Изучение аденозинтрифосфата в акватории поселка Листвянка (Южный байкал) как экспрессного информационного признака развития эвтрофикации

6. Tedeev T.R. Metodologiya i algoritmy rascheta poley vlazhnosti v zadachakh proektirovaniya gruntovykh sooruzheniy [Methodology and Algorithms for Calculating Moisture Fields in Problems of Design of Soil Structures] / T.R. Tedeev, G.G. Arunyants. - Vladikavkaz: Terek, 2005. -203 p. [in Russian]

7. Samarsky, A.A. Regimy s obostreniem v zadachakh dlia kvazilineynykh parabolicheskikh uravneniy [Regimes with Peaking in Problems for Quasilinear Parabolic Equations] // A.A. Samarskiy, VA. Galaktionov, S.P. Kurdyumov, A.G. Mikhailov. - M.: Science, 1987. - 476 p. [in Russian]

8. Karl Terzaghi, Ralfh B. Peck, Golamreza Mesri. Soil Mechanics in Engineering Practice / Karl Terzaghi, Ralfh B. Peck, Golamreza Mesri // Third Edition, 1995, 549 p.

9. Steven L. Kramer. Geotechnical Earthquake Engineering / Steven L. Kramer // University of Washington, 1996, 653 p.

10. James K. Mitchell. Fundamentals of soil behavior / James K. Mitchell // second Edition, 1993, 437 p.

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.66.054 Чебыкин Е.П.1, Мальник В.В.2, Фёдорова Л.И.3, Минаев А.В.4, Сутурин А.Н.5

1ORCID: 0000-0002-7588-3886, кандидат химических наук,

2ORCID: 0000-0002-1221-2794, кандидат биологических наук, 3аспирант, 4ORCID: 0000-0003-1577-8440, И.о. зав. отделом инновационной деятельности, 5ORCID: 0000-0002-6805-5986, кандидат геолого-минералогических наук, Иркутский научный центр СО РАН, Лимнологический институт СО РАН, г. Иркутск ИЗУЧЕНИЕ АДЕНОЗИНТРИФОСФАТА В АКВАТОРИИ ПОСЕЛКА ЛИСТВЯНКА (ЮЖНЫЙ БАЙКАЛ) КАК ЭКСПРЕССНОГО ИНФОРМАЦИОННОГО ПРИЗНАКА РАЗВИТИЯ ЭВТРОФИКАЦИИ

Аннотация

Акватория п. Листвянка (Южный Байкал) является полигоном для разработки эффективных комплексов мониторинга антропогенного влияния на прибрежные байкальские экосистемы. В результате гидро-геофизических электротомографических работ выявлены участки субаквальной разгрузки подземных вод. Анализ содержания аденозинтрифосфата в воде позволяет выделить зоны антропогенного влияния и выявить участки эвтрофирования I стадии. Метод АТФ является экспрессным и высокочувствительным, позволяет оценить количество живых микробиальных и планктонных сообществ в воде.

Ключевые слова: акватория п. Листвянка (Южный Байкал), эвтрофикация, электротомография, аденозинтрифосфат (АТФ), мониторинг.

Chebykin E.P.1, Malnik V.V.2, Fedorova L.I.3, Minaev A.V.4, Suturin A.N.5

1ORCID: 0000-0002-7588-3886, PhD in Chemistry, 2ORCID: 0000-0002-1221-2794, PhD in Biology,

3Postgraduate student, 4ORCID: 0000-0003-1577-8440, Acting Head of the Innovation Activity Department,

5ORCID: 0000-0002-6805-5986, PhD in Geology and Mineralogy, Irkutsk Scientific Center of the SB RAS, Limnological

Institute of the SB RAS, Irkutsk STUDY OF ADENOSINE TRIPHOSPHATE (ATP) IN AQUATORIES OF LISTVYANKA VILLAGE (SOUTH BAIKAL) AS EXPRESSIVE INFORMATION SIGN OF EUTROPHICATION DEVELOPMENT

Abstract

The water area of Listvyanka village (South Baikal) is a polygon for developing effective complexes for monitoring anthropogenic impact on coastal Baikal ecosystems. As a result of hydro-geophysical electrotomographic works, the areas of sub-aquiferous groundwater discharge have been identified. The analysis of the content of adenosine triphosphate (ATP) in water allowed us to identify zones of anthropogenic influence and to identify the areas of eutrophication of the first stage. The ATP method is rapid and highly sensitive, it allows to estimate the number of living microbial and plankton communities in water.

