
3.1 Выбор космических снимков 37
3.2 Обзор спектральных индексов 42
3.2.1 Нормализованный вегетационный индекс NDVI 42
3.2.2 Нормализованный разностный индекс застройки NDBI 45
3.3 Используемые программные продукты 46
4 Аналитическая часть 52
4.1 Анализ динамики роста городской территории городского округа
«Город Южно-Сахалинск» 52
4.2 Анализ динамики растительного покрова городского округа «Город
Южно-Сахалинск» 60
4.3 Анализ структуры природно-экологического каркаса и озеленённых
территорий города Южно-Сахалинска 70
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 80
ПРИЛОЖЕНИЕ А Космические снимки в естественных и искусственных цветах 97
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Картосхемы NDVI 101
ПРИЛОЖЕНИЕ В Картосхемы NDBI (застроенная территория выделена белым цветом) 106
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Карта градостроительного зонирования 110
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Перечень объектов городского зелёного хозяйства 111
ПРИЛОЖЕНИЕ Е Предметный указатель компетенций
1 Физико-географическая и социально-экономическая справка 8
1.1 Сахалинская область 8
1.2 Характеристика городского округа «Город Южно-Сахалинск» 10
1.2.1 Рельеф и геологическое строение 10
1.2.2 Климат 14
1.2.3 Поверхностные и подземные воды 16
1.2.4 Почвы, растительность 18
1.2.5 Административное деление. Население 24
2 Дистанционное зондирование Земли 26
2.1 Обзор литературы 26
2.2 Общие сведения о методах дистанционного зондирования Земли 28
2.3 Программа Landsat 33
3 Методика выполнения работы 37
3.1 Выбор космических снимков 37
3.2 Обзор спектральных индексов 42
3.2.1 Нормализованный вегетационный индекс NDVI 42
3.2.2 Нормализованный разностный индекс застройки NDBI 45
3.3 Используемые программные продукты 46
4 Аналитическая часть 52
4.1 Анализ динамики роста городской территории городского округа
«Город Южно-Сахалинск» 52
4.2 Анализ динамики растительного покрова городского округа «Город
Южно-Сахалинск» 60
4.3 Анализ структуры природно-экологического каркаса и озеленённых
территорий города Южно-Сахалинска 70
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 80
ПРИЛОЖЕНИЕ А Космические снимки в естественных и искусственных цветах 97
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Картосхемы NDVI 101
ПРИЛОЖЕНИЕ В Картосхемы NDBI (застроенная территория выделена белым цветом) 106
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Карта градостроительного зонирования 110
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Перечень объектов городского зелёного хозяйства 111
ПРИЛОЖЕНИЕ Е Предметный указатель компетенций
В настоящее время дистанционное зондирование и ГИС-технологии стали неотъемлемой частью прикладных эколого-географических исследований. Число работ, опирающихся на дешифрирование данных ДЗ, с каждым годом становится всё больше и больше. Современным ответвлением обработки спутниковых снимков является изучение зелёной инфраструктуры городов, в частности озеленённых территорий.
Трудно переоценить роль городской растительности: она выполняет средообразующую, природоохранную, эстетическую, рекреационную, санитарно-гигиеническую и другие функции. Устойчивое развитие городских территорий не представляется возможным без должного мониторинга растительного покрова, определяющих качество среды обитания человека и комфортность проживания горожан.
На сегодняшний день наибольшей актуальностью обладают исследования по изучению уязвимых экосистем, в том числе островных, отличающихся от материковых особенностями флористического биоразнообразия, о чём свидетельствует теория островной биогеографии. Сахалин - самый населённый остров России, а Южно-Сахалинск - «форпост» среди всех островных населённых пунктов России.
С учётом увеличения площадей урбанизированных территорий, интенсификации застройки, увеличения антропогенной нагрузки на территории Южно-Сахалинска актуальными становятся исследования урбоэкосистем, основанные на данных дистанционного зондирования и информационных технологий. Такие данные удобны в использовании, хранении, обработке, отличаются высокой эффективностью, объективностью, достоверностью и снискали положительные отзывы как в научной, так и в производственно-прикладной сферах. Посредством дешифрирования данных дистанционного зондирования можно оценить структуру и динамику состояния городской инфраструктуры, «зелёную» площадь города, степень нарушенности земель, динамику антропогенных процессов. Космические снимки являются хорошей основой для подготовки и ведения кадастра зелёных насаждений города, принятия управленческих решений в области функционального зонирования и формирования природно-экологического каркаса города, а также для мониторинга урбанизированных территорий. Благодаря данным дистанционного зондирования также представляется возможным прогнозировать дальнейшее развитие города.
