I. ИНСТРУМЕНТЫ ИЗУЧЕНИЯ ДИНАМИКИ ОЗЕР 9
1.1. Характеристики спутников Landsat-8 и Sentinel-2 9
1.2. Информационное и программное обеспечение исследования 14
II. МОНИТОРИНГ ДИНАМИКИ ОЗЕР ЦЕНТРАЛЬНОГО ЯМАЛА НА
ОСНОВЕ МНОГОСПЕКТРАЛЬНОЙ СПУТНИКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ ... 27
2.1. Получение и обработка спутниковых снимков 27
2.2. Исходные данные для разработки классификатора 30
2.3. Методы разработки классификатора 30
2.4. Результаты исследования 36
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 40
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 43
ПРИЛОЖЕНИЕ 45
РЕФЕРАТ
Тема выпускной квалификационной работы: «Разработка
классификатора термокарстовых озер на основе многоспектральной спутниковой информации».
Цель работы - Разработка классификатора термокарстовых озер Центрального Ямала на основе многоспектральных данных спутника Sentinel-2.
Объект исследования - Термокарстовые озера Центрального Ямала.
Предмет исследования - Методы и технологии построения классификаторов озер на основе многоспектральной спутниковой информации.
В результате проведенного исследования в работе решены следующие задачи:
1. На основе нормализированных водных индексов выявлен рост площади водного зеркала у большинства термокарстовых озер.
2. Проверена гипотеза о наличии непосредственной зависимости увеличивающейся площади зеркала озер Центрального Ямала от температуры и количества осадков.
3. Определен класс водных объектов Бованенковского
газоконденсатного месторождения в соответствии с уровнем концентрации взвешенного вещества.
4. Составлен классификатор термокарстовых озер Центрального Ямала.
Объем работы 53 страницы, количество рисунков - 12, таблиц - 16, приложение - 1, использованных источников литературы - 17.
Ключевые слова: Бованенково, дистанционное зондирование Земли, термокарстовые озера, взвешенное вещество, нормализированный водный индекс, классификатор, SNAP, ERDAS Imagine.
За последние годы нефтегазового освоения экологическая ситуация на территории Ямала резко ухудшилась, и данная проблема связана с тем, что полуостров Ямал является стратегическим нефтегазоносным регионом России. Наблюдающееся в последние годы потепление климата и таяние многолетнемерзлых грунтов ведут к возникновению и усилению таких деструктивных и опасных процессов: как 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, изменяющихся под влиянием антропогенных и природных факторов, а ввиду труднодоступности и высокой степени заболоченности территории в северных районах определение спектральных характеристик термокарстовых озер с применением методов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) является одним из доступных способов решения проблемы.
Объект исследования - Термокарстовые озера Центрального Ямала.
Предмет исследования - Методы и технологии построения классификаторов озер на основе многоспектральной спутниковой информации.
Цель работы - Разработка классификатора термокарстовых озер Центрального Ямала на основе многоспектральных данных спутника Sentinel-2.
Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:
1. На основе нормализированных водных индексов выявить изменения площадей водного зеркала у большинства термокарстовых озер.
2. Проверить гипотезу о наличии непосредственной зависимости увеличивающейся площади зеркала озер Центрального Ямала от температуры и количества осадков.
3. Определить классы различных водных объектов Бованенковского газоконденсатного месторождения в соответствии с уровнем концентрации взвешенного вещества.
4. Составить классификатор термокарстовых озер Центрального Ямала.
Актуальность. Область криолитозоны сплошного типа, границы которой охватывают большую часть арктических островов и тянутся непрерывно вдоль всего побережья от Карского моря на западе до Чукотского моря на востоке, занимает на территории России наибольшую часть (61,8%) от общей площади распространения вечной мерзлоты [4].
В последние годы в связи с глобальным потеплением климата значительно ускорились процессы оттаивания вечной мерзлоты, что приводит к уменьшению прочности многолетнемерзлых пород. В настоящее время в криолитозоне Западной Сибири отмечается интенсивное оттаивание мерзлых пород - до 4 см/год [1]. В связи с этим на севере данной территории ежегодно происходят тысячи аварий нефте- и газопроводов, в том числе, связанных с потерей устойчивости фундаментов и деформацией опор. Имеются также многочисленные примеры нарушения целостности и разрушения жилых и производственных зданий, которые также связаны с деградацией вечной мерзлоты.
В этих условиях получение прогнозных оценок изменения состояния вечной мерзлоты под действием климатических изменений является важной практической задачей, решение которой должно быть основано на использовании экспериментальных данных об изменениях состояния многолетнемерзлых пород с применением дистанционного зондирования поверхности Земли.