Keywords: water area in Listvyanka village (South Baikal), eutrophication, electrotomography, adenosine triphosphate (ATP), monitoring.

В акватории п. Листвянка (Южный Байкал) проявлены все элементы экологического стресса на Байкале, ведущие к кардинальным изменениям в прибрежных экосистемах [1]. Разработка новых эффективных и экспрессных методов выявления антропогенного влияния на экосистему является важной задачей для подготовки мер преодоления экологического кризиса.

По предложению В.И. и С.Д. Авиловых [2], [3] на базе комплексных морских биогеохимических исследований обосновано включение в качестве существенных информационных признаков состояния водных экосистем показателей аденозинтрифосфата (АТФ). Измерение АТФ в совокупности с рядом других биохимических показателей (в частности, щелочная фосфомоноэстераза) позволяет выявить динамику изменения микробиальных сообществ от зарождения и развития до цветения (эвтрофикация I стадии) и гибели (токсикации) как в воде, так и в донных отложениях [4]. Распределение АТФ по глубине водной толщи позволяет оценить суммарную обсеменённость живыми клетками бактерио- и фитопланктона, а ниже фотического слоя - бактериопланктона [5]. В период геоэкологических исследований на Байкале было изучено вертикальное и пространственное распределение АТФ в водной толще [6]. Установлено, что подобно океаническим профилям, содержание АТФ в фотическом слое (до глубины 200 м) Байкала гораздо выше, по сравнению с глубинными, и повышается в придонных слоях. Содержание АТФ не опускается ниже 100 нг/л, и в среднем для «ядра» Байкала (глубже 200 м и 120 м над дном) составляет 290 нг/л, что свидетельствует о протекании первично-биохимических процессов на довольно высоком уровне во всей толще воды. В придонной воде районов с интенсивной разгрузкой газов (He, H2, CO2, CH4) и на мелководных станциях, испытывающих взаимное влияние фотической и придонной зон, наблюдаются наибольшие значения АТФ

(до 5400 нг/л).

В связи с интенсивным развитием туризма на Байкале (в последние 10 лет) и отсутствием природоохранной инфраструктуры антропогенное влияние на литораль озера значительно возросло [1]. АТФ - наиболее экспрессная и информативная характеристика различных этапов эвтрофицирования - может быть использована для выявления и мониторинга антропогенных потоков биогенных элементов, поступающих в прибрежную зону озера и интенсифицирующих рост биомассы.

Цель данной работы - исследовать распределение АТФ в воде литорали Байкала в зоне влияния п. Листвянка -одного из участков, испытывающих сильное антропогенное воздействие.

Материалы и методы

Описание района работ, отбор проб

Отбор проб воды на пяти трансектах в литорали Байкала был произведён в зоне влияния р. Сеннушка и кафе «Алании» в п. Листвянка 30 сентября 2017 г. (рис. 1). Места закладки трансект выбирали по данным электрических сопротивлений грунтов, полученных методом электротомографии [7], [8], [9] с помощью автономной многоэлектродной электроразведочной станции «СКАЛА 48» и модифицированной донной электроразведочной косой с дополнительной гидроизоляцией контактов подключения, разъемом подключения к станции с одной стороны для работы с лодки. Траектория профиля и значения электрических сопротивлений показаны на рисунке 1.

Интерстициальную воду отбирали из лунок на берегу в заплесковой зоне. Далее вдоль трансекты отбирали пробу воды на расстоянии 1 м от уреза, затем с помощью водолаза-исследователя - пробы поверхностной и придонной воды на расстоянии 5, 10, 20, 30, 40 и 50 м от уреза. Пробы воды отбирали в 0,5 л ПЭТ бутылки, помещали в термос-сумки и обрабатывали в лаборатории в тот же день.

