ПРИМЕНЕНИЕ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ДЛЯ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ТЕРРИТОРИИ РАИФСКОГО УЧАСТКА ВОЛЖСКО-КАМСКОГО ЗАПОВЕДНИКА РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Теоретические аспекты космического мониторинга земной поверхности 6
1.1 Общее представление о данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ)6
1.2 Применение данных дистанционного зондирования для мониторинга
земной поверхности 13
1.3 Анализ российского и зарубежного опыта мониторинга особо охраняемых
территорий с помощью данных ДЗЗ 15
2. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ ДЗЗ 19
2.1 Визуальное дешифрирование 19
2.2 Автоматизированное (компьютерное) дешифрирование 22
2.2.1 Неуправляемая классификация 24
2.2.2 Управляемая классификация 28
3. Мониторинг состояния территории Раифского участка Волжско-Камского
Заповедника РТ на основе данных ДЗЗ 37
3.1 Характеристика исследуемой территории 37
3.2 Исходные данные ДЗЗ на территорию Волжско-Камского заповедника и
программное обеспечение их обработки 44
3.3. Результаты исследования и анализ состояния территории Раифского участка Волжско-Камского заповедника РТ 54
Заключение 67
Список использованных источников
Применение космических методов исследования привело к появлению нового этапа в информационном обеспечении исследований, которые применяются при мониторинге особо охраняемых природных территорий. Под мониторингом обычно подразумевается специальное длительное наблюдение за состоянием одних и тех же экосистем, но данные исследования требуют больших временных и трудовых затрат, так как предусматривают подробное описание и изучение абсолютно всех компонентов, составляющих биогеоценоз. Но сочетание наземных способов исследований с аэрокосмическими технологиями дает возможность оценить состояние природных комплексов и динамику происходящих на территории процессов в более коротких срок при участии минимального количества людей.
Волжско-Камский государственный природный биосферный заповедник Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации организован в 1960 году. Заповедник является природоохранным, научноисследовательским и эколого-просветительским учреждением, призванным сохранить на своей территории уникальные природные ландшафты древней долины Средней Волги. С 2005 года включен в систему биосферных резерватов ЮНЕСКО.
На территории заповедника располагаются уникальные хвойные насаждения 200-300-летнего возраста - бывшие леса, которые относились к монастырю, из-за чего здесь не проводилось рубки главного пользования. Здесь произрастает более 790 видов растений, обитает более 70 видов позвоночных животных. На территории расположены уникальные озера - Раифское, Линево, Илантово, культурно-исторические и археологические памятники, палеонтологические участки, дендрологический сад.
Но в настоящее время экологическая ситуация на территории заповедника оценивается как напряженная, но при использовании космических методов получения информации о местности в значительной мере восполняют недостатки контактного способа сбора информации, что позволяет говорить об актуальности рассмотрения вопроса об использовании материалов аэрокосмических съемок в целях мониторинга состояния заповедника.
Исходя из этого, цель данной работы - усовершенствовать методику оценки состояния Раифского участка Волжско-Камского заповедника на основе данных дистанционного зондирования Земли.
Для этого были поставлены следующие задачи:
• рассмотреть теоретические аспекты космического мониторинга земной поверхности;
• изучить российский и зарубежный опыт мониторинга особо охраняемых природных территорий с помощью данных дистанционного зондирования;
• рассмотреть методы визуального и автоматизированного дешифрирования снимков;
• изучить характеристики исследуемой территории;
• собрать необходимые исходные данные для проведения исследований;
• создать поэтапный алгоритм оценки состояния заповедника на основе данных дистанционного зондирования Земли;
• проанализировать геометрию озер и причины данных изменений;
• провести тематическую классификацию многоканальных космических снимков;
• на основе тематической классификации проанализировать площадь территории заповедника, где отсутствует древесно-кустарниковая растительность;
• выявить причины изменения границ озер.
Объектом исследования выступает Раифский участок Волжско-Камского государственного природного биосферного заповедника. Предметом является мониторинг территории заповедника на основе данных дистанционного зондирования Земли.
В ходе написания работы применялись такие методы, как анализ, сравнение, наблюдение, классификация и измерение. В качестве информационной базы были использованы работы отечественных специалистов по вопросам работы с данными дистанционного зондирования Земли, таких как О.С. Токарева, В.Н. Опарин, В.М. Резников, Т.О. Ерискина, Н.В. Малышева и др. Практической базой исследования послужили космические снимки территории Раифского участка Волжско-Камского заповедника.
Практической значение работы состоит в получении картографической информации, отражающей актуальное состояние территории Раифского участка заповедника.
В Российской Федерации огромный интерес уделяется вопросам прогноза состояния природных ресурсов и природоохранного контроля за их добычей и дальнейшей переработкой, кроме того уделяется внимание исследованиям состояния природных комплексов в условиях антропогенного влияния. Направленность к расширению значимости мониторинга на базе космических данных в огромной мере сопряжена с усилением требований к своевременности и достоверности данных о состоянии окружающей среды. Применение современных спутниковых систем наблюдения поверхности Земли в настоящее время позволяет осуществлять долгосрочный мониторинг экологического состояния природных комплексов. Космические данные находящиеся в открытом доступе среднего разрешения, дают возможность организовать оперативный мониторинг средних и крупных элементов ландшафта.
