1. МЕТОДЫ ДЗЗ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ ЦЕНТРАЛЬНОГО ЯМАЛА. 9
1.1. Дистанционное зондирование Земли из космоса: прикладные задачи, решаемые с
помощью спутниковых данных 9
1.2. Информационное и программное обеспечение исследования 12
2. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ВОДЫ НА ТЕСТОВЫХ УЧАСТКАХ ОБСКОЙ ГУБЫ ПО
СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ 20
2.1. Сбор, обработка и анализ данных ДЗЗ 20
2.2. Результаты исследования 23
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 32
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 35
РЕФЕРАТ
Тема выпускной квалификационной работы: «Исследование динамики параметров качества воды Обской губы Карского моря на основе архивной и оперативной спутниковой информации».
Цель работы - Исследование пространственно-временной динамики параметров качества воды на тестовых участках Обской губы по спутниковым данным Sentinel-2 и Landsat-8.
Объект исследования - водная система Обской губы.
Предмет исследования - качество воды Обской губы Карского моря.
В результате проведенного исследования в работе решены следующие задачи:
1. Выявлен характер пространственно-временной динамики загрязняющих веществ в водах Обской губы по спутниковым данным Sentinel-2 и Landsat-8.
2. Определены параметры качества воды тестовых участков водной системы Обской губы по содержанию загрязняющих веществ.
3. Исследованы концентрации загрязняющих веществ вдоль береговой зоны и вдоль течения.
4. По спутниковым данным выявлено влияние терминалов сжиженного природного газа, расположенного в акватории Обской губы в непосредственной близости от порта Сабетта, и дноуглубительных работ на объекте «Морской канал» на пространственно-временную динамику загрязняющих веществ.
Объем работы 38 страниц, количество рисунков - 25, таблиц - 10, использованных источников литературы - 17.
Ключевые слова: Обская губа, дистанционное зондирование Земли, спутниковые снимки Sentinel-2 и Landsat-8, взвешенные вещества, первичные оптические характеристики.
За последние годы экологическая ситуация на территории Ямала резко ухудшилась. Это связано с тем, что полуостров Ямал является стратегическим нефтегазоносным регионом России. За годы нефтегазового освоения вода многих рек загрязнена нефтепродуктами, фенолами, соединениями тяжёлых металлов. Остро стоят проблемы разрушения растительного покрова и загрязнения водоемов. Особое значение приобрела проблема качества питьевой воды. Природные экосистемы Ямала наиболее уязвимы в отношении различных видов антропогенных воздействий, что связано, прежде всего, с климатическими условиями этих территорий - наличием многолетней мерзлоты, коротким летним периодом, повышенной влажностью воздуха. Экстремальные климатические условия и ландшафтные особенности, определяющиеся высокой степенью заболоченности территории, приводят к созданию особых условий физико-химических и биогеохимических процессов [1-6, 10].
Заметим, что большинство газовых месторождений и значительная часть месторождений нефти в Западной Сибири располагаются в зоне вечной мерзлоты. Наблюдающиеся в последние годы потепление климата и таяние многолетнемерзлых грунтов ведут к возникновению и усилению деструктивных и опасных процессов: заболачиванию, термокарстовым просадкам, формированию и исчезновению озёр. Снижение прочности многолетнемёрзлых пород сопровождается ростом экономических и экологических ущербов на предприятиях отечественного нефтегазового комплекса. Поэтому важным составным элементом современных экологических исследований является оценка экологического состояния водных экосистем, изучение их функционирования и структуры, определение качества воды и трофического статуса водного объекта, изменяющихся под влиянием антропогенных и природных факторов. Ввиду труднодоступности территории оценка качества воды водных экосистем с применением методов дистанционного зондирования поверхности Земли является актуальной и практически значимой проблемой.
Объект исследования - водная система Обской губы.
Предмет исследования - качество воды Обской губы Карского моря.
Цель работы - Исследование пространственно-временной динамики параметров качества воды на тестовых участках Обской губы по спутниковым данным Sentinel-2 и Landsat-8.
Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:
1. Выявить характер пространственно-временной динамики загрязняющих веществ в водах Обской губы по спутниковым данным Sentinel-2 и Landsat-8.
2. Определить параметры качества воды тестовых участков водной системы Обской губы по содержанию загрязняющих веществ в воде.
3. Исследовать концентрации загрязняющих веществ вдоль береговой зоны и вдоль течения.
4. По спутниковым данным выявить влияние терминалов сжиженного природного газа, расположенного в акватории Обской губы в непосредственной близости от порта Сабетта и Новопортовского нефтегазоконденсатного месторождения, и дноуглубительных работ на объекте «Морской канал» на пространственно-временную динамику загрязняющих веществ.