Микробиологический анализ

Образцы воды в количестве 1 мл наносили на тест-пластины Petrifilm компании 3М (США) для определения количества мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов (КМАФАнМ или общее микробное число - ОМЧ, Cat. No. 6406), гетеротрофных микроорганизмов (Aqua, No. 6452), колиформных бактерий (Aqua, No. 6458), кишечной палочки E. coli и колиформных (БГКП - бактерии группы кишечной палочки) бактерий (Cat. No. 6414) и количества бактерий семейства Enterobacteriaceae (Cat. No. 6421). Также использовали высокочувствительные пластины для выявления колиформных (в том числе и термотолерантных) бактерий (Cat. No. 6415) при объеме образца равном 5 мл. Температуру и длительность инкубации выдерживали согласно рекомендациям производителя: КМАФАнМ - 30 °С, 48 ч., гетеротрофных микроорганизмов - 22 °С, 68 ч., E. coli и колиформных бактерий - 37 °С, 24 ч., энтеробактерий - 37 °С, 24 ч., термотолерантных колиформных бактерий - 44 °С, 24 ч. Интерпретацию результатов посевов проводили согласно «Руководствам по интерпретации» от производителя, подсчёт колонеобразующих единиц (КОЕ) выполняли вручную с помощью увеличительного стекла.

Определение содержания АТФ в водных пробах

Содержание АТФ (в относительных световых единицах - ОСЕ) в водных пробах определяли с помощью люменометра 3M Clean-Trace NG (компания 3M, США). Прибор калибровали с помощью контрольных АТФ тест-систем для воды LWATP10. Образцы воды в количестве 20 мл наливали в одноразовые стерильные полипропиленовые пробирки с закручивающейся крышкой (50 мл, Greiner bio-one, Cat.-No. 210261, Германия), опускали на 1 минуту АТФ-тесты для воды AQT200, которые затем помещали в прибор и проводили измерение люминесценции

Рис. - Карта-схема (фотосъемка с БПЛА Phantom-4, привязка в программе SAS. Планета) отбора проб воды на трансектах в литорали Байкала в зоне влияния р. Сеннушка и кафе «Алании» (п. Листвянка, Южный Байкал) 30 сентября 2017 г. и геоэлектрический профиль (красная линия), полученный методом электротомографии с помощью автономной многоэлектродной электроразведочной станции «СКАЛА 48» 25 июля 2017 г. Красными треугольниками отмечены места закладки трансект (там же лунки) на расстоянии до 50 м от уреза, перпендикулярно берегу (точки отбора поверхностных и придонных вод отмечены голубыми кружками); красными кружками отмечены четыре точки в «зоне А» (60 м от бетонной стенки) субаквальной разгрузки загрязнённых подземных вод (по результатам исследования в апреле 2017 г.).

Результаты и обсуждение

Наибольшее содержание АТФ (2000-2500 ОСЕ, рис. 2), характеризующее наличие живых бактерий и микроводорослей обнаружено в придонной воде на трансекте I в 5, 30, и 40 м от уреза, что совпадает с геофизическими данным, согласно которым, наибольшие по глубине проникновения в грунт потоки минерализованных вод сосредоточены на пересечении с трансектой I (рис. 1). Распределение АТФ не похоже на распределение ОМЧ (общее микробное число) и гетеротрофов (табл. 1), что указывает на то, что в этот интегральный параметр вносят весомый вклад микроводоросли. Высокие значения АТФ (1100-1500) также обнаружены в придонной воде на трансекте II в 10 и30 м от уреза, что частично согласуется с распределением санитарно-показательных микроорганизмов - ОКБ (общих колиформных бактерий), ТКБ (термотолерантных колиформных бактерий), энтеробактерий - наибольшее содержание которых, превышающее установленные нормативы, обнаружены в придонной воде на трансекте II в 10, 30 и 50 м от уреза воды (табл. 1). Окончание трансекты II весьма близко к ранее обнаруженным (апрель 2017 г.) признакам субаквальной разгрузки антропогенно загрязнённых стоков в «зоне А» (точки 1-4 на рис. 1). Эта зона расположена между трансектами I и II, и вероятно испытывает влияние интенсивной разгрузки подземных вод в районе трансекты I, маркируемой геоэлектрическим профилем.