Лесной массив Раифского участка Волжско-Камского заповедника в прошлом относился к Раифскому монастырю, вследствие чего здесь не проводились рубки главного пользования, что позволило сохранить насаждения дуба, ели и сосны, возраст которых достигает 300 лет. Что делает Раифский лес одним из старейших в Восточной Европе. Азональный характер ландшафтов древнеаллювиальной долины Волги обуславливает разнообразие микроклиматических и почвенных условий территории и, как следствие этого, высокое биоразнообразие. Здесь наблюдается концентрация редких и исчезающих для региона видов растений и животных. Особую ценность, в условиях антропогенного остепнения территории региона, представляют сохранившиеся бореальные сообщества. Раифский лес считается «южным аванпостом тайги». Благодаря особенностям рельефа, на территории Раифского леса как бы имитируется широтная зональность всей лесной полосы Европейской части России: с юга на север по склону Раифской котловины сначала лежит полоса широколиственного леса с дубом и липой, она сменяется смешанными лесами с дубом, липой и елью, затем идут сложные сосняки с липой и елью, еще ниже по рельефу - елово-сосновые леса и, наконец, - чистые сосняки.
Использование геоинформационных методов и данных космической съемки при мониторинге особо охраняемых природных территорий является обоснованным и актуальным в связи с огромными территориями и ограниченными трудовыми ресурсами, занятыми в природоохранной деятельности таких объектов. Поиск новых решений требует внедрения новых технологий, и данные космической съемки в значительной степени могут быть использованы в работах по мониторингу леса, водных объектов и других элементов природного комплекса.
При анализе разновременных космических снимков Раифского участка Волжско-Камского государственного природного биосферного заповедника была выявлена тенденция к ухудшению состояния многочисленных природных компонентов. Причиной этому является антропогенное влияние, представленное соседством с территориями 7 сельскохозяйственных предприятий, из числа которых птицефабрика, зверохозяйство, овощеводческое хозяйство.
В ходе исследования территории заповедника было выявлено изменение геометрии озер, связанные с эрозионными процессами на сельскохозяйственных землях водосборного бассейна Раифы. При половодье ежегодно с близлежащих полей смывается почвенный слой, который в виде огромной массы взвешенных частиц поступает в реки, проходящие по территории заповедника, после чего данная масса оседает в озерах, вызывая их обмеление и сокращение площади водного зеркала.
Также для изучения всей территории заповедника, а также лесного покрова был подобран оптимальный метод тематической классификации, который наиболее просто и быстро, но при этом достаточно точно решает поставленные задачи. Данным способом стала сегментация многоканального космического снимка. Основным отличием данного способа является использование в качестве минимальной операционно-территориальной единицы однородных областей (сегментов или пространственных кластеров) образованных пикселями
изображения. При этом процесс формирования сегментов является управляемым, тем самые давая возможность пользователю управлять размером и формой создаваемых сегментов, что в свою очередь позволяет управлять детальностью (степенью генерализации) итоговой тематической карты.
С помощью данного способа был изучен лесной покров заповедника за 1989, 2000 и 2017 гг., при анализе которого были выявлены территории где отсутствует древесно-кустарниковая растительность, что также является одним из факторов, который влияет на площадь озер.
Кроме того, немаловажно отметить, то что за последние 5 лет площадь озер стабилизировалась, территория, где отсутствует древесная растительность постепенно зарастает, на свежих снимках новые вырубки не прослеживаются. Поэтому для дальнейшего сохранения данной экосистемы необходимо усиление контроля за соблюдением режима заповедника, а также постоянно проводить мониторинг водных объектов и лесной территории. Использование для этого снимков высокого разрешения может значительно повысить качество тематической классификации и степень детализации оцениваемых объектов местности. Для таких целей могут пригодится снимки спутника Sentinel-2 к которым с 4 декабря 2015 года Европейское космическое агентство открыло полный доступ. Данные снимки представлены в 13 спектральных диапазонах RGB и NIR (разрешение 10 м). Также возможно использование снимков PlanetScope с пространственным разрешением 3,7 м, полученные со спутников Dove компании Planet. Это обстоятельство является особенно значимым для возможности выявления таких явлений, как усыхания, ветровалы, деревья подверженных различным заболеваниям и др. При этом ключевым требованием является необходимость непрерывности и последовательности проведения мониторинга с течением времени, что значительно увеличит степень его точности при оценке состояния даже самых мелких элементов территории в пределах исследуемого объекта.
охраняемых территорий применимо и позволяет оперативно реагировать на различные изменения в природном комплексе. И в последующем применяя наземные методы, уточнять и оперативно реагировать для устранения таких изменений.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