Актуальность. Многоспектральная информация, поставляемая спутниками Sentinel-2/MSI (MSI - мультиспектральная камера, которая измеряет отраженную яркость Земли в 13 спектральных диапазонах от VNIR до SWIR) и Landsat-8/OLI (OLI - изображающий спектрометр видимого (5 каналов) и ближнего ИК-диапазона (4 канала)) имеет достаточно высокое пространственное и радиометрическое разрешение для обнаружения деталей изменения качества воды в прибрежных морских водах. Это является особенно важным для изучения динамики изменения качества воды в Обской губе Карского моря, где:
- идет обустройство причальных сооружений Салмановского (Утреннего) терминала сжиженного природного газа, расположенного в акватории Обской губы в непосредственной близости от порта Сабетта;
- на объекте «Морской канал» (Судоходный канал в Обской губе) начались дноуглубительные работы. На 11 августа 2020 г. уже изъято более 1 млн кубометров донного грунта. Работы выполняются в два этапа и завершатся в 2022 году. Согласно проекту, с территории морского канала будет изъято около 60 млн кубометров донных отложений и переброшено на другой участок губы [13].
Сбор полевых данных может представлять только точечные оценки качества водных условий во времени и пространстве, и получение пространственных и временных изменений показателей качества в крупных водоемах практически невозможно. Кратко перечислим наиболее важные ограничения, связанные с отбором полевых проб и измерением параметров качества воды:
1. Измерения являются трудоемкими, длительными и дорогостоящими.
2. Исследование пространственно-временных изменений и тенденций качества воды в крупных водоемах практически невозможно.
3. Мониторинг, прогнозирование и управление целыми водоемами могут быть недоступны, например, из-за топографической ситуации
Теоретическая и практическая значимость. Полученные характеристики позволяют провести анализ изменения качества поверхностных вод и более детально исследовать:
- природные свойства, в частности, существующие значительные многолетние амплитуды основного системообразующего фактора Обской губы - водного стока Оби
- антропогенное влияние, в том числе, влияние реконструкции «Морского канала» и объем извлеченного донного грунта.
К новизне исследования следует отнести: 1) исследование концентрации загрязняющих веществ на тестовых участках вдоль береговой зоны и вдоль течения вблизи нефтегазовых терминалов; 2) выявление по спутниковым данным влияние терминалов сжиженного природного газа, расположенного в акватории Обской губы в непосредственной близости от порта Сабетта, и дноуглубительных работ на объекте «Морской канал» на пространственно-временную динамику загрязняющих веществ.
Методы исследования. В качестве основных способов получения новых знаний и методов решения поставленных задач в выпускной работе использованы следующие методы научного исследования: системный подход, формализация, моделирование, сравнение, анализ, синтез, абстрагирование, обобщение, статистические методы.
Теоретико-методологической основой исследования послужили фундаментальные концепции, представленные в трудах отечественных и зарубежных ученых по изучаемой проблеме.
Статистическим инструментарием исследования послужили методы исследования рядов динамики эмпирических данных, а также графический и табличный методы визуализации данных. Для решения поставленных задач бакалаврского исследования применялись портал Earth Explorer, разработанный специалистами геологической службы США для поиска и заказа космоснимков, архивных снимков, аэрофотоснимков изучаемой области и другой картографической продукции, растровый графический редактор и программный продукт ERDAS IMAGINE 2010, табличный процессор «MS Excel», текстовый редактор «MS Word».
Информационная база исследования представлена архивом спутниковых данных (космоснимков) подстилающей поверхности Земли спутников Sentinel-2 и LANDSAT.
Выпускная квалификационная работа состоит из введения, двух глав и заключения.
Во введении излагаются: актуальность темы выпускной работы, цель, объект и предмет исследования, приведены задачи и методы исследования, описана информационная поддержка работы.
Первая глава посвящена основным понятия, связанным с дистанционным зондированием Земли из космоса космическими аппаратами Sentinel-2 и Landsat-8 и спутниковыми данными, описанию прикладных задач, решаемых с помощью спутниковых данных, информационному и программному обеспечению исследования.
Вторая глава содержит разделы, связанные с описанием процедуры сбора, обработки и интерпретации спутниковых данных на основе космоснимков водной поверхности Обской губы спутников Sentinel-2 и Landsat-8; анализом полученных данных, оценкой качества воды на тестовых участках полуострова Ямал.
В заключении приведены результаты проведенного исследования.
На основе описанного в главе II подхода для тестовых участков Обской губы были получены концентрации хлорофилла (мг/м3) и взвешенного вещества (г/м3), первые оптические глубины (м), а также первичные гидрооптические характеристики: показатель поглощения пигментами фитопланктона (м-1), показатель поглощения детритом (м-1), показатель поглощения желтым веществом (м-1), показатель обратного рассеяния ВВ (м-1), показатель поглощения детритом и желтым веществом (м-1), показатель поглощения пигментами фитопланктона, детритом и желтым веществом (м-1).
