CC BY
165
Науки о Земле
УДК 528.88, 556.5
DOI: 10.21209/2227-9245-2017-23-3-4-11
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОДНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОЗЕР ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНЫХ ИНДЕКСОВ ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
THE RESEARCH OF WATER SURFACES OF LAKES BY APPLYING OF WATER INDEX BASED ON THE REMOTE SENSING DATA
Т. Л. Манилюк,
Забайкальский государственный университет, г. Чита [email protected]
T. Manityuk,
Transbaikal State University, Chita
Л. В. Маслова,
Забайкальский государственный университет, г. Чита maslova. [email protected]
A. Maslova,
Transbaikal State University, Chita
Подробное изучение гидрологического режима озер является актуальной задачей, однако следует отметить, что она осложняется отсутствием систематических наземных наблюдений. Выявлено, что в последнее время появилась возможность изучать морфометрические характеристики озер с использованием методов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), при помощи данных спутникового мониторинга. Космические наблюдения обеспечивают хорошую обзорность снимков и возможность получения информации территорий, обширных по площади, находящихся в труднодоступных местах. Кроме того, достоинства космических наблюдений заключаются в актуальности данных на момент съемки, высокой оперативности получения данных, точности обработки данных, информативности (существующие виды дистанционного зондирования позволяют увидеть детали, не различимые на обычных снимках) и экономической целесообразности.
Отмечено, что для дистанционного изучения площадей водного зеркала озер по космическим данным используются методы обработки спутниковых изображений, такие как определение многоканальных спектральных индексов, тематическая классификация с обучением, линейное разделение, одноканальная классификация с использованием порога разделения.
Для изучения площадей водного зеркала озер применялся метод дешифрирования водных поверхностей по многоканальным спектральным индексам MNDWI. Определялись площади водного зеркала озер по данным Landsat ТМ и ЕТМ+.
В результате использования этого метода определено изменение площадей водного зеркала двенадцати озер бассейна р. Аргунь: Дуроевское 1-е, Дуроевское 2-е, Арбурак-Нур, Пандза-Нур, Хорубо-Нур, Заречное, Сухое, Сор, Карабонское, Карабон, Ближнее, Бакалейное за период 2006—2015 гг.
Динамика изменения площадей водного зеркала представлена графически и объясняется климатическими условиями региона, а также режимом питания р. Аргунь
Ключевые слова: дистанционное зондирование; морфометрические характеристики; площадь водного зеркала; спектральные каналы; космические снимки; дешифрирование; водные индексы; малые степные озера; гидрологический режим; увлажненность территорий
A detailed study of the hydrological regime of lakes is an important task, but it should be noted that it is complicated by the lack of systematic ground-based observations. However, now it is possible to study the morphometric characteristics of lakes using techniques of remote sensing (RS), with the help of satellite monitoring data. Space-based observations provide a good visibility of images and the possibility of obtaining information in vast areas located in remote regions.
As well as the advantages of space observations lie in the relevance of the data at the time of imagery, the high speed of data receiving, accuracy of data processing, information content (existing types of remote sensing allow to see details not discernible on conventional imagery), and economic feasibility.
© Т. Л. Манилюк, Л. В. Маслова, 2017
4
For distant learning areas of water surface of lakes on space data, the methods of processing of satellite images are used, such as the definition of multi-channel spectral indices, thematic supervised classification, linear separation, single-channel classification using the threshold of separation.
To study the water surface of lakes in the area the method of decryption water surfaces for multi-channel spectral indices MNDWI is used. The area of water surface of lakes is determined by Landsat TM and ETM +.
By using this method, the changes of water surface area of twelve lakes Argun River basin: the 1 st Duroevs-koe, the 2 nd Duroevskoe, the Arburak-Nur, the Pandza-Nur, the Horubo-Nur, the Zarechnoe, the Sukhoe, the Sor, the Karabonskoe, the Karabon, the Blizhnee, the Bakalejnoe were observed , in the period from 2006 to 2015.
