CC BY
12
РАСЧЕТ ДИНАМИКИ ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОЩАДИ БАТАГАЙСКОГО
ТЕРМОЦИРКА Черепанова А.М.
Черепанова Александра Михайловна - младший научный сотрудник, Лаборатория общей геокриологии, Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова, Сибирское отделение РАН, г. Якутск
Аннотация: комплексный мониторинг криогенных процессов на отдаленных и труднодоступных территориях может быть сложным и дорогостоящим мероприятием. Таким образом, использование в практике научных исследований дистанционных снимков для распознавания, изучения и последующего мониторинга геокриолитологических рисков в криолитозоне способствует оперативному пониманию происходящих опасных процессов, не выезжая в полевые экспедиционные маршруты. Полученные результаты также могут быть полезными при планировании будущих спутниковых наблюдений на определенной территории для выявления в них и оценки устойчивости ландшафтов. Ключевые слова: Батагайский термоцирк, криолитозона, ГИС.
CALCULATION OF THE DYNAMICS OF CHANGING THE AREA OF THE
BATAGAY THERMOCIRQUE Cherepanova A.M.
Cherepanova Alexandra Mikhailovna - junior Researcher, LABORATORY OF GENERAL GEOCRYOLOGY, PERMAFROST INSTITUTE NAMED AFTER P.I. MELNIKOV, SIBERIAN BRANCH OF THE RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES, YAKUTSK
Abstract: integrated monitoring of cryogenic processes in remote and hard-to-reach areas can be a complex and costly undertaking. Thus, the use of remote images in the practice of scientific research for the recognition, study and subsequent monitoring of geocryolithological risks in the permafrost zone contributes to the operational understanding of ongoing hazardous processes without going on field expedition routes. The results obtained can also be useful in planning future satellite observations in a certain area in order to identify and assess the stability of landscapes in them.
Keywords: Batagai thermocirque, permafrost, GIS.
Введение.
С давнейших времен люди учились применять дистанционные методы в исследованиях Земли. Они использовали рисованные схемы, в которых отображалось пространственное расположение изучаемых объектов. Точное время зарождения геоинформационных систем достоверно неизвестно. Хотя один из первых удачных опытов использования «послойного» принципа, который в настоящее время является одним из базовых принципов ГИС, датируется XVIII веком. На сегодняшний день ГИС превращается из популярного и полезного инструмента в средство первой необходимости при решении самых разнообразных задач геологии, географии, геоэкологии, землепользования [4]. Развивающиеся возможности ГИС позволяют более эффективно обрабатывать геопространственные данные для исследования природных и антропогенных систем, а также для моделирования и прогнозирования их состояния с течением времени.
Объект исследования.
Батагайский термоцирк (термокарстовый провал) расположен на левом борту долины р. Батагай в бассейне реки Яна и ее притоков близи одноименного поселка в Верхоянском улусе на северо-востоке Якутии. Термоцирк представлен рыхлыми отложениями различного возраста. Коренные породы сформированы песчаниками, алевролитами и разнородными минералами, четвертичные отложения -песчаными алевритами и глинами с примесью щебня [1].
В наше время Батагайский термоцирк является масштабным примером неустойчивости мерзлоты вследствие изменения климата и антропогенных воздействий на Севере. C каждым годом термоцирк расширяется на 15-20 м в год при общей длине 2000 м и ширине 850 м. Увеличение его формы будет происходить динамически постоянно до тех пор, пока весь подземный лед не вытаит. В результате причинно-следственных связей сформируется новый крупный объект в структуре ландшафта с отличительными сукцессионными признаками и морфологическим обликом.
Материалы и методы.
В настоящем исследовании спектральная информация снимков Landsat использовалась для анализа увеличения и изменения площади Батагайского термоцирка.
За 10-летний период наблюдений было собрано четыре набора данных спутника Landsat из архива Геологической службы США (https://earthexplorer.usgs.gov/): Landsat 7 ETM+ (Enhanced Thematic Mapper) для 2010 г., Landsat 8 OLI/TIRS для 2016 г., 2019 г. и 2021г.. Для получения достоверных результатов были подобраны снимки из одного и того же промежутка времени (конец лета) с минимальной облачностью.
