Материалы 17-й Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, ИКИ РАН, 2019 год

(http://conf.rse.geosmis.ru)

Метод дистанционного контроля нарушенности в процедурах обнаружения и мониторинга антропогенного воздействия на растительность

Саворский В.П. (1,2), Горный В.И. (3), Лупян Е.А. (2), Панова О.Ю. (1,2), Константинова А.М. (2), Ермаков Д.М. (1), Захаров А.И. (1)
(1) Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал (ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН), Фрязино, Московская обл., Россия
(2) Институт космических исследований РАН, Москва, Россия
(3) Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН, Санкт-Петербург, Россия
Антропогенное воздействие на окружающую среду в результате сельскохозяйственной, промышленной, военной и горнодобывающей деятельности формируют значительные, в том числе, глобальные экологические вызовы. Традиционные полевые и лабораторные методы обнаружения и мониторинга последствий такого воздействия включают, как правило, дорогостоящие и трудоемкие мероприятия. Полезной альтернативой для обнаружения антропогенного воздействия и устранения его последствий являются методы аэрокосмического мониторинга. Мультиспектральные системы наблюдения, установленные на аэрокосмических носителях, в настоящее время успешно используются для спектрального и морфологического анализа нарушенности растительного покрова, а гиперспектральные системы, наряду с этим, позволяют определять состав загрязнителей по их спектральным особенностям (Sloneker et al., 2010).
Растительность, произрастающая на антропогенно измененных территориях, как показано в работе (Косицин, Алексеева-Попова, 1983), как правило, характеризуется сильно выраженной внутривидовой дифференциацией по устойчивости к загрязнителям. Анализ результатов влияния загрязнителей на физиологические процессы растений позволяют выделить основные механизмы этого влияния (см., например, обзор (Титов и др., 2014)), в том числе на 1) рост, 2) развитие, 3) фотосинтез, 4) дыхание, 5) водный обмен. Эти факторы влияния формируют основные признаки нарушенности вегетационного покрова для данного вида растений.
Обнаружение признаков нарушенности растительного покрова по данным дистанционных спутниковых наблюдений является, как показывают результаты проведенных исследований (Горный и др., 2011; Горный и др., 2013; Толпин и др., 2014; Калабин и др., 2016; Крицук и др., 2016; Саворский и др., 2018; Захаров, 2018), установленным фактом. Однако, данные признаки в общем случае сложно выделить на фоне сезонных вариаций спектральных характеристик растительных покровов, вызванных естественной межгодовой температурно-влажностной изменчивостью условий роста и развития растений. В связи с этим целью данной работы является разработка методического подхода, обеспечивающего обнаружение и мониторинг по данным дистанционных наблюдений нарушенности растительного покрова, вызванных антропогенной активностью, на фоне естественной сезонной и межгодовой изменчивости его параметров является. Следует отметить, наряду с обнаружением нарушенности развиваемый подход позволяет также улучшить надежность обнаружения (различения) двух участков, занятых различной, но близкой по своим спектральным характеристикам, растительностью, что важно, в частности, для использования данного подхода в задачах выявления случаев незаконного земледелия
Основной мерой для повышения надежности регистрации признаков нарушенности в предлагаемом подходе является выбор опорного участка растительности, идентичной по своим таксономическим характеристикам растительности на контролируемом участке, произрастающим в сходных с погодно-климатических условиях и не подверженных (в отличие от контролируемого участка) воздействию вредного агента. Это условие выполняется при выборе опорного участка выше по потоку основного атмосферного переноса, т.е. выше по преимущественному направлению розы ветров, и выше по речному стоку относительно источника загрязнения. Кроме того, для повышения надежности разрабатываемый метод предполагает наряду с текущими оценками нарушенности по признакам отклонений в интенсивности фотосинтеза, дыхания и водного обмена (Горный и др., 2011; Горный и др., 2013), также оценивать их среднесезонный значения, а также применять сезонные фенологические профили (Саворский и др., 2018) и мультисезонные кумулятивные значения, в частности, для оценки общей биомассы наблюдаемого растительного покрова (Захаров, 2018).
При реализации развиваемого подхода максимально использованы и дополнены существующие ресурсов и разработаны новые информационные инструменты спутникового сервиса «ВЕГА» (Толпин и др., 2014; Лупян и др., 2015; Кашницкий и др., 2016), а именно:
1) база объектов контроля антропогенного влияния (карьеры, отвалы, хвостохранилища, регионы с необходимостью контроля незаконного растениеводства)
2) база объектов контроля районов возможного незаконного растениеводства,
3) описания опорных участков растительности с заданной (максимально чувствительной к загрязнителю) таксономией, не подверженных (в отличие от контролируемого участка) воздействию вредного агента, и гарантированным с учетом розы ветров в точках возможного антропогенного воздействия,
4) контролируемые участки растительности с заданной (максимально чувствительной к загрязнителю) таксономией, подвергаемых (предположительно) воздействию вредного агента
5) коллекция многолетних спутниковых наблюдений по контролируемом и опорным участкам
4) автоматизированные инструменты, обеспечивающие контроль роста, развития, фотосинтеза, дыхания, и водного обмена растительного покрова по данным дистанционного мониторинга
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 16-29-09615 офи_м, 18-29-24121 мк c использованием ресурсов ЦКП «ИКИ-Мониторинг» (Лупян и др., 2015, Лупян и др., 2019 )

