Мониторинг эрозионных процессов средствами космической съемки

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

НАУКА. ИННОВАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ, №2, 2016

удк 528.88 Скрипчинский А.В. [Skripchinsky A.V.]

Бурым Ю.В. [Burym Y.V.]

МОНИТОРИНГ ЭРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ СРЕДСТВАМИ КОСМИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ

Monitoring erosion satellite imagery means

В статье рассматривается проблема причинно-следственных связей проявления эрозионных процессов и факторов хозяйственной деятельности. На основе анализа космических снимков полученных с космических аппаратов Spot 6/7 и Landsat 8 проведен пространственно-временной анализ и выявлены причины обусловившие проявление эрозии на земельном участке. В основе исследования лежат методы визуального дешифрирования космической информации и геоинформационные технологии. Образование эрозионных форм рельефа связано с ливневым характером осадков, выпавшими за незначительный временной промежуток. Основными причинно-следственными связями явились особенности использования земельных участков и характер рельефа. Данные разновременной космической съемки позволили выявить специфику использования исследуемой территории, а анализ рельефа — установить причину формирования эрозионного процесса на основе созданной цифровой модели рельефа. Работа выполнена с использованием ScanEx Image Processor и ArcGIS.

Ключевые слова: Эрозионные процессы, космический мониторинг, дистанционное зондирование Земли

This article discusses the problem of causality manifestations of erosion processes and factors of economic activity. Based on an analysis of satellite images obtained from satellites Landsat 6/7 and Spot 8 held spatio-temporal analysis and identified the reasons for the manifestation of the erosion on the land. The study is based on visual interpretation methods of space-based information and geoinformation technologies. Erosional landforms formation of rain is related to the nature of precipitation for the little amount of time. The main cause- effect relationships were particularly land use and nature of the terrain. These Nonequai satellite imagery revealed the specifics of the use of the study area , and relief analysis allowed us to establish the cause of formation of the erosion process on the basis of the created digital terrain model. The study was performed using ScanEx Image Processor software and ArcGis.

Keywords: erosion , space monitoring, remote sensing of the Earth.

Введение

Оценка состояния земельных ресурсов Ставропольского края является наиболее важной задачей, поскольку большая доля земель в крае являются землями сельскохозяйственного назначения. Именно сельскохозяйственное производство негативно влияет на состояние земель и их плодородие. Этот вид деятельности привел к распространению на тер-

ритории Ставропольского края водной и ветровой эрозии, переувлажнению и заболачиванию, подтоплению, вторичному засолению почв и другим негативным явлениям.

Постановка проблемы

Выпадение обильных осадков ливневого характера приводит к развитию водной эрозии. В результате происходит смыв верхнего плодородного слоя почвы, что снижает уровень ее плодородия. Развитие водной эрозии способствует несоблюдение противоэрозионных мероприятий, распашка кормовых угодий и ряд других.

Для выявления эрозионных процессов активно используются как географические информационные системы, так и данные дистанционного зондирования Земли. Данные дистанционного зондирования Земли предоставляют с одной стороны, как объективную оперативную информацию, а с другой - позволяют восстановить состояние местности в прошлом. Таким образом, разновременные снимки позволяют выявлять изменения происходящие на местности и прогнозировать развитие процессов и явлений. В монографии [4] рассматривается сложившиеся ситуация в крае с потерей плодородия почвами вследствие развития эрозионных процессов на примере эродированных черноземов. Детальный анализ развития дефляции на Ставрополье. Автором приводится географический анализ дефляционных процессов, а также противодефляционную устойчивость почвенного покрова [6].

Вопросам изучения состояния земель Ставропольского края на основе геоинформационных технологий и данных дистанционного зондирования Земли посвящено ряд трудов. A.B. Кирвякова при изучении эрозии почв Ставропольского края использовала материалы космической съемки со спутников Landsat-7 и Ресурс-Ф. Итогом работы явились тематические карты интенсивности линейной эрозии и потенциально эрозионно-опас-ных почв [3]. И.К). Каторгин в своей работе на основе геоинформационных технологий выявил количественные характеристики деградационных процессов в агроландшафтах Ставропольского края [2].

