Задача разработки метода эшелонированного мониторинга для оценки экологического состояния водосборных зон по спутниковым данным и на основе показателей наземного мониторинга рек Сестры и Селезневки актуальна для решения проблем трансграничного сотрудничества (Россия – Финляндия) в области экологии. На данный момент в обеих странах востребована информационная технология оперативного мониторинга потенциально опасных объектов окружающей среды с использованием космической съемки. Данные о потенциальном загрязнении водосборных зон Финского залива напрямую используются в математических моделях стоков рек, в прогностических моделях загрязнения воды и динамики почвенной микрофауны.
Метод эшелонированного мониторинга предполагает многоэтапность проведения исследования типов подстилающих поверхностей:
- распознавание и классификацию типов поверхностей по данным многоспектральной съемки космического аппарата Sentinel;
- оценку полученной классификации при помощи вспомогательной информации (топографических, лесоустроительных, почвенных карты и т.п.) и составление заверочных маршрутов, выстроенных по данным дистанционного зондирования;
- проведение экспедиционных исследований в потенциально опасных зонах водосборных территорий и по заверочным маршрутам;
- обработку и верификацию геопространственных материалов и экспедиционных данных, анализ результатов, прогноз.
На первом этапе работ производится камеральная обработка спутниковой информации. С использованием программы ERDAS Imagine Professional проводится классификация с обучением для выявления следующих типов подстилающей поверхности: лесных, луговых, болотных, их антропогенных вариантов (на месте вырубленных лесных массивов, сельскохозяйственных угодий, карьеров, не санкционированных свалок, урбанизированных регионов). Далее в программе ArcMap растровые данные переводятся в векторный формат, рассчитываются площади и координаты.
Полученные классификационные данные представляют собой слои данных в географической информационной системе (ГИС). В данной работе использована ГИС с открытым кодом QGIS. При наличии дополнительных слоев информации весь набор данных анализируется и составляется маршрутная карта для проведения экспедиционных работ.
Полевые работы включают в себя геоботанические, почвенные и описания рельефа, взятие проб воды и почв, измерение спектральных характеристик растительности и грунта полевым спектрорадиометром PSR1100. Летом 2018 года были проведены экспедиционные исследования в северо-центральном регионе водосборной зоны реки Сестры. Летом 2019 года состоялась экспедиция в водосборную зону реки Селезневки. Спектрорадиометрические измерения проводились на поверхности антропогенных объектов - карьеров, сложенных разными горными породами, на вырубках леса и в природном заказнике Ламин-Суо и фоновых участках. Были взяты образцы почв на предмет анализа почвенной микрофауны, пробы воды из ближайших к потенциально опасным объектам водотоков на предмет наличия загрязняющих веществ.
В целом, кривые спектрального отражения, полученные при помощи измерений PSR1100 для растительности, послужили эталонами спектральных значений с целью объективизации информации, извлекаемой при дешифрировании материалов дистанционного зондирования. Полученные значения спектральных яркостей растений, почвенных образцов позволяют автоматизировать процесс распознавания экосистем по данным космической съемки.
Спектры 9 типов поверхностей исследованных карьеров соответствуют песчано-гравийным смесям горных пород различного гранулометрического состава, и они включены в библиотеку спектральных образов и используются для распознавания карьеров при идентификации поверхностей по данным спутникового зондирования.
В настоящее время на исследуемых территориях активно ведется разработка открытым способом песка, щебеня и других нерудных материалов. Часть незаконных карьеров по добыче строительного песка расположена с нарушением водного, лесного и природоохранного законодательства РФ. Вблизи заброшенных карьеров по данным дистанционного зондирования часто наблюдаются изменения гидрогеологического режима территорий и невыполнение мероприятий рекультивации. В этом случае, так же как и при несанкционированных вырубках леса, возникает угроза заболачивания и развития эрозионных процессов на территории анализируемых водосборов. При этом, в заболоченных территориях возникает угроза коррозии техногенных конструкций, например, действующих газо- и нефтепроводов.
Заброшенные карьеры представляют и другую опасность, связанную с наличием подъездных дорог, то есть доступностью для свалок мусора. Особую опасность представляют несанкционированные дикие свалки, куда могут попасть отходы, содержащие чрезвычайно опасные токсичные вещества, за размещение которых на специальном полигоне взымается большая плата. Контроль заброшенных карьеров и вырубок леса и прогноз состояния водосборных территорий на основе составления карт антропогенной нагрузки являются конечными целями проведенного эшелонированного мониторинга территорий заданных водосборов.
Научно-исследовательские работы по тематике мониторинга подстилающих поверхностей проводятся в ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» с 2017 год по Госзаданию Министерства науки и высшего образования РФ (№5.9698.2017) и с 2019 года - в рамках Программы приграничного сотрудничества South-East Finland - Russia CBC Programme 2014-2020 (Юго-Восточная Финляндия - Россия 2014-2020).