The changes in water surface area are represented in the graphs and influenced by the climatic conditions of the region, as well as the mode of water supply of the Argun River
Key words: remote sensing; morphometric characteristics of water surface area; spectral bands; space images; interpretation; water codes small steppe lakes; hydrological regime; hydration areas
Из-за отсутствия постоянных гидрологических наблюдений на малых степных озерах юго-востока Забайкалья и северо-запада КНР анализ площадей ранее не проводился. Тем не менее, данные по мор-фометрическим характеристикам озер необходимы при исследовании многих задач, в частности при:
1) оценке изменения морфометриче-ских характеристик озер;
2) инвентаризации и оценки состояния озер;
3) выявлении динамики деградации и устойчивости к антропогенным изменениям.
А также для:
4) контроля и слежения за развитием негативных природных процессов — дождевых паводков;
5) выявления последствия антропогенного воздействия на озера в результате их зарегулирования.
Индикаторами климатических изменений в масштабе региона могут выступать озера и их морфометрические характеристики — уровень, площадь водного зеркала, объем воды. Многолетние изменения температуры воздуха, подстилающей поверхности, характеристик увлажненности территории оказывают влияние на элементы водного баланса и вместе с тем на морфо-метрические характеристики водных объектов. Таким образом, изучение гидрологического режима озер является актуальной задачей, но она осложняется отсутствием систематических наземных наблюдений. Однако в последнее время появилась воз-
можность изучать морфометрические характеристики озер с использованием методов дистанционного зондирования Земли.
Для дистанционного изучения площадей водного зеркала озер по космическим данным, широко используются следующие методы обработки спутниковых изображений — определение многоканальных спектральных индексов (водных индексов), тематическая классификация с обучением, линейное разделение, одноканальная классификация с использованием порога разделения. В работе рассмотрен метод дешифрирования водных поверхностей по многоканальным спектральным индексам MNDWI - Modified Normalized Difference Water Index (модифицированный нормализованный разностный водный индекс)
[3; 4].
где pband 25 — интенсивность излучения во 2-м и 5-м спектральных каналах Landsat TM, ETM+.
MNDWI определяется с использованием 2 и 5 спектральных каналов Landsat TM и ETM+ или 3 и 6 каналов Landsat 8 OLI и на данный момент является наиболее распространенным индексом для выявления поверхностных водных объектов на космических снимках. Граница определения водных поверхностей проходит через ноль, значения индексов больше нуля соответствуют водным поверхностям.
Исходные данные Landsat ETM+ раз-
Исходя из размеров площади водной
решением 30 м на снимке уровня обработ- поверхности, озера разделены на три типа: ки LeveП получены посредством сервиса 1) более 1 км2 — 82 озера;
ЕагШЕхр1огег [10].
Для расчета водных индексов использовались данные космических снимков в
2) от 0,1 до 1 км2 — 158 озер;
3) менее 0,1 км2 — 138 озер. Кроме того, для выявления простран-
период с 2006 по 2015 гг. [5]. Общее коли- ственно-распределительных морфометри-
чество обработанных снимков составляет ческих характеристик озера распределены
3714. Исследования проводились для 279 по бассейнам крупных рек данного регио-
озер, расположенных на территории Рос- на: Аргунь, Хайлар и Керулен (рис. 1). сии (Забайкалье), Китая и Монголии.
Рис. 1. Карта расположения бассейнов рек Аргунь, Хайлар и Керулен Fig. 1. Map of the location of the basins of the Argun, Khailar and Kerulen rivers
В настоящей работе рассмотрены степные озера бассейна р. Аргунь — Ду-роевское 1-е, Дуроевское 2-е, Сухое, Сор, Карабонское, Карабон, Ближнее, (Россия), Арбурак-Нур, Пандза-Нур, Хорубо-Нур (Китай), Заречное, Бакалейное (на границе Российской Федерации (юго-восток Забайкалья) и КНР), для которых в результате использования методики дешифрирования определены площади водного зеркала и построены
графики изменения площадей в период 2006-2015 гг.