Часть анализа по определению ширины, длины, глубины кратера была выполнена с помощью программного обеспечения ArgGIS Earth, расчет площади термокарстового провала с использованием ArcGIS 10.3.
Батагайский термокарстовый провал имеет сложную форму, состоящую условно из двух частей: «головная» - самая широкая и «хвостовая» - самая узкая. На Рис. 1 показан спутниковый снимок Батагайского термоцирка с пятью пронумерованными условными линиями, пересекающими его по длине и нескольким ключевым участкам.
Рис. 1. Отображение условных линий на термоцирке
Профиль рельефа
0,00 км
290
*2 260
5 230 3
ш 200 J
185,92 м О
0,00040 0,00080 0.00120 0,00160 , 0,00200
-4.09
Рис. 2. Профиль рельефа вдоль линии 1
Условная линия 1 (Рис. 2) простирается вдоль всей длины термокарстового провала, захватывая при этом «головную» и «хвостовую» части. При продвижении с юго-запада на северо-восток отчетливо заметно углубление, максимальная глубина при этом 110 м, длина 2 км.
Профиль рельефа 0,00 км
Высота (м) 1 S 8 о Ф 300,20 м -3,80 %
0,000080 0,000160 0,000240 0,000320 0,000400 0,000480
Рис. 3. Профиль рельефа вдоль линии 2
Линия 2 (Рис. 3) заложена в начале «головной» части кратера, глубина на этом месте небольшая, около 30 м, длина - 580 м.
Рис. 4. Профиль рельефа вдоль линии 3 Линия 3 (Рис. 4) расположена в самом широком месте провала. Глубина около 40-45 м, длина 930 м.
Рис. 5. Профиль рельефа вдоль линии 4
Линия 4 (Рис. 5) условно пересекает промежуточное место, где «голова» провала переходит в «хвостовую» часть. Северный склон пологоий, что невозможно сказать о южном. Самое глубокое место зафиксировано в середине провала, достигает 50 м, ширина места - 350 м.
Рис. 6. Профиль рельефа вдоль линии 5
Самая последняя линия 5 (Рис. 6) заложена в «хвостовой» части. Глубина варьирует в переделах 25-30 м, ширина около 300 м.
Определение изменения площади термокарстового провала производилась на геоинформационной системе ArcGIS. Сначала составляется адаптивная цветовая модель, комбинация «естественные цвета» (RGB). В этой комбинации используются каналы видимого диапазона (красный-зеленый-синий), соответственно для Landsat-7 каналы 3-2-1, а для Landsat-8 каналы 4-3-2. [4]. В итоге объекты земной поверхности выглядят похожими на то, как они воспринимаются человеческим глазом, например, здоровая растительность выглядит зеленой, нездоровая растительность - коричневой и желтой, дороги - серыми.
Набор данных за 2010 год представлен снимками Landsat 7. Однако, в 2003 году в связи с поломкой Scan Line Corrector спутник этой серии был поврежден. Эффективной заменой Landsat 7 во многих странах стали космоснимки спутников серии SPOT и IRS, но съемка территории России с этих спутников осложнилась отсутствием станций приема космической информации в зоне прямой видимости. Поэтому снимки 2010 года были откорректированы, то есть пропущенные пиксели на изображении были замещены соседними.
На рисунках 7, 8, 9, 10 наглядно показаны RGB-композиты за 2010 г., 2016 г., 2019 г. и 2021 г.
Рис. 7. RGB-композит снимка 2010 г.
Рис. S. RGB-композит снимка 2016 г.
fe e §i Ъ'с*- •
»p Insert Analysis View
It, +
Batagai - Map - ArcGIS Pro
on яв
Imagery Share Appearance
Й SS P 1 %
б Not signed in- i *
ill Pause Lock ¿¿j View Unplaced
Clipboard
Navigate
E
Convert To Download Map*
OW«4
T 'Seorcft
faSB/^i
Drawing Order
* 0 2019_comp RGB
■ Red: 2019.compc1
В Green: 2019_eomp{2
■
?016.comp
I Red: 20l6_eompc3 I Green 20l6_compc2 I Blue: ¿O16.compcl
* □ ASTGTMV003_N67E1 34_di ^ 1623
* □ TopoToR_a»dJ VALUE
■ S 141,0537904
■ <195.3210162
В"' -
It- • .v Ч Jl VL
К . £-1 * J - i г
%-и
:
; • ^
Geoprocessing - | F,nd Toob
\ Calculate Field Daur,
Buffet i-r^,-.-,: Tcois)
\ Spatial Join
| ¡fe fm tandsat 7 Scanhne Errors
. Topo to Rastei 30 4',« ■ . g XV ЬЫе To Роив Cat* Marag*. МГ Calculate Geometry Attnbutes * ч Create Feature Class Pats wan , Composite Bands (Dan Ma>-eg Clip Rastei CDав иэлгдете-!т
т 11:30 252 »1 ^ li ffl »1* 134,7958826*E67,58S9699*N v
Рис. 9. RGB-композит снимка 2019 г.