Наличие кишечной палочки E. coli в количестве 100 КОЕ / 100 мл обнаружено в двух случаях - в интерстициальной воде в лунке на трансекте I и в придонной воде на трансекте III в 20 м от уреза. Её количество не превышает нормативов США (126 КОЕ/ 100 мл [10]) для пресных вод.

Таким образом, метод АТФ является весьма эффективным и экспрессным, он позволяет выделять пятна эвтрофикации, согласующиеся с данными электротомографии. Использование показателей аденозинтрифосфата (АТФ) для выявления динамики эвтрофикации перспективно для экологического мониторинга прибрежных экосистем оз. Байкал.

АТФ, ОСЕ

Глубинная

Трансекта I Трансекта II Трансекта III Трансекта IV Трансекта V вода

Расстояние от уреза воды, м

Рис. 2 - Содержание АТФ (в относительных световых единицах) в интерстициальной, поверхностной и придонной воде по трансектам (на удалении до 50 м от уреза воды) в литорали оз. Байкал в зоне влияния р. Сеннушка и кафе «Алания» (30 сентября 2017 г.) в сравнении с глубинной (500 м) байкальской водой (водозабор ООО «Вода Байкала,

п. Листвянка)

Таблица 1 - АТФ и микробиологические характеристики интерстициальной, поверхностной и придонной воды на трансектах в литорали оз. Байкал в зоне влияния р. Сеннушка и кафе «Алания» (п. Листвянка) 30.09.2017 г. в _сопоставлении с существующими нормативами_

Шифр Расстояние от уреза, м АТФ, ОСЕ ОМЧ, КОЕ / мл Гетеротрофы, КОЕ/мл ОКБ, КОЕ / 100 мл ТКБ, КОЕ / 100 мл Энтеробактерии, КОЕ / 100 мл

Т1-л 0 33 5000 2200 100 0 1000

Т1-1 1 445 157 144 0 0 0

Т1-5 5 491 26 51 0 0 0

Т1-10 10 410 75 80 0 0 0

Т1-20 20 317 198 213 0 0 0

Т1-30 30 938 202 158 0 0 0

Т1-40 40 477 700 394 0 0 0

Т1-50 50 599 82 111 0 0 0

Т1-5* 5 1950 99 150 0 0 0

Т1-10* 10 1236 24 70 0 0 0

Продолжение Таблицы 1

Шифр Расстояние от уреза, м АТФ, ОСЕ ОМЧ, КОЕ / мл Гетеротрофы, КОЕ/мл ОКБ, КОЕ / 100 мл ТКБ, КОЕ / 100 мл Энтеробактерии, КОЕ / 100 мл