Озера Дуроевское 1-е и Дуроевское 2-е находятся в степной зоне юго-востока Забайкальского края (рис. 2). По данным Русского Географического общества, оз. Ду-роевское 1-е имеет площадь водного зеркала 2,1 км2, а оз. Дуроевское 2-е — 1,9 км2 [1].
На рис. 3 представлена динамика изменения площадей водного зеркала данных озер по годам.
Рис. 2. Исследуемые озера бассейна р. Аргунь Fig. 2. The investigated lakes of the basin of the river Argun
Рис. 3. Динамика изменения площади водного зеркала озер бассейна р. Аргунь - Дуроевское 1-е и Дуроевское 2-е
Fig. 3. Dynamics of changes in the area of the water mirror in the lakes of the basin of the river Argun - the 1st Duroevskoe and the 2nd Duroevskoe
Анализ динамики изменения площадей водного зеркала озер Дуроевское 1-е и Дуроевское 2-е показал, что с 2006 г. наблюдается тенденция изменения пло-
щади водной поверхности обоих озер. Пики роста и уменьшения площади водного зеркала данных озер происходят одновременно.
Минимальные инки наблюдаются в мае 2008 и 2015 гг., а также в конце августа и начале сентября 2009 и 2010 гг. Это объясняется засушливым иериодом на данной территории. Максимальные иики — в сентябре 2006, 2008, 2009, 2010, 2014 гг. Это объясняется значительной увлажнен-
ностью территории, на которой расиоложе-ны озера [2].
Озера Хорубо-Нур, Пандза-Нур и Ар-бурак-Нур находятся на территории Китая (рис. 2) и расиоложены рядом друг с другом.
Рис. 4. Динамика изменения площадей водного зеркала озер бассейна р. Хайлар - Арбурак-Нур,
Хорубо-Нур, Пандза-Нур
Fig. 4. Dynamics of changes in the area of the water mirror in the lakes of the basin of the river Khailar - Arburak-Nur, Khorubo-Nur, Pandza-Nur
Анализ изменения илощади водной иоверхности озер (рис. 4), иоказал, что согласованность колебаний изменения ило-щадей водного зеркала озер Арбурак-Нур, Пандза-Нур и Хорубо-Нур связана с их близким расиоложением и климатическими особенностями территории, на которой они расиоложены.
Максимальные иики у всех озер наблюдаются в сентябре 2006 и 2011 гг., а также мае 2013 г. Минимальные значения илощади водного зеркала озер наблюдаются в июне 2007 г. и в сентябре 2013 г.
Озера Сор, Сухое, Заречное с илоща-дью до 1 км2 находятся на границе Российской Федерации (юго-восток Забайкалья) и КНР в иойме р. Аргунь.
Анализ графика изменения илощадей (рис. 5) озер Заречное, Сухое и Сор иоказал, что максимальные значения илощади водного зеркала озер наблюдаются в сентябре 2008 г., в августе 2009 г. и в июле 2013 г., а минимальные иики — в июне 2011 и 2014 гг. Это объясняется цикличностью колебания климатических условий территории, а также близким расиоложением к р. Аргунь, и соответственно, связано с иостуилением воды в озера из р. Аргунь в годы с высокой водностью.
Озера Бакалейное, Ближнее, Карабон и Карабонское также находятся на границе Российской Федерации (юго-восток Забайкалья) и КНР. Относятся к малым озерам и расиоложены в иойме р. Аргунь.
