Опыт использования спутниковых снимков высокого и среднего разрешения в мониторинге наземных экосистем в районе деятельности субарктического алмазадобывающего предприятия

естественные науки

— Биология —

УДК: 504.054:578.8 (470-924.16) Б. З. Борисов, З. З. Борисов

опыт использования спутниковых снимков высокого и среднего разрешения в мониторинге наземных экосистем в районе деятельности субарктического алмазадобывающего предприятия

Приведены результаты опытных работ по применению спутниковых снимков Земли для слежения за состоянием почвеннорастительного покрова в районе деятельности горнодобывающего предприятия, разрабатывающего россыпное месторождение алмазов в бассейне малой субарктической реки Западной Якутии. Для комплексного решения экологических задач рекомендуется совмещенное использование снимков среднего и высокого разрешения.

Ключевые слова: биоэкологический, мониторинг, космоснимок, лес, почвенно-растительный, трансформация, изображение, степень, нарушенность, масштабы.

В последние два десятилетия в связи с внедрением прогрессивных технологий и, главное, с появлением совершенно новых подходов в организации производства в Республике Саха (Якутия) значительно расширились география и масштабы освоения россыпных месторождений алмазов на малых реках субарктической зоны, эксплуатация которых ранее из-за сильной удаленности от транспортных сетей была заведомо нерентабельной. Развитие малых и средних горнодобывающих предприятий, осваивающих удаленные от промышленных центров россыпные месторождения алмазов, наряду с подземным (шахтным) методом добычи этого минерала на крупных предприятиях являются новым периодом в алмазодобывающей промышленности Российской Федерации, который можно охарактеризовать как время появления множества ультралокальных горных разработок в заполярных районах алмазоносной провинции.

Как известно, воздействие горнопромышленных предприятий не ограничивается зоной производственного цикла или площадью земельного отвода, а зачастую распространяется далеко за их пределами. При этом косвенные факторы могут иметь более масштабное негатив-

БОРИСОВ Борис Захарович - к.б.н., старший научный сотрудник ИБПК СО РАН. e-mail - bzborisiov@mail.ru

БОРИСОВ Захар Захарович - к.б.н., старший научный сотрудник ИБПК СО РАН. . e-mail - zakharborisov@yandex.ru

ное влияние на компоненты живой природы, чем прямое воздействие на локальные участки производства. В связи с этим работы по мониторингу за состоянием окружающей среды в осваиваемых горнодобывающей промышленностью районах Крайнего Севера в настоящее время приобрели особую актуальность.

Начиная с 2001 г., Институт биологических проблем криолитозоны СО РАН ведет комплексный биоэкологи-ческий мониторинг в зоне производственной деятельности государственного алмазодобывающего предприятия ОАО «Нижне-Ленское» [1, 2], расположенного в бассейне среднего течения р. Молодо, левобережного притока Нижней Лены (690 20’ с.ш.).

Наша многолетняя практика натурных наблюдений в районах действия горнодобывающих предприятий различного профиля показывает, что наиболее трудфФо-емкой и сложной с точки зрения практического исполнения в биоэкологических работах задачей являются выявление масштабов нарушенных земель и определение их качественных параметров. Без этих показателей невозможна объективная оценка экологического и экономического ущерба живой природе, наносимого горнопромышленными предприятиями на различных этапах своей производственной деятельности.

Мониторинг наземных экосистем, в первую очередь, базируется на данных современного состояния растительного и почвенного покрова. Район наших исследований имеет относительно большую площадь (360 км2),

12Г8Г ШЙВУ яа* *Ж-Ш' ИІ1 122Я» Ш№?Ж «82*38’ ШЖШ

10 12 3

^км

Рис. 1. Фрагмент картосхемы пространственного размещения типов северотаежных лиственничных лесов в бассейне среднего течения р. Молодо по состоянию 2007 года, составленный по данным Landsat-7 ЕТМ+: 1) водные объекты; 2) гари с разреженным молодняком и не восстановившимся после пожара древостоем; 3) лиственничные редины с сомкнутостью крон 0,1-0,2 и высотой стволов до 10 м; 4) лиственничники с сомкнутостью крон 0,3; 5) перегущенные лиственничные молодняки 45-летние; 6) лиственничники разреженные багульниково-моховые с ольховником

включающую зону проектного земельного отвода предприятия и прилегающие к ней территории фактического и потенциального распространения негативного воздействия техногенных и других антропогенных факторов. Выполнение работ по точной оценке площадей и уровня преобразований нарушенных земель на такой площади немыслимо без применения современных геоинформа-ционных технологий (ГИС) с привлечением данных дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ), в особенности с использованием спутниковых снимков. Для составления типологической карты лесной растительности, получения пространственной картины распространения пирогенной и рубочной поврежденности лесного покрова, а также для качественной и количественной оценки техногенно трансформированных земель в районе нами проведены опытные работы с ДДЗЗ с различным пространственным разрешением, полученным с двух спутниковых систем Landsat-7 ЕТМ+ и QuickBird.