Ключевые слова: растительный покров, нарушенность, контроль загрязнения, опорная коллекция
Литература:
  1. Горный В.И., Крицук С.Г., Латыпов И.Ш. Термодинамический подход для дистанционного картографирования нарушенности экосистем. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. №2. С. 179-194.
  2. Горный В.И., Крицук С.Г., Латыпов И.Ш., Храмцов В.Н. Верификация крупномасштабных карт термодинамического индекса нарушенности экосистем // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10. № 4. С. 201–212.
  3. Захаров А.И., Саворский В.П., Захарова Л.Н. Исследование влияния метеоявлений на радиолокационные изображения растительных покровов Подмосковья. Тезисы докладов на 16-й Всероссийской открытой научной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», 12–16 ноября 2018 г., ИКИ РАН, Москва
  4. Калабин Г.В., Горный В.И., Давидан Т.А., Крицук С.Г., Тронин А.А. Реакция тундровой экосистемы на снятие техногенной нагрузки со стороны рудника «Валькумей» // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2018. № 2. C. 146-153.
  5. Кашницкий А.В., Лупян Е.А., Балашов И.В., Константинова А.М. Технология создания инструментов обработки и анализа данных свехбольших распределенных спутниковых архивов // Оптика атмосферы и океана. 2016. Т. 29. № 9. С. 772–777.
  6. Косицин А.В., Алексеева-Попова Н.В. Действие тяжелых металлов на растения и механизмы металлоустойчивости // Растения в экстремальных условиях минерального питания. Л.: Наука, 1983. C. 5–22.
  7. Крицук С.Г., Горный В.И., Латыпов И.Ш. Повышение детальности спутникового картографирования теплофизических характеристик земной поверхности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 5. С. 277–290.
  8. Лупян Е.А., Прошин А.А., Бурцев М.А., Балашов И.В., Барталев С.А., Ефремов В.Ю., Кашницкий А.В., Мазуров А.А., Матвеев А.М., Суднева О.А., Сычугов И.Г., Толпин В.А., Уваров И.А. Центр коллективного пользования системами архивации, обработки и анализа спутниковых данных ИКИ РАН для решения задач изучения и мониторинга окружающей среды // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12. № 5. С. 263–284.
  9. Лупян Е.А., Прошин А.А., Бурцев М.А., Кашницкий А.В., Балашов И.В., Барталев С.А., Константинова А.М., Кобец Д.А., Мазуров А.А., Марченков В.В., Матвеев А.М., Радченко М.В., Сычугов И.Г., Толпин В.А., Уваров И.А. Опыт эксплуатации и развития центра коллективного пользования системами архивации, обработки и анализа спутниковых данных (ЦКП «ИКИ-Мониторинг») // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 3. С. 151-170.
  10. Саворский В.П., Панова О.Ю., Савченко Е.В. Методы анализа данных спутникового мониторинга растительных ареалов для выявления участков незаконного земледелия при проведении специальных экспертиз // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. №5. С. 13–30.
  11. Титов А.Ф., Казнина Н.М., Таланова В.В. Тяжелые металлы и растения. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2014. 194 с.
  12. Толпин В.А., Лупян Е.А., Барталев С.А., Плотников Д.Е., Матвеев А.М. Возможности анализа состояния сельскохозяйственной растительности с использованием спутникового сервиса «ВЕГА» // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27. № 07. С. 581-586.
  13. Slonecker T., Fisher G.B., Aiello D.P., Haack B. Visible and Infrared Remote Imaging of Hazardous Waste: A Review // Remote Sensing, 2010, vol.2, No.11. pp.2474-2508; doi:10.3390/rs2112474.

Презентация доклада

Методы и алгоритмы обработки спутниковых данных

60