Cat-. Ge._ Cre..,
Рис. 10. ЯОБ-композит снимка 2021 г.
Для вычисления площади термоцирка сначала обрисовываются полигоны провала за каждый год (Рис. 11-14), создаются их шейп-файлы.
Batagai - Map - ArcGtS Pro
Analysis View Edit Imagery Share Appearance D
.Bi ii'i^l % s
Bookmarks Go Basemap Add Add Select Select By Select By
ToXV - Data * Preset- • Attributes Location
BUB
* □ CI>p_ASTGTMV003_N67E I J4_dem.tit_20t0.comp
■Й 32768 * □ Clip_ASTGTMV003_N67E134J<
s
Favorite» Toolboxes
F jf -
J . * ■ Calculate Field Data
\ Buffer
\ Nix Tool I)
* , Spatial loin - -
| F.«landsat 7ScartoeErrors
\ Topo to Raster ..-■-. .. ^ If XY Table To Ляп« ¡Data Marej» V ^f Calculate Geometry Attributes
4 Create Feature Class г V
* . Composite Bands г *n*3 ✓ \ Qip Raster Dab T *
11:30252 -'♦¿лИИ* 134,7184945'£67je90132*N v
Рис. 11. Полигон провала за 2010 г.
Рис. 12. Полигон провала за 2016 г.
Рис. 13. Полигон провала за 2019 г.
Рис. 14. Полигон провала за 2021 г.
В атрибутивной таблице шейп-файлов рассчитывается площадь провала на каждый определенный год, полученные значения приведены в Таблице 1. На рисунке 15 визуально отображено постепенное расширение термоцирка при наложении разновременных размеров полигона.
m Ë©e f à -»
Рис. 15. Наложение разновременных полигонов Таблица 1. Динамика площади провала
Год Площадь (км ) Скорость увеличения (км /год)
2010 0,553202
2016 0,740128 0,031154
2019 0,773601 0,011158
2021 0,805503 0,015951
Заключение.
Используя мультиспектральные спутниковые снимки, детально изучено расширение Батагайского термоцирка за последние 10 лет. Выявлено, что за указанный период площадь термоцирка увеличилась на 0,25 км2. Систематическое и всестороннее наблюдение за термоцирком вносит неоспоримый вклад в глубину изучения подобных объектов на Земле.
В результате исследований обнаружено, что основной рост приходится на период с 2010 по 2016 годы, но затем происходит снижение и замедление. Расширение в двух разных частях термоцирка, а именно в его «голове» и «хвосте», явно различимы, вероятно, из-за разных геологических условий. Параболическая форма вершины термоцирка может быть результатом оттаивания многолетней мерзлоты на склоне местности, что подтверждается систематическими наблюдениями за формой головной части.
Список литературы /References
1. Геологическая карта: Q-53 (Верхоянск) Государственная геологическая карта Российской Федерации. Третье поколение. Верхояно-Колымская серия. Геологическая карта, масштаб: 1:1000000, серия: Верхояно-Колымская, составлена: ФГБУ «ВСЕГЕИ», 2016. редактор(ы): Калашников В.В.
2. Интеграция ArcGIS и ENVI. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://sovzond.ru/software/90/184700/ Загл. с экрана.
3. Колесникова О.Н. Интеграция программных комплексов обработки данных ДЗЗ ITT VIS и ГИС-приложений компании ESRI. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.gisa.ru/60720.html/ (дата обращения: 24.10.2022).
4. ArcGIS 9. Spatial Analyst. Руководство пользователя [Текст]. М.: Дата+, 2003. 179 с.