Снимок спутника Landsat-7 ЕТМ+ имеет пространственное разрешение 15 м на пиксель в панхроматическом канале и 30 м - в мультиспектральном. Данные Landsat относятся к снимкам среднего разрешения и являются весьма доступными через Интернет для обычного пользователя. Технические характеристики снимков этого спутника позволяют оценить состояние растительного покрова на больших территориях и создавать тематические карты с масштабом не менее 1:25000. В качестве снимка высокого разрешения мы выбрали данные спутника QuickBird с пространственным разрешением

0,61 м в панхроматическом режиме и 2,44 м - в мультиспектральном. В отличие от спутника Landsat, который выполняет съемку всей поверхности Земли в непрерывном режиме, спутник QuickBird выполняет съемку только выбранных небольших участков земной поверхности.

При обработке данных Landsat-7 мы преследовали 2 цели:

1) оценить общее типологическое и пирогенное состояние лесного покрова выделенного района;

2) оценить возможность получения картины динамики воздействия на почвенно-растительный покров в ходе производственной деятельности предприятия за восьмилетний период эксплуатации месторождения.

В процессе работы с этими снимками нами использованы метод автоматического дешифрирования с обучением и метод дешифрирования в ручном режиме. В роли основы для разделения растительности на спектральные классы выступили полевые данные, полученные нами в результате целевых наземных исследований различных участков данного региона в июле 2007 года. Всего было зафиксировано более 200 точек коренных и нарушенных биоценозов с их точными координатами и 42 опорных точки для последующей работы со спутниковыми снимками, обследованы различные техногенные и естественные площадки на участке долины с протяженностью вдоль реки 12 км.

В результате дешифровки снимков Landsat-7 района исследований (дата съемки август 2007 г.), проведенной на основе данных натурных наблюдений на местности, мы получили следующие результаты: 1) дешифровка снимков позволяет составить типологическую карту лесной растительности района, отражающую пространственное размещение всех 5 классов лесной растительности, выделенных по качественным параметрам состояния древостоя [3] (рис.1); 2) округ характеризуется абсолютным преобладанием лесов из лиственницы Гме-лина (Larix gmelinii) в комплексе с кустарниковыми тундрами и тундроболотами; 3) на период с начала 80-х годов ХХ века по 2007 г. в районе не происходили масштабные изменения растительного покрова, т. е. ДДЗЗ не показало появление новых гарей за данный период; 4) использование индекса N0^ (нормализованный вегетационный индекс) не показало наличие очагов угнетенной растительности в окрестностях промзоны (отсутствие химического загрязнения подтвердили пробы воздуха и почвы, отобранные нами в 2009 г. [4]).

Наряду с этим установлено, что современный облик таежных экосистем района сложился, в основном, в результате обширных лесных пожаров, прошедших в 60-х годах прошлого века, они охватили 70% его площади. Можно отметить, что эти пожары по времени совпадают с периодом широкомасштабных поисковых геологоразведочных работ в бассейне р. Молодо. Как видно из составленной нами карты-схемы пространственного размещения типов лесов (рис.1), послепожарное восстановление древесной растительности на отдельных элементах рельефа происходит по-разному. Выявлено, что на верхней водораздельной части плакора и некоторых положительных элементах рельефа склонов восстановление леса практически не происходит. Эти гари (преимущественно 45-летние), где процесс самовосстановления идет крайне медленно (или он не проис-

ходит вообще), занимают до 14 % всей обследованной площади, что свидетельствует о крайне низкой устойчивости лиственничных лесов на этой широте.