Рис. 5. Динамика изменения площадей водного зеркала озер бассейна р. Аргунь - Заречное, Сухое, Сор
Fig. 5. Dynamics of changes in the areas of the water mirror of the lakes of the river basin
Argun - Zarechnoye, Sukhoe, Sor
Рис. 6. Изменение площадей водного зеркала озер бассейна р. Аргунь - Карабонское, Карабон,
Ближнее, Бакалейное
Fig. 6. Change in the area of the water mirror in the lakes of the basin of the river Argun - Carabon, Carabon,
Blizhnee, Bakaleynoe
Анализ графика (рис. 6) позволяет выявить периоды повышения и убывания водности, что объясняется динамикой изменения увлажненности территории. Максимальные значения наблюдаются в летние периоды 2009 и 2011 гг., а также в мае
2014 г., что связано с обильным выпадением осадков и повышением водности р. Аргунь [2]. Минимальные значения площади водного зеркала озер наблюдаются в мае 2008 г. и в начале осени 2010 и 2014 гг. Это вызвано тем, что в данный период на тер-
ритории, где расиоложены озера, наблюдалось недостаточное выиадение осадков [2].
По результатам ироведенных исследований можно сделать следующие выводы:
— характерной особенностью малых стеиных озер является значительная амплитуда колебаний илощадей водных ио-верхностей, что связано с климатическими
Список литературы_
условиями территории, а также режимом иитания р. Аргунь;
— выявленные закономерности иомо-гут в дальнейшем решать многие задачи ио оценке изменения морфометрических характеристик малых озер и выявления динамики деградации и устойчивости их к антроиогенным изменениям.
1. Болотов М. В., Фролова Н. Л. Водный режим реки Аргунь и озера Далайнор в условиях антропогенного воздействия // Журнал География и природные ресурсы. 2012. № 4. С. 21—29.
2. Булыгина О. Н., Разуваев В. Н., Коршунова Н. Н., Швец Н. В. Описание массива данных месячных сумм осадков на станциях России [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.meteo.ru/ data/158-total-precipitation (дата обращения: 01.02.2017 г.).
3. Голятина М. А., Курганович К. А. Исследование изменения количества озер в Забайкальском крае с использованием MNDWI: мат-лы Междунар. конф. «Геосистемы и их компоненты в Северо-Восточной Азии: эволюция и динамика природных, природно-ресурсных и социально-экономических отношений». Владивосток, 2016. С. 174-179.
4. Курганович К. А. Сравнение алгоритмов дешифрирования водных поверхностей по индексам NDWI и MNDWI на примере степных озер Восточного Забайкалья // Водные ресурсы и водопользование: сб. тр. преподавателей и студентов кафедры водного хозяйства и инженерной экологии ЗабГУ. Чита: ЗабГУ, 2015. Вып. 7. С. 18-26.
5. Курганович К. А., Носкова Е. В. Использование водных индексов для оценки изменения площадей водного зеркала степных содовых озер юго-востока Забайкалья по данным дистанционного зондирования // Вестн. Забайкал. гос. ун-та. 2015. № 6 (121). С. 16-24.
6. Обязов В. А. Многолетние изменения температуры воздуха в юго-восточном Забайкалье / / Известия Русского географического общества. 1996. Т. 128. № 3. С. 66-73.
7. Чечель А. П. Водные ресурсы и водно-ресурсные проблемы приграничных территорий в бассейне истоков Верхнего Амура: сб. докладов науч.-практ. конф. «Международное сотрудничество стран северо-восточной Азии: проблемы и перспективы. Чита, 2010. С. 464-469.
8. Feyisa G. L., Meilby H., Fensholt R., Proud S. R. Automated Water Extraction Index: A new technique for surface water mapping using Landsat imagery / / Remote Sensing of Environment, 2014, no. 140, pp. 23-35.
9. Roy D. P., Wulder M. A., Loveland T. R. Landsat-8: Science and product vision for terrestrial global change research // Remote Sensing of Environment, 2014, no. 145, pp. 154-172.
10. Search Criteria Summary Available at: http://www.earthexplorer.usgs.gov/. (accessed 01.02.2017).
References_
1. Bologov M. V., Frolova N. L. Zhurnal Geografiya iprirodnye resursy (Journal of Geography and Natural Resources), 2012, no. 4, pp. 21-29.
