Оценка информативности спектральных каналов красной, ближней инфракрасной области спектра и индекса NDVI для характеристики влажности субстратов напочвенных покровов арктических тундр

Изменение влажности грунтов и субстратов напочвенных покровов (НП) арктических тундр, обусловленное нарушением условий поверхностного стока при строительстве объектов в криолитозоне, относится к числу основных причин активизации опасных геокриологических процессов, таких как термокарст, термоэрозия, заболачивание, подтопление, морозное пучение и др. Своевременное выявление участков изменения влажности почв и грунтов вблизи технических объектов позволяет проводить превентивные инженерно-геологические мероприятия, снижающие риск возникновения аварийных ситуаций. Необходимая детальность наблюдений может быть обеспечена космическими снимками сверхвысокого пространственного разрешения (КСВР) оптического диапазона. В то же время возможности использования КСВР для этих целей изучены не в полной мере, что связано, в первую очередь, с недостатком сведений о вариациях спектральных характеристик типичных тундровых НП при изменении влажности их субстратов.
В докладе приведены результаты экспериментальных исследований вариаций коэффициентов спектральной яркости (КСЯ) на длинах волн 630, 800 нм и индекса NDVI образцов типичной низкорослой смешанной мохово-кустарничково-травянистой и моховой растительности разной толщины, а также супесчаного грунта при изменении объемного содержания влаги в субстрате и грунте. По результатам наблюдений установлено, что для образца низкорослой смешанной растительности при повышении влажности субстрата рост индекса NDVI связан с более интенсивным снижением КСЯ в канале 630 нм по сравнению со снижением КСЯ в канале 800 нм. Для образца мохового НП при повышении влажности субстрата отмечается рост индекса и КСЯ на длине волны 800 нм и снижение КСЯ на длине волны 630 нм, что характерно для растительности с относительно высоким содержанием хлорофилла. При повышении влажности открытого супесчаного грунта КСЯ его поверхности в обоих каналах и индекс NDVI снижаются. Анализ чувствительности параметров к изменению влажности показал, что для участков открытых грунтов и/или композитов с растительностью со значением индекса NDVI меньше 0,35 для характеристики влажности субстрата и грунта более информативным может быть канал ближней инфракрасной (ИК) области (800 нм). КСЯ в красном канале (630 нм) также информативен для характеристики влажности субстрата, но менее чувствителен, однако, в отличие от КСЯ в ближней ИК области и индекса NDVI, однонаправлено меняется при изменении влажности грунта и субстрата каждого из образцов растительности, независимо от значений индекса NDVI.
На примере территории Южно-Тамбейского газоконденсатного месторождения (арктическая зона, восточный берег п-ова Ямал) с использованием индексов NDWI и LST, рассчитанных по данным спутников Landsat и применяемых для характеристики влажности растительности и НП, оценивалась информативность КСЯ в красной, ближней ИК области и индекса NDVI, как индикаторов влажности субстратов и грунтов. Установлено, что при значениях индекса NDVI более 0,32 его вариации, а также вариации КСЯ в красной области имеют высокие значения коэффициента корреляции с вариациями NDWI и LST. В целом, полученные результаты свидетельствуют о возможности использования индекса NDVI, а также спектральных каналов красной и ближней ИК области спектра для характеристики влажности субстратов и грунтов арктических тундр, в том числе по КСВР. В то же время достоверность обнаружения изменений влажности, в том числе на участках обнаженных грунтов, разреженной растительности и их композитов, может быть повышена при комплексной интерпретации изменений индекса NDVI и КСЯ в красной и ближней ИК области спектра.
Работа выполнена в рамках проекта «Экологическая и промышленная безопасность при освоении нефтегазовых ресурсов Арктики» программы Президиума РАН «Поисковые и фундаментальные научные исследования в интересах развития Арктической зоны РФ».