Работы по выявлению возможностей использования космоснимков среднего разрешения для получения картины динамики нарушенных земель за восьмилетний период эксплуатации месторождения проведены посредством сравнения разновременных снимков района. В нашем распоряжении были снимки Landsat-7 ETM+, выполненные 5 августа 2000 г. и 30 июня 2007 г., которые мы привлекли для поиска и картографической привязки участков с техногенно измененным почвенно-растительным покровом не только в пределах земельного отвода предприятия, но и на всей территории бассейна среднего течения р. Молодо. Для этого в программе ArcView 3.3 с использованием модуля Image Analyst провели операцию «вычитание снимков», суть которой заключается в нахождении участков, где изменяется значение спектральной яркости. Данный подход широко используется для анализа повторных снимков NOAA, когда попиксельно сравниваются нормализованные вегетационные индексы, вычисленные по осреднен-ным разносезонным снимкам [5].

В ходе анализа были получены следующие результаты: 1) трансформированные земли локализированы в пределах проектного земельного отвода горного участка и, в основном, соответствуют пространственному размещению объектов, предусмотренному проектом техникоэкономического обоснования (ТЭО) производства; 2) обнаружены место несанкционированного размещения рудного склада и подъездная насыпная дорога к нему; 3) установлено, что площадь техногенно трансформированных земель с полностью уничтоженным почвеннорастительным покровом в 2000 г. была равна приблизительно 25-30 га, в 2007 г. площадь таких же земель расширилась в 2 раза, что, в основном, согласуется с проектным графиком ТЭО освоения месторождения; 4) удовлетворительно фиксируется степень зарастания отработанного прируслового добычного полигона.

В целом же площадные показатели, вычисленные по данным снимков Landsat-7, довольно приблизительны. Так, например, в процессе наземных ревизионных работ был выяснен факт несоответствия действительности данных по размерности линейных объектов (дороги с отсыпкой из отработанных песков), полученных на снимках Landsat-7 ETM+, что, безусловно, является немаловажным моментом при работе с ними и который нужно будет учитывать. Так, если в ходе дешифровки данные объекты были классифицированы как имеющие ширину 70 метров, то в натуре они имели ширину всего 20 м. Это связано с резкой контрастностью насыпных дорог с окружающими их лесными участками и появлением спектрального «шума» в виде ореола.

Наземными ревизионными измерениями установлено, что спутниковые снимки Landsat-7 ETM+ не могут слу-

Де-

Рис. 2. Итоги дешифровки спутниковых снимков Landsat-7 ETM+ (а, б) и Quik Bird (в). Обозначения: 1 - техучасток «Молодо»; 2 - технологические подъездные дороги (насыпные); 3 - площадка размещения склада взрывчатых веществ (ВВ); 4 - использованный в 1996-1999 гг. техучасток; 5 - разведочно-шурфовочный полигон; 6 - отработанный добычный полигон 80-90-х годов прошлого века; 7 - отвал пустых пород; 8 - сеть тракторных дорог (зимники); 9 - «паразитное» изображение, полученное в итоге неправильной дешифровки снимка Landsat +7.

жить достоверным материалом для картирования небольших объектов (менее 1 га), а также для расчета площадей линейных сооружений. Нужно особенно отметить, что на данных снимках отчетливо фиксируются только площади с полным отсутствием растительного покрова, то есть глубоко преобразованные земли. Площади, где сохраняется приземная растительность при сведенном лесном покрове, в некоторых условиях освещения не идентифицируются вообще (лесные дороги, небольшие деляны, оказавшиеся в момент съемки в тени и т.д.).

Съемка территории спутником QuickBird была произведена по нашему заказу 15 июля 2007 г. компанией Digital Globe (США) при посредничестве фирмы «Со-взонд» (г. Москва, Россия). В ходе обработки снимков мы преследовали 3 цели: 1) получить сравнительную характеристику детальности картосхем, составленных на основе данных снимков Landsat-7 и QuickBird; 2) получить подробную ситуационную карту пространственного размещения нарушенных земель в пределах горного участка; 3) посредством компьютерной программы вычислить площади земель с различной степенью нару-шенности по категориям: разрушительная, на грани сохранения биоты, малая.

шифровка производилась по тем же методикам, что и снимки Landsat-7 ETM+. Также параллельно использовалась цифровая модель местности (ЦМР), выполненная на основе топографических карт масштаба 1:100 000 в программной среде Maplnfo 4.5. Опорные точки были сняты с применением прибора GPS - Garmin.

