Традиционно мониторинг водных объектов, в том числе и болот, осуществлялся в России органами гидрометеорологической службы. Наблюдательная сеть на начало 2004 г. состояла из 1851 станции и 3082 постов [1]. В настоящее время число действующих станций, проводящих мониторинг болотных угодий России, сильно сократилось. Актуальный и качественный картографический материал практически отсутствует. Проводятся натурные точечные исследования, но экстраполяция их результатов не позволяет сделать объективные выводы об общем состоянии территории и динамике процессов заболачивания, поэтому в настоящее время перспективным направлением является проведение исследований заболоченных территорий и создание актуального и достоверного картографического материала с помощью геоинформационных технологий (ГИС-технологий) и современных методов обработки данных дистанционного зондирования (ДДЗ). Материалы ДДЗ имеют огромное значение в таких исследованиях, так как отличаются большой обзорностью и высоким разрешением на местности и позволяют в короткий срок изучать и картографировать значительные по площади территории. Программа Landsat предоставляет самую длинную временную линейку космических снимков Земли со схожими спектральными характеристиками и разрешением, что дает нам возможность сравнивать их и наблюдать за динамикой изменений территории во времени, получать повторные снимки и изучать труднодоступные территории, такие как болота, которые так же, как и леса, луга, степи, озера, являются неотъемлемыми компонентами природы и представляют собой ценные природные объекты. Нарушение природного баланса болот, питающих реки, может привести к значительным изменениям на огромных территориях и к потере биологического разнообразия.
Цель – изучить возможность использования существующего картографического материала (топокарты) в исследованиях заболоченности территории, а также оценить общее направление динамики заболачивания земель с помощью ГИС-технологий.
Материалы и методы исследования
Объектом исследования является Убинский район Новосибирской области (рис. 1). В геоморфологическом плане район исследования расположен в Барабинской низменности, на границе двух природных зон: северной лесостепной подзоны и подтаежной зоны, и таким образом данная территория объединяет несколько типов болот. На севере район представлен заболоченной лесистой равниной с гривами высотой 2–5 м и межгривными понижениями – это южная часть Васюганского болота. Типичны для зоны выпуклые грядово-мочажинные сфагновые болота, наиболее значительные площади занимают рямы (верховые болота), хорошо развиты долинные комплексы с осоково-гипновыми болотами и заболоченными хвойными лесами – сограми. Рельеф южной части района представляет собой равнину с чётко выраженными гривами, высота этих грив достигает 5–10 м, с балками и лощинами [2]. В лесостепи Западной Сибири наибольшего распространения достигают вогнутые евтрофные, засоленные, тростниковые, крупноосоковые и травяные болота. Рямы в этой зоне встречаются редко, так как здесь они находятся на границе своего ареала распространения и не образуют значительных по площади болотных массивов, а представлены в ландшафте в виде отдельных небольших островков.
Рис. 1. Схема расположения объекта исследования: а) карта административного деления Новосибирской области, б) электронная топографическая карта Убинского района
Эффективность географических исследований значительно повышается, если их совмещать с картографическими методами [3]. Поэтому для территории Убинского района нами была подробно оцифрована топографическая карта ГосГисЦентра (ГГЦ) 2001 г. масштаба 1:100 000 [4], с помощью программного продукта MapInfo Professional 8.5 (рис. 1, б). Данные, полученные с карты, сравнивались с официальными данными Росреестра, после чего карта была сопоставлена с космическим снимком Landsat и проанализирована.
Для тематического картографирования изучаемой местности использовались разновременные мультиспектральные спутниковые снимки Landsat с пространственным разрешением 30 м на пиксель, имеющие минимальный облачный покров и атмосферную дымку (табл. 1). Эти снимки предоставляет геологическая служба США (USGS) [5].