Цель настоящей работы - пространственно-временная оценка динамики и состояния растительного покрова городского округа «Город Южно-Сахалинск».
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1. Собрать материалы дистанционного зондирования Земли, основываясь на данных спутников Landsat 5, 7, 8 за период с 1985 по 2024 год.
2. Обработать полученные мультиспектральные космические снимки в программах QGIS и SAGA GIS.
3. Применить спектральные индексы NDVI, NDBI для оценки состояния «зелёной» зоны Южно-Сахалинска и определения характера городской застройки.
4. Произвести качественный и количественный анализ полученных значений спектральных индексов в целях выявления природных и искусственно созданных форм поверхностного покрова.
5. Оценить уровень представленности и закономерность распределения озеленённых территорий в Южно-Сахалинске.
6. Сопоставить проделанный анализ с официальными данными, пользуясь генеральным планом Южно-Сахалинска и перечнем объектов городского зелёного хозяйства.
Объектом исследования выступает городской округ «Город Южно- Сахалинск».
Предмет исследования - состояние растительного покрова в пределах городского округа.
Научная новизна работы: впервые для городского округа «Город Южно-Сахалинск» дана пространственно-временная оценка динамики и состояния растительного покрова с упором на дешифрование данных дистанционного зондирования и комплексное применение спектральных индексов в сочетании с официальными данными городской Администрации, Управления охраны окружающей среды и озеленения, другими открытыми данными и натурными наблюдениями автора.
При составлении работы использовались следующие методы: описательный (физико-географическое описание области и города), метод дистанционных наблюдений (дешифрирование космических снимков), метод натурных наблюдений, аналитический (обработка космических снимков), расчётный (расчёт значений спектральных индексов), картографический (получение информации о пространственно-временном распределении значений спектральных индексов), статистический (количественный анализ «зелёной» площади, обеспеченности озеленёнными территориями на душу населения), сравнительный (сравнение полученных значений спектральных индексов по годам, сравнение с официальными данными).
На основе фактического материала автором магистерской диссертации были подготовлены тезисы: «Использование данных дистанционного зондирования для оценки состояния зелёных насаждений Южно- Сахалинска» (на 28 апреля 2025 года сборник тезисов ещё не опубликован, ожидается публикация в сборнике материалов участников XXI Большого географического фестиваля).
При написании работы использовались ресурсы сети Интернет (портал геологической службы США «EarthExplorer», сайт администрации города Южно-Сахалинск, сайт МКУ «Управление охраны окружающей среды и озеленения города Южно-Сахалинска» и др.), информация из отечественных и зарубежных научных статей, учебно-методических пособий, карт и атласов; рисунки и таблицы составлены автором или взяты из открытых источников; фотографический материал подготовлен автором или взят из открытых источников.
Трудно переоценить роль городской растительности: она выполняет средообразующую, природоохранную, эстетическую, рекреационную, санитарно-гигиеническую и другие функции. Устойчивое развитие городских территорий не представляется возможным без должного мониторинга растительного покрова, определяющих качество среды обитания человека и комфортность проживания горожан.
На сегодняшний день наибольшей актуальностью обладают исследования по изучению уязвимых экосистем, в том числе островных, отличающихся от материковых особенностями флористического биоразнообразия, о чём свидетельствует теория островной биогеографии. Сахалин - самый населённый остров России, а Южно-Сахалинск - «форпост» среди всех островных населённых пунктов России.
С учётом увеличения площадей урбанизированных территорий, интенсификации застройки, увеличения антропогенной нагрузки на территории Южно-Сахалинска актуальными становятся исследования урбоэкосистем, основанные на данных дистанционного зондирования и информационных технологий. Такие данные удобны в использовании, хранении, обработке, отличаются высокой эффективностью, объективностью, достоверностью и снискали положительные отзывы как в научной, так и в производственно-прикладной сферах. Посредством дешифрирования данных дистанционного зондирования можно оценить структуру и динамику состояния городской инфраструктуры, «зелёную» площадь города, степень нарушенности земель, динамику антропогенных процессов. Космические снимки являются хорошей основой для подготовки и ведения кадастра зелёных насаждений города, принятия управленческих решений в области функционального зонирования и формирования природно-экологического каркаса города, а также для мониторинга урбанизированных территорий. Благодаря данным дистанционного зондирования также представляется возможным прогнозировать дальнейшее развитие города.