Простое сопоставление двух выше приведённых картосхем а и б (рис. 2), составленных по данным снимков Landsat-7 и QuickBird, произведенных в одни те же сроки, показывает, что объекты на первой отражены не только с нарушением конфигурации, но не совсем объективно в пространственном и даже в количественном отношениях. Как уже отмечено выше, линейные объекты были дешифрированы как более крупные по ширине, в то же время часть объектов просто не отображалась на снимке, как, например, сеть тракторных дорог на делянах выборочных рубок леса, или же наблюдается слияние изображения близлежащих объектов, что особенно наглядно проявилось на полигоне с линиями шурфов. Возможны более серьезные ошибки, как, например, появление «паразитного» изображения как части (продолжении) подъездной дороги, возникшее при автоматической дешифровке по причине наличия здесь скального обнажения,

проходящего по подножию коренного берега, спектральная яркость которого на снимках идентична яркости галечного субстрата насыпной дороги (рис. 2 - б).

На рис. 3 дается тематическая карта-схема территории

Рис. 3. Карта-схема нарушенных земель ГУ «Молодо», выполненная на основе данных снимка Quik Bird. Типы трансформации: А - разрушительное, Б - на грани сохранения биоты; В - малое

горного участка (ГУ) «Молодо», составленная на основе снимка QuickBird, по состоянию на лето 2007 г., где дифференцированно выделены нарушенные земли. Основным критерием дифференциации по категориям служила степень техногенной трансформации, предложенная Г. В. Калабиным и др.[6] (с некоторой поправкой по первой категории):

1) малая - лесные участки, состоящие из различных типов северотаежных лиственничных лесов с незначительно поврежденными древесными насаждениями;

2) на грани сохранения биоты - безлесные участки, на которых в ходе хозяйственной деятельности была уничтожена древесная растительность, но сохранился почвенный покров с напочвенной растительностью;

3) разрушительная - участки, сильно преобразованные с удалением почвенно-растительного покрова и перемещением подстилающих аллювиальных грунтов.

Под категорию «малое нарушение биоты» на территории рассматриваемого ГУ подпадают участки леса со следами выборочной рубки и зимние тракторные дороги, разово использованные для вывоза древесины.

Участки, которые были оценены нами по категории «на грани сохранения биоты», представляют собой вырубку леса, проведенную для прокладки временных дорог, расчистку территории от леса для строительства промышленных объектов. Данной категории соответствуют также просеки линий шурфов.

Под категорию «разрушительная» подпадают добыч-

ные полигоны на суше (пойма, надпойменная терраса), отсыпка площадок отработанными песками (гравием) для проложения насыпных подъездных дорог, участки размещения промзоны, взлетно-посадочной вертолетной площадки, хозбытового комплекса, рудных складов и отвалы отработанных пород.

Данные картосхемы объективно отражают пространственное размещение трансформированных земель с разной степенью нарушенности, их границы, площадные и линейные показатели по состоянию фиксированного времени (месяц, год) и могут быть применены как базовые для дальнейшего мониторинга почвеннорастительного покрова на горном участке «Молодо».

По данным составленной в ГИС-программе ArcView картосхемы был произведен компьютерный расчет с применением модуля СаЮар1 площадей отдельных объектов, расположенных в пределах всей зоны земельного отвода. Здесь под № 1 фигурирует технический участок, под № 2 - район расположения склада ВВ, включающий окрестные деляны выборочной рубки леса, тракторные дороги, под №№ 3 и 4 - подъездные технологические дороги, под № 5 - заброшенный техучасток, под № 6 - шурфовочный полигон, под № 7 - отработанный прирусловой полигон (см. табл.). Полученные в результате расчетов данные полностью согласуются с данными маркшейдерских измерений. Площади земель, подпадающие по степени нарушенности под категории «малая» и «на грани сохранения биоты», возможно вычислить только с использованием ДДЗЗ высокого разрешения. Приведенные площадные показатели можно использовать как базовые для расчета экологического и экономического ущерба, нанесенного природе предприятием на определенном этапе эксплуатации месторождения. Здесь еще раз следует отметить, что получить картину пространственного размещения и вычислить площади нарушенных земель, подпадающих под категорию «малая» путем только наземных обследований территории, практически невозможно. А они, как видно из данных таблицы, преобладают по площади.