2. Bulygina O. N., Razuvaev V. N., Korshunova N. N., Shvets N. V. Opisanie massiva dannyh mesyachnyh summ osadkov na stanciyah Rossii (Description of the array of monthly rainfall data at the Russian stations) Available at: http://www.meteo.ru/data/158-total-precipitation (Date of access: 01.02.2017).
3. Golyatina M. A., Kurganovich K. A. Issledovanie izmeneniya kolichestva ozer v Zabaykalskom krae s ispolzovaniem MNDWI (The study of the change in the number of lakes in the Transbaikal Territory with the use of MNDWI): materials of Intern. Conf. «Geosystems and their components in Northeast Asia: evolution and dynamics of natural, natural-resource and socio-economic relations». Vladivostok, 2016, pp. 174-179.
4. Kurganovich K. A. Vodnye resursy i vodopolzovanie (Water resources and water use): coll. articles of teachers and students of the Water Resources and Environmental Engineering department of ZabSU. Chita: ZabGU, 2015, vol. 7, pp. 18-26.
5. Kurganovich K. A., Noskova E. V. Vestn. Zabaykal. gos. un-ta (Transbaikal State University Journal), 2015, no. 6 (121), pp. 16-24.
6. Obyazov V. A. Izvestiya Russkogo geograficheskogo obshhestva (News of the Russian Geographical Society), 1996, vol. 128, no. 3, pp. 66-73.
7. Chechel A. P. Vodnye resursy i vodno-resursnye problemy prigranichnyh territoriy v basseyne istokov Verhnego Amura (Water resources and water-resource problems of the border areas in the basin of the sources of the Upper Amur): coll. reports of the scientific-practical. conf. «International cooperation of the countries of North-East Asia: problems and prospects». Chita, 2010, pp. 464—469.
8. Feyisa G. L., Meilby H., Fensholt R., Proud S. R. Remote Sensing of Environment (Remote Sensing of Environment), 2014, no. 140, pp. 23-35.
9. Roy D. P., Wulder M. A., Loveland T. R. Remote Sensing of Environment (Remote Sensing of Environmen)t, 2014, no. 145, pp. 154-172.
10. Search Criteria Summary (Search Criteria Summary) Available at: http://www.earthexplorer.usgs. gov/ (accessed 01.02.2017).
Коротко об авторах_
Манилюк Татьяна Александровна, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры «Водное хозяйство и инженерная экология», Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия. Область научных интересов: геоэкологический мониторинг территорий, дистанционное зондирование Земли [email protected]
Маслова Алла Владимировна, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры «Водное хозяйство и инженерная экология», Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия. Область научных интересов: геоэкологический мониторинг территорий, дистанционное зондирование Земли [email protected]
Briefly about the authors_
Tatyana Manilyuk, candidate of technical sciences, associate professor, Water Management and Engineering Ecology department, Transbaikal State University, Chita, Russia. Sphere of scientific interests: geo-ecological monitoring of territories, remote sensing of the environment
Alla Maslova, candidate of technical sciences, associate professor, Water Maagement and Engineering Ecology department, Transbaikal State University, Chta, Russia. Sphere of scientific interests: geo-ecological monitoring of territories, remote sensing of the environment
Образец цитирования_
Манилюк Т. А., Маслова А. В. Исследование водных поверхностей озер путем использования водных индексов по данным дистанционного зондирования // Вестн. Забайкал. гос. ун-та. 2017. Т. 23. № 3. С. 4-11. DOI: 10.21209/2227-9245-2017-23-3-4-11.
Manilyuk T.A., Maslova A.V. The research of water surfaces of lakes by applying of water index based on the remote sensing data // Transbaikal State University Journal. 2017, vol. 23, no 3, pp. 4—11. DOI: 10.21209/2227-9245-2017-23-3-4-11.
Дата поступления статьи: 06.02.2017 г. Дата опубликования статьи: 31.03.2017 г.