Цель настоящей работы - пространственно-временная оценка динамики и состояния растительного покрова городского округа «Город Южно-Сахалинск».
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1. Собрать материалы дистанционного зондирования Земли, основываясь на данных спутников Landsat 5, 7, 8 за период с 1985 по 2024 год.
2. Обработать полученные мультиспектральные космические снимки в программах QGIS и SAGA GIS.
3. Применить спектральные индексы NDVI, NDBI для оценки состояния «зелёной» зоны Южно-Сахалинска и определения характера городской застройки.
4. Произвести качественный и количественный анализ полученных значений спектральных индексов в целях выявления природных и искусственно созданных форм поверхностного покрова.
5. Оценить уровень представленности и закономерность распределения озеленённых территорий в Южно-Сахалинске.
6. Сопоставить проделанный анализ с официальными данными, пользуясь генеральным планом Южно-Сахалинска и перечнем объектов городского зелёного хозяйства.
Объектом исследования выступает городской округ «Город Южно- Сахалинск».
Предмет исследования - состояние растительного покрова в пределах городского округа.
Научная новизна работы: впервые для городского округа «Город Южно-Сахалинск» дана пространственно-временная оценка динамики и состояния растительного покрова с упором на дешифрование данных дистанционного зондирования и комплексное применение спектральных индексов в сочетании с официальными данными городской Администрации, Управления охраны окружающей среды и озеленения, другими открытыми данными и натурными наблюдениями автора.
При составлении работы использовались следующие методы: описательный (физико-географическое описание области и города), метод дистанционных наблюдений (дешифрирование космических снимков), метод натурных наблюдений, аналитический (обработка космических снимков), расчётный (расчёт значений спектральных индексов), картографический (получение информации о пространственно-временном распределении значений спектральных индексов), статистический (количественный анализ «зелёной» площади, обеспеченности озеленёнными территориями на душу населения), сравнительный (сравнение полученных значений спектральных индексов по годам, сравнение с официальными данными).
На основе фактического материала автором магистерской диссертации были подготовлены тезисы: «Использование данных дистанционного зондирования для оценки состояния зелёных насаждений Южно- Сахалинска» (на 28 апреля 2025 года сборник тезисов ещё не опубликован, ожидается публикация в сборнике материалов участников XXI Большого географического фестиваля).
При написании работы использовались ресурсы сети Интернет (портал геологической службы США «EarthExplorer», сайт администрации города Южно-Сахалинск, сайт МКУ «Управление охраны окружающей среды и озеленения города Южно-Сахалинска» и др.), информация из отечественных и зарубежных научных статей, учебно-методических пособий, карт и атласов; рисунки и таблицы составлены автором или взяты из открытых источников; фотографический материал подготовлен автором или взят из открытых источников.
В работе подведены итоги дешифрирования серии разновременных мультиспектральных космических снимков и анализа динамики и состояния растительного покрова в городском округе «Город Южно-Сахалинск». Цель работы достигнута, поставленные задачи выполнены.
Наибольшему воздействию строительства подверглись периферийные районы города, в особенности его южная часть (микрорайоны Хомутово, Большая Елань, Зима). Существенное воздействие испытала природная зона в результате развития горнолыжного комплекса «Горный воздух». Отдельно стоит отметить высокую долю строительства частного сектора по городу в целом и расширение территорий СНТ и коттеджных посёлков в западной части города.
Доля селитебных территорий от общей площади городского округа увеличилась с 8,9 % в 1984 году до 10,9 % в 2015 году, т. е. на 2 %. Большая часть прироста селитебной территории городского округа приходится на индивидуальное жилищное строительство, по сей день характеризующееся экстенсивным развитием. Тем не менее, в последнее десятилетие активизировалось строительство новых жилых средне- и многоэтажных микрорайонов, при этом численность населения продолжает снижаться с 2019 года. Данные микрорайоны находятся в значительном удалении от центра города и, в том числе, располагаются на сопочных склонах в зоне маловероятных оползней и лавин, а также в низменности, подверженной процессам водной эрозии и переувлажнения.
Помимо селитебной территории, представленной преимущественно малоэтажной застройкой и в меньшей степени среднеэтажной застройкой, большая доля земель отводится зоне природного ландшафта (по земельному фонду - земли лесного фонда) и зоне сельскохозяйственных угодий (по земельному фонду - земли сельскохозяйственного назначения). Также наблюдается увеличение площадей зон отдыха и рекреационного назначения.