Методология и методы исследования

В рамках проводимого исследования решался вопрос о выявлении причин проявления водной эрозии на земельном участке. Исходными материалами для исследования послужили архивные разновременные космические снимки со спутников Spot6/7, от 14.01.2015 г., 30.08.2015 г. и 31.08.2015 г. и данных Landsat 8. Космический снимок от 14.01.2015 г. был получен из архива компании ООО ИТЦ «СканЭкс», остальные были приняты на наземную станцию приема УниСкан-36 на базе СКФУ. Космический снимок Landsat 8, от 09.10.2015 года был получен с портала Геологической службы США. Исследование проводилось по заказу Федеральной службы Россельхознадзор по Ставропольскому краю.

Исследуемые земельные участки находятся в пределах Буденнов-ского района Ставропольского края. Важным фактором, повлиявшим на проявление водной эрозии, является факт выпадения осадкой ливневого характера в период 18-20 августа 2015 года. На указанный период выпало 59 мм осадков [1], что превышает среднемесячную норму осадков в августе месяце по метеостанции Буденновск более чем в 2 раза [5]. Наиболее близкие к указанным датам явились космические снимки, полученные со спутников Spot6/7 от 30 и 31 августа 2015 г. Для выявления особенностей использования земельных участков был исследован космический снимок со спутника Spot 7 от 14.01.2015 г. Все космические снимки были подвергнуты ортокоррекции с улучшением пространственного разрешения цветных изображений с использованием панхроматических данных более высокого разрешения (pan-sharpened) с использованием программного обеспечения ScanEx SPOT-6/7 Tools.

Пространственное разрешение космических снимков составляет 1,5 м, в связи с чем, основным методом дешифрирования был выбран визуальный. При визуальном дешифрировании использовалось растяжение гистограммы, для достижения качественных показателей изображения. Все работы по дешифрированию и выявлению качественных и количественных характеристик объектов производились в ScanEx Image Processor.

В качестве дополнительных источников информации были использованы данные информационного ресурса «Публичной кадастровой карты», портала услуг, Федеральной службы государственной регистрации, кадастра и картографии. Для выявления характеристик особенностей рельефа изучаемых земельных участков использовались данные полученные из открытого источника пространственных данных 8А8.Планета - топографическая карта масштаба 1:25000. Цифровая модель рельефа была построена на основании изолиний рельефа и отметок высот, полученных с топографической карты. Создание цифровой модели и ее драпировка космическими снимками проводилась в АгсСК.

Обсуждение результатов исследования

Первичный анализ космического снимка от 14.01.2015 г. позволил выявить особенности микрорельефа исследуемой территории, за счет покрытия ее снегом. В пределах земельного участка около лесополосы отчетливо отображаются временные водотоки. Временные водотоки отчетливо дешифрируются на основе следующих дешифровочных признаков: тон изображения, цвет и форма.

Они имеют ширину 5-7 м в наиболее широких частях. Формирование долин временных водотоков результат эрозионной деятельности воды. Водоток, обозначенный на рисунке цифрой 1, имеет длину более 700 м и незначительное ответвление в центральную сторону поля. Водоток, выделенный цифрой 2 (рис. 1) имеет длину более 200 м и простирается вдоль лесополосы. Временные водотоки меньшего размера, вызванные водной эрозией, отмечены также в южной оконечности земельного участка. Обращает на себя внимание формирующаяся бровка тока воды в верхней части земельного участка. Ее направление свидетельствует о преимущественном направлении течении поверхностных вод с соседних земельных участков (рис. 1).

Простой дешифровочный признак - структура, свидетельствует о направлении пахоты на земельном участке. Земельный участок распахивался вдоль склона.

Рис. 1. Фрагмент космического снимка от 14.01.2015 г. Красны-

ми стрелками показаны временные водотоки. Черной стрелкой показана формирующаяся бровка водотока с соседнего земельного участка.

Анализ космического снимка от 30.08.2015 г. свидетельствует о направлении водного потока, который оставил на открытом грунте явственные следы. Основываясь на прямых и косвенных дешифровочных признаках, таких как цвет, фототон, уровень яркости и цвет выделяются смытые почвы, отображающиеся на снимке светлыми оттенками (рис. 2).