Т1-20* 20 489 24 55 0 0 0

Т1-30* 30 2556 148 508 0 20 0

Т1-40* 40 2481 144 212 0 0 0

Т1-50* 50 921 29 50 0 0 0

Т2-л 0 1274 390 1540 100 100 100

Т2-1 1 1165 63 92 0 0 0

Т2-5 5 607 33 87 0 0 0

Т2-10 10 398 1480 1380 0 0 0

Т2-20 20 503 44 55 0 0 0

Т2-30 30 942 586 960 0 0 0

Т2-40 40 584 540 601 0 0 0

Т2-50 50 363 306 270 0 0 0

Т2-5* 5 182 135 271 0 0 0

Т2-10* 10 1485 214 256 700 120 300

Т2-20* 20 547 19 48 0 0 0

Т2-30* 30 1139 800 980 2200 220 1200

Т2-40* 40 570 31 60 100 0 0

Т2-50* 50 405 565 1040 2100 200 2500

Т3-л 0 1101 1580 1420 100 0 2900

Т3-1 1 1017 30 221 0 0 100

Т3-5 5 350 26 78 0 0 100

Т3-10 10 365 161 222 0 0 100

Т3-20 20 351 700 840 0 0 100

Т3-30 30 415 22 69 0 0 0

Т3-40 40 582 27 34 0 0 0

Т3-50 50 391 139 159 0 0 0

Т3-5* 5 646 37 114 0 0 0

Т3-10* 10 858 32 114 0 0 200

Т3-20* 20 865 21 48 0 0 100

Т3-30* 30 571 159 149 0 0 0

Т3-40* 40 535 138 163 0 20 0

Т3-50* 50 663 157 920 0 0 300

Т4-л 0 350 1800 4220 600 160 4600

Т4-1 1 271 152 275 0 0 200

Т4-5 5 792 104 153 0 0 0

Т4-10 10 362 61 117 0 0 100

Т4-20 20 322 15 63 0 0 0

Т4-30 30 336 386 720 0 0 200

Т4-40 40 481 30 32 0 0 200

Т4-50 50 590 17 73 0 0 0

Т4-5* 5 834 148 224 0 0 100

Т4-10* 10 504 31 89 0 0 0

Т4-20* 20 455 1360 1760 0 0 0

Т4-30* 30 1172 920 1200 0 0 0

Т4-40* 40 588 548 1160 0 0 100

Т4-50* 50 858 164 219 0 0 100

Т5-л 0 1175 4400 5400 0 20 13100

Т5-1 1 602 55 227 0 0 0

Т5-5 5 372 17 94 0 0 0

Т5-10 10 660 30 55 0 0 0

Т5-20 20 462 2220 3800 0 0 0

Т5-30 30 338 193 600 0 0 0

Т5-40 40 434 92 210 0 0 0

Т5-50 50 433 68 126 0 0 0

Т5-5* 5 920 82 286 0 0 0

Т5-10* 10 1166 4000 5400 0 0 0

Т5-20* 20 674 31 109 0 0 0

Т5-30* 30 151 27 560 0 0 0

Т5-40* 40 619 66 189 0 0 0

Продолжение Таблицы 1

Шифр Расстояние от уреза, м АТФ, ОСЕ ОМЧ, КОЕ / мл Гетеротрофы, КОЕ/мл ОКБ, КОЕ / 100 мл ТКБ, КОЕ / 100 мл Энтеробактерии, КОЕ / 100 мл

Т5-50* 50 442 880 1520 0 0 0

BW нас 1700 105 0 1 0 0 0

BW вход 1700 130 96 127 0 0 0

BW вых 1700 69 25 28 0 0 0

Тип вод нд Питьевая вода нд Для рекреационн ых целей Для рекреаци онных целей Пресная вода

Страна нд Россия нд Россия Россия США

Норматив нд 100 нд 500 100 35

Документ нд СаНПиН 2.1.4.111602 нд СаНПиН 2.1.5.980-00 СаНПиН 2.1.5.980 -00 [10]

Примечание: значения, превышающие нормативы выделены жирным шрифтом. нд - нет данных (норматив не установлен).* - придонная вода. BW нас - глубинная байкальская вода (500 м), насосная глубинного водозабора ООО «Вода Байкала» (п. Листвянка, ул. Академическая, 1) BW вход - цех розлива ООО «Вода Байкала», после фильтрации. BW вых - цех розлива ООО «Вода Байкала», конечная ёмкость (1 сутки после озонирования).

Список литературы / References

1. Сутурин А. Н. Роль антропогенных факторов в развитии экологического стресса в литорали / А. Н. Сутурин, Е. П. Чебыкин, В. В. Мальник и др. // География и природные ресурсы. - 2016. - № 6. - С. 43-54.

2. Авилов В. И. Информационная система аквагеоэкологии / В. И. Авилов, С. Д. Авилова. - М.: «Прима Пресс». -2009. - 142 с.

3. Авилов В. И. Изучение экосистем в аквагеоэкологии/ В. И. Авилов, С. Д. Авилова. - М.: «Прима Пресс». -2010. - 184 с.

4. Геодекян А. А. Геоэкологические исследования и прогнозирование экологического состояния природной среды / А. А. Геодекян, В. И. Авилов, С. Д. Авилова // Доклады Академии наук. - 1992. - Т. 324 (2). - С. 415-419.

5. Holm-Hansen O. The measurement of adenosine triphosphate in the ocean and its ecological significance / O. HolmHansen, C. R. Booth // Limnology and Oceanography. - 1966. - V. 11 (4). - P. 510-519.

6. Геодекян А. А. Геоэкологические исследования Байкала / А. А. Геодекян, В. И. Авилов, С. Д. Авилова // Доклады Академии наук СССР. - 1990. - Т. 310 (6). - С. 1442-1446.