Повышение значений NDVI наблюдается преимущественно за пределами собственно города, в пределах границ зоны лесов. В пределах города с относительно высокими значениями NDVI выделяются озеленённые территории, в частности Старое кладбище, особо охраняемые природные территории, Центральный парк культуры и отдыха им. Ю. А. Гагарина.
С одной стороны, идёт тенденция на увеличение NDVI на периферии городской территории, с другой стороны, на участках, в частности расположенных на окраинах города и ранее покрытых зелёными насаждениями, стали наблюдаться более низкие значения NDVI вследствие активного строительства новых жилых микрорайонов и коттеджных посёлков на юге (Хомутово), востоке (Горный воздух), севере (район Ново-Александровска) и западе (садоводческие некоммерческие товарищества, район с. Дальнее и с. Ёлочки) города.
Площадь объектов зелёного хозяйства общего пользования в городском округе «город Южно-Сахалинск» составила 894795 м2, в перерасчёте на душу населения - 4,78 м2/чел., что почти в три раза меньше установленного норматива и значительно ниже показателя других городов.
Объекты городского зелёного хозяйства оказывают положительное влияние на микроклимат, способствуют снижению загрязнения различных компонентов среды, в частности атмосферы, смягчают физические воздействия (шумы), обеспечивают защиту от эрозии, смягчают неблагоприятные эффекты эколого-географического положения. В Южно- Сахалинске основными источниками загрязнения атмосферы являются автотранспорт и частный сектор.
Загрязнение воздуха оценивается как «очень высокое» [19]. За 1991¬2016 гг. Южно-Сахалинск практически ежегодно попадал в «чёрные списки» Росгидромета - как хронически, так и экстремально загрязнённых городов [34].
При всей доступности спутниковых и ГИС-данных NDVI рекомендуется применять в комплексе с другими исследованиями, в первую очередь, с полевыми наблюдениями, что позволит уточнять данные и в дальнейшем классифицировать растительный покров с обучением.
Методика, применяемая в работе, имеет ряд ограничений. Так, некоторые территории могут быть ложно классифицированы. Например, высокий NDVI у сельскохозяйственных полей: территория может быть ложно отнесена к классу густой растительности; либо наоборот - голые сельскохозяйственные поля и водные объекты классифицируются как городская застройка).
Хотя пространственное разрешение 30 метров волне может определяться высоким, оно может оказаться недостаточным для проведения более детального пространственного анализа. Поэтому использование и интерпретация данных ДЗЗ требует дальнейшего уточнения в ходе анализа многозональных снимков более высокого разрешения.
Среди других ограничений выделяется необходимость отбора снимков без облачности над объектом исследования, что значительно сужает потенциальный приемлемый массив космических данных.
Данные дешифрирования дистанционного зондирования могут быть использованы в кадастровых работах и актуализации кадастровых карт, проведении инвентаризации зелёных насаждений, составлении дендрологических планов города. В целях мониторинга растительного покрова Южно-Сахалинска, принятия управленческих решений, рассмотрения вопросов функционального зонирования города NDVI может послужить вспомогательным инструментом в комплексных эколого¬географических исследованиях.
Инвентаризация зелёных зон города является базисом для проведения экологического мониторинга, благодаря которому можно определить текущее состояния растительного покрова, провести ретроспективный анализ и сделать прогноз на будущее. Полученные данные могут быть использованы администрацией города Южно-Сахалинск, МКУ «Управление охраны окружающей среды и озеленения города Южно-Сахалинска», архитекторами и строительными компаниями для оптимального планирования и развития городской застройки с учётом социально-экономических факторов и сохранения экологической устойчивости.
Наибольшему воздействию строительства подверглись периферийные районы города, в особенности его южная часть (микрорайоны Хомутово, Большая Елань, Зима). Существенное воздействие испытала природная зона в результате развития горнолыжного комплекса «Горный воздух». Отдельно стоит отметить высокую долю строительства частного сектора по городу в целом и расширение территорий СНТ и коттеджных посёлков в западной части города.