По результатам выполненной работы можно сделать следующие краткие выводы:

1) в биоэкологических работах по слежению за состоянием почвенно-растительного покрова, проводимых в районах действия горнодобывающего производства, целесообразно совмещенное использование спутниковых снимков среднего и высокого разрешения;

2) снимки среднего разрешения (Landsat-7, SPOT-2 и 4, ЕО-1 и др.) дают удовлетворительную типологическую характеристику лесного покрова и выявляют масштабы пирогенных изменений на больших площадях, позволяют получить ситуационную картину пространственного размещения трансформированных земель, крупных производственных объектов и коммуникаций (табл.);

3) дифференцированная (по степени трансформации) оценка нарушенных земель возможна лишь при исполь-

Таблица

Площади трансформированных участков в зоне земельного отвода ГУ «Молодо-1»

№ участка Площадь преобразованных участков по степени трансформации

Малая На грани сохранения биоты (средняя) Разрушительная

1 14,9 21,1 30,1

2 179,2 21,4 1,8

3 - 1,2 3,7

4 - 0,7 1,3

5 - - 2,5

6 - 24,7 0,5

7 5,0 0,5 19,3

Всего: 199,1 69,6 59,2

зовании данных снимков высокого разрешения как Quik Bird, а также Ресурс-ДК и Ikonos;

4) полученные нами материалы по дешифровке космоснимков среднего и высокого разрешения могут быть использованы в мониторинговых работах в любом другом районе северотаежной подзоны Восточной Сибири;

5) по причине того, что снимки высокого разрешения охватывают небольшие территории, приобретение которых стоят значительных финансовых затрат их следует заказывать только на площади земельного отвода согласно графика проведения мониторинговых работ по оценке состояния наземных экосистем (обычно это один раз в три года);

Л и т е р а т у р а

1. Борисов З.З., Охлопков И.М., Десяткин Р.В. Биоэкологи-ческие мониторинговые исследования в бассейне среднего и верхнего течения р. Молодо (Булунский улус РС (Я)) // Экологическая безопасность при разработке россыпных месторождений алмазов. Якутск, 2004. С. 53-62.

2. Борисов З.З. Организация биоэкологического мониторинга в бассейне малой реки субарктической зоны Якутии в связи с ее освоением горнодобывающей промышленностью // Мат-лы Всероссийской конференции «Экосистемы малых рек: биоразнообразие, экология, охрана. Борок, 2008 г. С. 98-102.

3. Борисов Б.З., Чикидов И.И. Опыт использования спутниковых снимков при мониторинге состояния северотаежных лесов // Сб. науч. статей региональной научно-практической конф. «Лесные исследования в Якутии: итоги, состояние и перспективы» 23-24 ноября 2006 г., Якутск. С. 105-111.

4. Kuzmin M I, Mamontova E A, Tarasova E N, Khomutova M Yu, Borisov B Z, Bulban A P, Yurchenko S G, Ivanov G, Lepskaya E V, Levshina S I, Tregubov O D.PCBs AND OCPs in soil sampled in some urban and rural areas of East Siberia, Far East and Yakutia, RUSSIA // In: 29th international Symposium on halogenated persistent organic pollutants. DIOXIN 2009. Beijing, China, 2009. P. 109.

5. Tucker C.J., Justice Ch.O. Satellite remote sensing of desert spatial extent. Desertification Controll Bull., n.13. p.113.

6. Калабин Г.В., Воробьев А.Е., Титова А.В., Салазкин М.Г. Количественная оценка изменений природной среды северных территорий под воздействием горнопромышленных комплексов // Сб. мат. Всероссийской конф. «Биоразнообразие растительного покрова Крайнего Севера: Инвентаризация, мониторинг, охрана. (г Сыктывкар 22-26 мая 2006 г). Сыктывкар. Изд-во КНЦ УрО РАН 2006., С. 37-40.

B. Z. Borisov, Z. Z. Borisov

Practice of Satellite Shots of High and Middle Definition in Ground-Based Ecosystems Monitoring in the Area of Subarctic Diamond Mining Enterprise

The results of practice works using satellite shots of the Earth for the monitoring soil dwelling and vegetational cover in the area of the of mining company activity, exploiting placer deposit of diamonds in the subarctic river basin of Western Yakutia are being presented. Combined use of the high and media resolution shots is recommended for the complex solution of ecology problems.

Key words: bioenvironmental, monitoring, space image, forest, soil dwelling and vegetational, transformation, image, level, broken condition, measuring rule.