Таблица 1
Характеристика используемых спутниковых снимков
|
Спутник |
Покрытие |
Время съемки |
Облачность |
|
Landsat 7 ЕТМ+ |
Path 151, Row 21 |
Май 2017 |
Отсутствует |
|
Landsat 5 ТМ |
Path 151, Row 21 |
Июнь 1993 |
Отсутствует |
Обработка космических снимков производилась в программном комплексе ENVI 4.4 [6]. Эксперимент распознавания болот на снимке проводился на примере одной сцены, покрытие снимка Path 151 & Row 21, этот снимок покрывает 85 % всей территории Убинского района. К снимкам применялись неуправляемые и управляемые классификации. Для управляемых классификаций был создан массив спектральных образцов, состоящий из 291 полигона и семи категорий, который применялся к обоим снимкам. Для всех классификаций была проведена визуальная оценка соответствия полученного изображения с данными со снимка, так как каждый алгоритм имеет свои особенности деления изображения на кластеры, в этом случае и самих классификаций, и, соответственно, моделей на одну и ту же территорию может быть построено множество [7]. Испытав все предлагаемые программой алгоритмы, мы остановились на способе максимального правдоподобия (Maximum likelihood). Классификация, созданная с помощью этого алгоритма, наиболее точно выделяет объекты нашего исследования – болота.
Результаты исследования и их обсуждение
При оцифровке топографических карт возникла проблема, которая заключалась в том, что условный знак, обозначающий болота, присутствовал на всех категориях объектов, нанесенных на карту, не имея при этом контуров, из-за чего уже на данном этапе возникает ошибка при переходе к работе с площадями. С помощью MapInfo Professional 8.5 были получены значения площадей всех категорий, присутствующих на карте. Эти данные сравнивались с официальными (табл. 2), которые отражены в докладе управления Федеральной службы государственной регистрации, кадастра и картографии «О состоянии и использовании земель Новосибирской области» за 2010 год [1]. Согласно табл. 2, площади таких категорий, как болота и прочие земли, разнятся на 6–10 %. Во-первых, это можно связать с тем, что топографические карты, которые были взяты за основу, устарели (так как были созданы около 30 лет назад) или могла измениться площадь, занятая болотами. Впрочем, конечный результат находится в пределах картографической ошибки и составляет менее 10 %.
Таблица 2
Сводная таблица полученных и официальных данных
|
Наименование |
Данные электронной карты |
Данные доклада о состоянии земель за 2010 г. |
||
|
Площадь, га |
% от общей площади района |
Площадь, га |
% от общей площади района |
|
|
Общая площадь р-на |
1 406640 |
100 |
1 386937 |
100 |
|
Лесные земли |
386 800 |
27,5 |
425 493 |
30,7 |
|
Болота |
727 268 |
51,7 |
588 029 |
42,4 |
|
Под водой |
40 000 |
2,8 |
40 243 |
2,9 |
|
Прочие |
252 572 |
18,0 |
332 973 |
24,0 |
Наложение полученной карты на спутниковый снимок показало, что данный картографический материал не подходит для изучения болотных экосистем, так как контуры болот, выделяемые на карте, не соответствуют данным снимка. Так называемые ложбины стока или транзитные топи на данной карте не выделяются, хотя эти участки являются зонами прогрессивного заболачивания [8], и для данного исследования они являются одним из важнейших источников информации.
Работа со снимками в нашем исследовании дает более полную и достоверную информацию о заболоченности территории. В результате обработки космических снимков Landsat в полнофункциональном программном комплексе ENVI 4.4 были получены две тематические разновременные карты (рис. 2) площадью равной 2,2 млн га.
Рис. 2. Карта заболоченности, полученная со снимка: а) 1993 г., б) 2017 г.
Рис. 3. Убинское озеро. Фрагмент Карты заболоченности: а) 1993 г., б) 2017 г.