В результате проведенного исследования в выпускной квалификационной работе решены следующие задачи:
1. Выявлена динамика уровня загрязнения водной системы Обской губы; определена роль загрязнения нефтепродуктами, фенолами, соединениями тяжёлых металлов.
2. Выявлен характер пространственно-временной динамики загрязнения водной системы Обской губы.
3. Определены качество воды и трофический статус различных участков водной системы Обской губы по содержанию загрязняющих веществ в воде.
4. Исследованы концентрации загрязняющих веществ на тестовых участках Обской губы по спутниковым данным.
Результаты проведенного исследования докладывались на международных и российских конференциях:
1. XXIII Всероссийская научно-практическая конференция с
международным участием «Математики - Алтайскому краю (МАК-2020)», г. Барнаул, 1-5 июля 2020 г.
2. XXII городская научно-практическая конференция молодых ученых «Молодежь-Барнаулу», Барнаул, 2-27 ноября 2020 г.
3. Региональная площадка «Вернадский - Алтайский край», Барнаул, 10-27 ноября 2020 г.
4. VII региональная конференция АлтГУ «Мой выбор - НАУКА», 20-25 апреля 2020 г.
5. Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», Региональная площадка «Вернадский - Алтайский край», 12-23 апреля 2021 г.
6. VIII региональная конференция АлтГУ «Мой выбор - НАУКА», 20-30 апреля 2021 г.
7. VI Всероссийской научной конференции молодых ученых «Комплексные исследования Мирового океана», г. Москва, 18-24 апреля 2021 г., Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН.
8. XI Международная научно-практическая конференция «Высокопроизводительные вычислительные системы и технологии в научных исследованиях, автоматизации управления и производства» (ВВСТ- 2021), 21-22 мая 2021 г.
9. XXIV всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Математики - Алтайскому краю (МАК-2021)», 28-29 июня 2021 г.
Результаты исследования представлены в следующих публикациях:
1. Ефанов А.В., Кульшин А.В. Модели динамики популяций: эффект бифуркации // Труды молодых ученых Алтайского государственного университета: материалы VII региональной молодежной конференции «Мой выбор - НАУКА!», XLVII научной конференции студентов, магистрантов, аспирантов и учащихся лицейных классов. - Вып. 17. - Барнаул : Изд-во Алт. ун-та, 2020. С. 110-112.
2. Кротова О.С., Ефанов А.В., Кульшин А.В., Жаксылыкова А.Е. Методы интеллектуального анализа данных в диагностике осложнений сахарного диабета // МАК: «Математики - Алтайскому краю». [Электронный ресурс]: сборник трудов всероссийской конференции по математике с международным участием. - Барнаул, 2020. - С. 183-185.
3. Ефанов А.В., Кульшин А.В. Оценка качества воды в озёрах Ямала по спутниковым данным // Материалы научно-образовательного консорциума «Вернадский»: Региональная площадка «Вернадский - Алтайский край». Электронный ресурс: https://lomonosov-msu.ru/archive /Lomonosov 2020 2/ data/vernadsky.htm
4. Ефанов А.В., Кульшин А.В. Оценка качества воды на тестовых участках Обской губы (Тамбей-Сабетта, морской путь) // Сб. трудов XXII городской научно-практической конференция молодых ученых «Молодежь - Барнаулу», Барнаул, 2-27 ноября 2020 г.
5. Кириллов В.В., Ловцкая О.В., Хворова Л.А., Ковалевская Н.М., Ефанов А.В. Использование данных спутников Sentinel-2 и Landsat-8 для получения концентраций взвеси, хлорофилла и первичных гидрооптических характеристик Обской губы // Комплексные исследования Мирового океана. Материалы VI Всероссийской научной конференции молодых ученых, г. Москва, 18-24 апреля 2021 г. Москва: Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, 2021, С. 500-501, DOI:10.29006/978-5-6045110-3-9.
6. Ефанов А.В., Кириллов В.В, Ковалевская Н.М., Кульшин А.В., Ловцкая О.В., Хворова Л.А. Использование многоспектральной спутниковой информации для мониторинга динамики озер и оценки лимнологических характеристик водных экосистем Центрального Ямала // Высокопроизво¬дительные вычислительные системы и технологии, 2021, Т. 5, №1.
7. Efanov A.V., Kovalevskaya N.M., Kulshin A.V., Khvorova L.A. Monitoring of lake dynamics and assessment of limnological characteristics of aquatic ecosystems of the Central Yamal // Journal of Physics: Conference Series (JPCS), 2021.
8. Ефанов А.В., Хворова Л.А. Оценка экологического состояния водных экосистем Центрального Ямала // МАК: «Математики - Алтайскому краю». [Электронный ресурс]: сборник трудов всероссийской конференции по математике с международным участием. - Барнаул, 2021.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