В ряде работ российских и зарубежных авторов был проведен анализ космических снимков в Арктике и субарктике Западной Сибири и
установлено, что за период 1973-2006 гг. количество озер сократилось, а часть озер исчезла полностью [4, 11]. Хотя по результатам этих же
исследований на отдельных тестовых участках южной части полуострова Ямал общая площадь озер несколько увеличилась, в связи с чем необходимо провести дополнительные исследования для центральной части полуострова, поскольку этот регион характеризуется усилением (термической) эрозии из- за истечения малых рек из крупных озер. Малые реки углубляют свое русло с возрастающей скоростью, понижая водосборный порог озер, что с большой вероятностью может приводить к уменьшению общей площади озер.
В таких условиях особую актуальность обретают возможности современного оперативного дистанционного зондирования, которое позволяет одновременно осуществлять мониторинг динамики термокарстовых озёр, которые являются наиболее пригодными индикаторами геокриогенных изменений поверхности в условиях мерзлотных ландшафтов [5]. В настоящее время стало возможно выполнять исследования на местности с внедрением дистанционного зондирования Земли не только с точки зрения изменения площадей термокарстовых озер, но и с точки зрения определения характеристик качества воды, как дополнительных показателей активизации термокарстовых процессов и деградации мерзлоты [2, 3].
Термокарстовые озера, образующиеся в результате вытаивания подземных льдов различного генезиса, являются наиболее пригодными геоморфологическими индикаторами криогенных изменений поверхности в условиях потепления.
Сбор полевых данных может представлять только точечные измерения во времени и пространстве, а 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 в крупных водоемах практически невозможно.
3. Мониторинг, прогнозирование и управление целыми водоемами могут быть недоступны, например, из-за топографической ситуации.
Новизна и практическая значимость. Разработанный классификатор, позволяющий получить тематическую карту от западного до восточного побережья Ямала, поможет экологам найти «индикаторы» интенсивного газовыделения. В частности, есть предположение о том, что гиперилистые озера могут быть такими индикаторами.
К новизне исследования следует отнести: 1) определение классов различных водных объектов Бованенковского газоконденсатного месторождения в соответствии с уровнем концентрации взвешенного вещества; 2) создание классификатора термокарстовых озер Центрального Ямала на основе многоспектральных данных спутника Sentinel-2.
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 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 2015, табличный процессор «MS Excel», текстовый редактор «MS Word».
Информационная база исследования представлена архивом спутниковых данных (космоснимков) подстилающей поверхности Земли спутников Sentinel-2 и Landsat-8.
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 понятиям, 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 спутников Sentinel-2 и Landsat-8; анализом полученных данных, классификацией озёр с помощью многоспектральной спутниковой информации, оценкой типа озёр полуострова Ямал (района Бованенково).
В заключении приведены результаты проведенного исследования.
Проведенные на основе архивной многоспектральной спутниковой информации исследования показали:
1. Отсутствие значительных корреляций увеличивающихся площадей водного зеркала с изменением температурного режима и уровней осадков.
2. Циклические изменения классов термокарстовых озер в исследуемом регионе, в том числе наличие: илистых озер с гипер-илистыми циклами, умеренно-илистых озер с илистыми циклами и безилистых озер с илистыми циклами.
3. На основе снимков спутника 8епйпе1-2 по концентрации взвешенного вещества разработан классификатор термокарстовых озер Центрального Ямала, обладающий точностью классификации 83%.
Применяемая классификация эффективно выделяет: озера с крайне мутной и глинистой водой, озера с мутной водой. Глинистая масса, топкий ил и мутная илистая вода - самые первые термокарстовые явления; прозрачная вода пока еще не тронута термокарстом.
Таким образом, применяемая классификация отвечает определенным требованиям для моделирования начальной стадии развития термокарста, в том числе и на основе использования архивных многоспектральных изображений спутников Sentinel-2.
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 «Высокопро-изводительные 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 междуна-родным 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. Дрост Г.И, Тешебаева К., Ловцкая О.В., Балыкин Д.Н., Хворова Л.А.,
Ковалевская Н.М., Кульшин А.В. Мониторинг динамики озер Центрального Ямала на основе многоспектральной спутниковой информации//
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. 461-462, 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. Кульшин А.В., Хворова Л.А. Разработка классификатора термокарстовых озер Центрального Ямала на основе снимков спутника 8епйпе1-2 // МАК: «Математики - Алтайскому краю». [Электронный ресурс]: сборник трудов всероссийской конференции по математике с международным участием. - Барнаул, 2021. - С.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