За последние 24 года данная территория подверглась серьёзным изменениям (рис. 2). На севере уровень заболоченности территории увеличился. Заболоченность таежной зоны растет, и об этом говорит увеличение площадей ложбин стока, которые являются индикаторами прогрессивного заболачивания, с 61,3 тыс. га в 1993 г. до 82,9 тыс. га в 2017 г., и связано это обычно с естественными процессами. Заболачивание развивается прогрессивно при постоянном избыточном обводнении периферии болотного массива, которое обеспечивается равнинным рельефом и тяжелым гранулометрическим составом почв, который определяет низкую фильтрационную способность подстилающей поверхности. Дальнейшего расширения площадей болот следует ожидать за счет смежных лесных и болотно-лесных массивов [8]. В южной же части заметна следующая тенденция: некогда заболоченные земли практически исчезли, теперь на их месте – леса, луга или сельскохозяйственные угодья. Это может быть связано с работами по мелиорации, климатическими изменениями или какими-то другими факторами.
Изменилось и Убинское озеро (рис. 3), его площадь уменьшилась на 11,9 тыс. га, что составляет 13,6 % от общей площади озера, общая площадь заболоченных земель вокруг озера сократилась до минимума (их почти не осталось), а прилегающая территория постепенно зарастает лесом.
Согласно полученным картам, за последние 24 года, несмотря на то, что территория подвергалась осушению, рямы лесостепной зоны Западной Сибири визуально практически не изменились (ни их площади, ни количество озер или озерков болотных комплексов). Мы можем отметить только увеличение площади лесов, особенно по периферии (рис. 4).
Рис. 4. Урочище Убинский рям. Фрагмент карты заболоченности: а) 1993 г., б) 2017 г.
Рис. 5. Урочище Бородинский рям. Фрагмент карты заболоченности: а) 1993 г., б) 2017 г., в) фрагмент снимка Landsat за 2017 г.
Кардинальные изменения произошли только на Бородинском ряме (рис. 5). По карте трудно сказать, что послужило причиной этих изменений, поэтому мы снова обратились к космическому снимку (рис. 5, в). Согласно снимку, Бородинский рям недавно горел и выгорела достаточно большая площадь (76 га). Программа ошибочно отнесла выгоревшую территорию к классам, наиболее подходящим по спектральным характеристикам, поэтому всегда необходимо проводить экспертный анализ получившейся карты.
Получение актуального картографического материала о состоянии заболоченных земель представляет важность не только с научной точки зрения, но также имеет большое практическое значение для принятия своевременных управленческих решений с целью сохранения природной среды и возможности дальнейшего устойчивого развития региона. Так, например, для островных рямов, расположенных вблизи населенных пунктов и подверженных антропогенному влиянию (пожары, вырубки, разработки торфа и т.п.), реальной является опасность полного уничтожения из-за включения их местными ведомствами в сырьевую базу торфопредприятий с последующим их осушением, уничтожением растительности и добычей торфа [9].
Заключение
Исследование показало, что существующие топографические карты ГосГисЦентра 1:100 000 масштаба непригодны для исследования болот и оценки их временной динамики. Следовательно, необходимы другие материалы и методы.
Заболоченные территории являются изменчивыми во времени и пространстве, поэтому спутниковая информация имеет хорошие перспективы при проведении таких исследований. По созданным в програм- мном комплексе ENVI на основе космических снимков Landsat двум разновременным тематическим картам, можно как сделать выводы об общей динамике заболачивания территории, так и получить сведения об изменениях их структуры и состояния. Также с помощью этих карт хорошо выделяются верховые болота лесостепной зоны, состояние которых представляет наибольший научный интерес.
Согласно полученным картам, общая тенденция процессов заболачивания такова: в южной части исследуемой территории идут процессы разболачивания, т.е. осушается, а в северной части, наоборот, наблюдается увеличение заболоченности территории.
Предлагаемый подход обработки космических снимков достаточно прост и позволяет в короткий срок изучать и картографировать значительные по площади территории, к тому же есть возможность использовать результаты дешифрирования в расчетах и прогнозах.
Работа выполнена по государственному заданию ИПА СО РАН.