7. Якубовский Ю. В. Электроразведка, 3 изд., переработанное и дополненное / Ю. В. Якубовский, И. В. Ренард. -М.: Недра. - 1991. - 358 с.

8. Матвеев Б. К. Интерпретация электромагнитных зондирований / Б. К. Матвеев. - М.: Недра. -1974. - 232 с.

9. Марченко М. Н. Вертикальное электрическое зондирование. Учебное пособие для студентов обучающихся по направлению «Геология» / М. Н. Марченко, И. Н. Модин. - М.: МГУ. - 2013. - 28 с.

10. United States Environmental Protection Agency. (2011, November 30). Ambient Water Quality Criteria for Bacteria / United States Environmental Protection Agency. - Retrieved December 11, 2013 [Электронный ресурс] // URL : Available at: http://water.epa.gov/learn/training/standardsacademy/upload/module_bacteriacriteria.pdf

Список литературы на английском языке / References in English

1. Suturin A. N. Rol' antropogennyh faktorov v razvitii jekologicheskogo stressa v litorali [The role of anthropogenic factors in the development of ecological stress in Lake Baikal littoral (the Listvyanka settlement lakescape)] / A. N. Suturin, E. P. Chebykin, V. V. Mal'nik and others // Geografja i prirodnye resursy [Geography and Natural Resources]. - 2016. - No. 6. -P. 43-54. [in Russian]

2. Avilov V. I. Informatsionnaya sistema akvageoekologii [Information system of Aquageoecology] / V. I. Avilov, S. D. Avilova. - M.: Prima Press, 2009. - 142 p. [in Russian]

3. Avilov V. I. Izuchenie ekosistem v akvageoekologii [The study of ecosystems in Aquageoecology] / V. I. Avilov, S. D. Avilova. - M.: Prima Press, 2010. - 184 p. [in Russian]

4. Geodekyan A. A. Geoekologicheskie issledovaniya i prognozirovanie ekologicheskogo sostoyaniya prirodnoy sredyi [Geoecological research and forecasting the ecological state of the natural environment] / A. A. Geodekyan, V. I. Avilov, S. D. Avilova // Dokladyi Akademii nauk [Reports of the Academy of Sciences]. - 1992. - V. 324 (2). - P. 415-419. [in Russian]

5. Holm-Hansen O. [The measurement of adenosine triphosphate in the ocean and its ecological significance] / O. HolmHansen, C. R. Booth // [Limnology and Oceanography]. - 1966. - V. 11 (4). - P. 510-519.

6. Geodekyan A. A. Geoekologicheskie issledovaniya Baykala [Geoecological study of Lake Baikal] / A. A. Geodekyan, V. I. Avilov, S. D. Avilova // Dokladyi Akademii nauk SSSR [Reports of the Academy of Sciences of the USSR]. - 1990. - V. 310 (6). - P. 1442-1446. [in Russian]

7. Yakubovskiy, Yu. V. Yakubovskiy Yu. V. Elektrorazvedka, 3 izd., pererabotannoe i dopolnennoe [Geoelectric prospecting, 3rd ed., revised and expanded] /, Yu. V. Yakubovskiy, I. V. Renard. - Moscow: Nedra. - 1991. - 358 p. [in Russian]

8. Matveev B. K. Interpretatsiya elektromagnitnyih zondirovaniy [Interpretation of electromagnetic soundings] / B. K. Matveev. - Moscow: Nedra. -1974. - 232 p. [in Russian]

9. Marchenko M. N. Vertikalnoe elektricheskoe zondirovanie. Uchebnoe posobie dlya studentov obuchayuschihsya po napravleniyu «Geologiya» [Vertical electric sounding. Textbook for students enrolled in the direction "Geology] / M. N. Marchenko, Modin I. N. - Moscow: Moscow State University. - 2013. - 28 p. [in Russian]

10. United States Environmental Protection Agency. (2011, November 30). Ambient Water Quality Criteria for Bacteria / United States Environmental Protection Agency. - Retrieved December 11, 2013 [Electronic resource] // URL: Available at: http://water.epa.gov/learn/training/standardsacademy/upload/module_bacteriacriteria.pdf

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.66.216 Бутусов О.Б.1, Редикульцева Н.И.2, Никифорова О.П.3