Доля селитебных территорий от общей площади городского округа увеличилась с 8,9 % в 1984 году до 10,9 % в 2015 году, т. е. на 2 %. Большая часть прироста селитебной территории городского округа приходится на индивидуальное жилищное строительство, по сей день характеризующееся экстенсивным развитием. Тем не менее, в последнее десятилетие активизировалось строительство новых жилых средне- и многоэтажных микрорайонов, при этом численность населения продолжает снижаться с 2019 года. Данные микрорайоны находятся в значительном удалении от центра города и, в том числе, располагаются на сопочных склонах в зоне маловероятных оползней и лавин, а также в низменности, подверженной процессам водной эрозии и переувлажнения.
Помимо селитебной территории, представленной преимущественно малоэтажной застройкой и в меньшей степени среднеэтажной застройкой, большая доля земель отводится зоне природного ландшафта (по земельному фонду - земли лесного фонда) и зоне сельскохозяйственных угодий (по земельному фонду - земли сельскохозяйственного назначения). Также наблюдается увеличение площадей зон отдыха и рекреационного назначения.
Повышение значений NDVI наблюдается преимущественно за пределами собственно города, в пределах границ зоны лесов. В пределах города с относительно высокими значениями NDVI выделяются озеленённые территории, в частности Старое кладбище, особо охраняемые природные территории, Центральный парк культуры и отдыха им. Ю. А. Гагарина.
С одной стороны, идёт тенденция на увеличение NDVI на периферии городской территории, с другой стороны, на участках, в частности расположенных на окраинах города и ранее покрытых зелёными насаждениями, стали наблюдаться более низкие значения NDVI вследствие активного строительства новых жилых микрорайонов и коттеджных посёлков на юге (Хомутово), востоке (Горный воздух), севере (район Ново-Александровска) и западе (садоводческие некоммерческие товарищества, район с. Дальнее и с. Ёлочки) города.
Площадь объектов зелёного хозяйства общего пользования в городском округе «город Южно-Сахалинск» составила 894795 м2, в перерасчёте на душу населения - 4,78 м2/чел., что почти в три раза меньше установленного норматива и значительно ниже показателя других городов.
Объекты городского зелёного хозяйства оказывают положительное влияние на микроклимат, способствуют снижению загрязнения различных компонентов среды, в частности атмосферы, смягчают физические воздействия (шумы), обеспечивают защиту от эрозии, смягчают неблагоприятные эффекты эколого-географического положения. В Южно- Сахалинске основными источниками загрязнения атмосферы являются автотранспорт и частный сектор.
Загрязнение воздуха оценивается как «очень высокое» [19]. За 1991¬2016 гг. Южно-Сахалинск практически ежегодно попадал в «чёрные списки» Росгидромета - как хронически, так и экстремально загрязнённых городов [34].
При всей доступности спутниковых и ГИС-данных NDVI рекомендуется применять в комплексе с другими исследованиями, в первую очередь, с полевыми наблюдениями, что позволит уточнять данные и в дальнейшем классифицировать растительный покров с обучением.
Методика, применяемая в работе, имеет ряд ограничений. Так, некоторые территории могут быть ложно классифицированы. Например, высокий NDVI у сельскохозяйственных полей: территория может быть ложно отнесена к классу густой растительности; либо наоборот - голые сельскохозяйственные поля и водные объекты классифицируются как городская застройка).
Хотя пространственное разрешение 30 метров волне может определяться высоким, оно может оказаться недостаточным для проведения более детального пространственного анализа. Поэтому использование и интерпретация данных ДЗЗ требует дальнейшего уточнения в ходе анализа многозональных снимков более высокого разрешения.
Среди других ограничений выделяется необходимость отбора снимков без облачности над объектом исследования, что значительно сужает потенциальный приемлемый массив космических данных.
Данные дешифрирования дистанционного зондирования могут быть использованы в кадастровых работах и актуализации кадастровых карт, проведении инвентаризации зелёных насаждений, составлении дендрологических планов города. В целях мониторинга растительного покрова Южно-Сахалинска, принятия управленческих решений, рассмотрения вопросов функционального зонирования города NDVI может послужить вспомогательным инструментом в комплексных эколого¬географических исследованиях.
Инвентаризация зелёных зон города является базисом для проведения экологического мониторинга, благодаря которому можно определить текущее состояния растительного покрова, провести ретроспективный анализ и сделать прогноз на будущее. Полученные данные могут быть использованы администрацией города Южно-Сахалинск, МКУ «Управление охраны окружающей среды и озеленения города Южно-Сахалинска», архитекторами и строительными компаниями для оптимального планирования и развития городской застройки с учётом социально-экономических факторов и сохранения экологической устойчивости.