Характер микроформ рельефа, образованных водным потоком, свидетельствует о том, что он направлялся через несколько земельных участков на земельный участок с формами проявления эрозии. Так, направление потока воды прослеживается отчетливо. Поток воды проходил вдоль лесополосы по долине временного водотока, который был сформирован ранее (до 2015 г.). О силе водного потока можно судить по образовавшейся бровке в северо-восточном углу земельного участка (рис. 2). Предполагаемый ток воды по исследованным земельным участкам показан на космическом снимке от 30.08.2015 г. Отчетливо видно, что образованные скопления воды на земельном участке расположенном рядом от исследуемого находились вне основного тока воды (рис. 3).

Созданная цифровая модель рельефа на территорию исследованных земельных участков и драпированная космическим снимком от 30.08.2015 г. позволяет оценить характер рельефа. Для выявления неодно-родностей рельефа вертикальный масштаб был увеличен в 10 раз (рис. 4). Проявление эрозионных форм на земельном участке обусловлено особенностями рельефа и потоками воды.

Анализ космического снимка от 31.08.2015 г. позволяет отчетливо выделить направление движения водного потока, что подтверждает выявленные ранее причины проявления эрозии почв.

Последствия эрозии на исследованных нами земельных участках отчетливо заметны на космическом снимке Ьапёва! 8 от 09.10.2015 г. Для выявления открытых участков почв использовались комбинации каналов 432 и 562 (рис. 5). Характер тока воды проявляется даже спустя время после обработки почвы. На снимке выделяется полоса поверхностного стока воды, проходящая через несколько земельных участков.

Рис. 2. Фрагменткосмическогоснимка,датасъемки30.08,2015г.

1 - смытая почва, 2 - область проявления эрозии почв, 3 -путь потока воды, 4 - намытая бровка, 5 - область скопления воды.

Рис. 3.

Фрагмент космического снимка от 30.08.2015 г. Линией обозначен предполагаемый ток воды. 1 - область скопления воды.

№2, 2016

97

Рис. 4. Цифровая модель рельефа, драпированная косми-

ческим снимком от 30.08.2015 г. Вид на исследуемые земельные участки с востока. Вертикальный масштаб 1:10. Исследуемые земельные участки обозначены стрелками.

Рис. 5. Космический снимок 1_апс15а1 8 от 09.10.2015 г. на тер-

риторию исследуемых земельных участков в разных комбинациях каналов. Оголенная почва выделяется светлыми оттенками. Увлажненная почва выделяется оттенками красного и оранжевого. Стрелкой показан исследуемый земельный участок.

Выводы

Таким образом, можно заключить, что водный поток на земельном участке направлялся по сформированной ранее долине временного водотока. За счет размера эрозионной формы рельефа поток воды мог приобрести значительную скорость и привести к образованию элементов водной эрозии.

Космические снимки высту пают средством объективного контроля, поскольку позволяют не только выявлять изменения территории на актуальную дату, но и восстанавливать динамические характеристики явлений и процессов на основе пространственно-временного анализа. Мониторинговые исследования эрозионных процессов на основе данных дистанционного зондирования Земли позволяют выявить все их особенности и установить истинные причины их проявления.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Архив погоды в Буденновске. URL: http://rp5.ru/%D0%90%D1 % 80%D1%85%D0%B8%D0%B2_%D0%BF%D0%BE%D0%B3%D 0%BE%D0%B4%D1 %8B_%D0%B2_%D0%91 %D1 %83%D0%B4 %D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D1 %81%D0% BA%D0%B5. (дата обращения: 11.03.2016).

2. Каторгин И.Ю. Анализ и оценка агроландшафтов Ставропольского края с использованием геоинформационных технологий: дис. ... канд. геогр. наук. Ставрополь, 2004.

3. Кирвякова А. В. Эрозия почв юго-западной части Ставропольской и возвышенности и прилегающих территорий Прикубан-ской равнины (по материалам дистанционного зондирования Земли): автореф. дис. ... канд. геогр. наук., Ставрополь, 2008.

4. Куприченков М.Т., Симбирев Н.Ф, Цыганков A.C. Петрова A.C. Мониторинг плодородия земельных ресурсов Ставропольского края. Под общей редакцией д. с-х н. М. Т. Куприченкова. Ставрополь: ГУП «Ставропольская краевая типография». 2002.

5. Погода в Буденновске в августе. URL: http://russia.pogoda360. ru/688265/august/.(flaTa обращения: 11.03.2016).

6. Рябов Е.И. Ветровая эрозия почв (дефляция) и меры ее предотвращения. Ставрополь: Кн. изд-во, 1996.