:ORCID: 0000-0003-1361-2121, профессор, доктор физико-математических наук, Московский политехнический университет, Московский гуманитарный университет,

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева;

2доцент, кандидат технических наук, Московский гуманитарный университет;

3кандидат технических наук, Государственный университет управления

МУЛЬТИФРАКТАЛЬНАЯ СЕГМЕНТАЦИЯ ЛАНДШАФТОВ НА КОСМИЧЕСКОМ ИЗОБРАЖЕНИИ

Аннотация

Проведен мультифрактальный анализ двух фрагментов космического снимка земной поверхности в районе Центрального лесного заповедника со спутника Landsat7 (четвертый спектральный канал). Первый фрагмент - это изображение лесного ландшафта, второй - сельскохозяйственного. В результате мультифрактального анализа рассчитаны экспоненты Холдера для двух показателей: iso-мера и s-мера. Экспоненты Холдера использованы для расчета мультифрактальных спектров и обобщенных фрактальных размерностей. Установлено, что наилучшим критерием для сегментации ландшафтов является корреляционная размерность. Проведено исследование возможности применения для сегментации ландшафтов квантования а-изображений. В результате установлено, что экспонента Холдера хорошо выделяет границы между нечеткими объектами на космическом изображении.

Ключевые слова: космические снимки, мультифрактальный анализ, экспонента Холдера, обобщенные фрактальные размерности, корреляционная размерность, квантование изображений.

Butusov O.B.1, Redikultseva N.I.2, Nikiforova O.P.3

1ORCID: 0000-0003-1361-2121, Professor, PhD in Physics and Mathematics,

Moscow Polytechnic University, Moscow University for Humanities, D. Mendeleev University of Chemical Technology of

Russia;

2Associate professor, PhD in Engineering, Moscow University for Humanities;

3PhD in Engineering, State University of Management MULTIFRACTAL SEGMENTATION OF LANDSCAPES ON SPACE IMAGE

Abstract

A multifractal analysis of two segments of the space image of the Earth surface in the area of the Central Forest Reserve from the Landsat7 satellite (the fourth spectral channel) is carried out. The first segment is an image of a forest landscape, and the second one is an agricultural area. As a result of multifractal analysis, Holder exponents are calculated for two indicators: iso-measure and s-measure. Holder exponents are used to calculate multifractal spectra and generalized fractal dimensions. It is found that the best criterion for segmentation of landscapes is the correlation dimension. A study of the possible application of a-image quantization for segmentation of landscapes is carried out. As a result, it is established that the Holder exponent clearly distinguishes between the fuzzy objects in the space image.

Keywords: space images, multifractal analysis, Holder exponent, generalized fractal dimensions, correlation dimension, image quantization.

Введение. Известно [1], [2], что достаточно большое количество природных объектов имеют фрактальную природу, которая частично проявляется на изображениях этих объектов. При изучении фрактальных объектов в качестве одного из основных показателей фрактальности часто используются мультифрактальные спектры [1], [3], которые достаточно хорошо описывает структурные особенности природных фракталов, например, микроструктуры наноматериалов [4] или кластерную структуру ландшафтов на спутниковых снимках [5], [6]. Как правило, природные фракталы характеризуются целым спектром различных фрактальных размерностей [7], [8], [9]. Такие фракталы получили название мультифракталов [1], [3]. В настоящее время фрактальный анализ широко применяется в различных областях науки и техники, таких как материаловедение [10], медицина [11], [12], исследование Земли с помощью космических снимков [5], [6] и пр. Фрактальная размерность многих материалов успешно используется при их изучении по микрофотографиям [4]. Также фрактальная размерность изображений с успехом применяется в медицинской диагностике [11], [12], [13], когда традиционные методы анализа изображений оказываются бессильны. Фрактальный анализ хорошо зарекомендовал себя при изучении фрактальных свойств природных объектов и ландшафтов [5] ,[6]. Измеряя фрактальную размерность на различных участках спутниковых изображений, можно проводить фрактальную сегментацию этих изображений и тем самым выделять природные объекты, фрактальная структура которых различна.

Цель данной работы изучение возможности использования обобщенных фрактальных размерностей для фрактальной сегментации ландшафтов на космических изображениях природных объектов.