Анализ характеристик озер и осушенных озерных котловин по материалам разносезонных радиолокационных съемок с разной длиной волны и поляризацией на примере Большеземельской тундры

Обилие озер – характерная ландшафтная особенность Большеземельской тундры. Они подразделяются на термокарстовые, характеризующиеся простыми округлыми очертаниями, небольшой глубиной (1,5 - 4 м), торфянистыми обрывистыми берегами и торфянистым дном, пойменные, образовавшиеся в результате отделения от русла рукавов и притоков, лагунные, расположенные на побережье, подверженные влиянию морских вод, имеющие высокую минерализацию (3600 мг/л) и хлоридно-натриевый состав воды, ледниковые и тектонические, отличающиеся четко выраженными глубокими (10-40 м) котловинами и имеющие линейно-вытянутую или изометричную форму. Как показали наши предыдущие исследования, выполненные по материалам разновременных мультиспектральных и радиолокационных (РЛ) съемок, в Большеземельской тундре отмечается тенденция высыхания (спуска) озер с образованием котловин – хасыреев, характеризующихся различной степенью обводненности и различным характером растительности. Во многих хасыреях сохранились остаточные озера. Кроме того, в летний период в некоторых озерах отмечается зарастание берегов и "цветение" воды, обусловленное размножением сине-зеленых водорослей – цианобактерий и других микроорганизмов, в одних озерах, повторяющееся из года в год, в других – наблюдающееся только в определенные годы. Часть озер загрязняется взвесями в результате антропогенной деятельности. Все эти особенности находят отражение на материалах космических съемок. Преимуществом РЛ съемок для мониторинга арктических регионов, помимо независимости от погодных условий и условий освещенности, является повышенная чувствительность к влажности и шероховатости поверхности, проникающая способность радиоволн и возможность вычисления коэффициента обратного рассеяния РЛ сигнала (σº), что позволяет провести анализ характеристик осушенных озерных котловин различного типа и возраста и ледового покрова озер, важных для хозяйственного использования территорий.
Обработка и анализ данных осуществлялись на базе ПО ERDAS Imagine, S1Tbx, находящейся в открытом доступе (на сайте http://sentinel.esa.int/), и Map Info на двух тестовых участках: участок 1 – район озера Ошкоты, где анализировались РЛ снимки ALOS PALSAR 2 (L диапазон, поляризация HH, HV, VH, VV), полученные 10.03.15 при максимальной толщине льда, и в летний период 25.08.15 (поляризация HH, HV); участок 2 – Варандей, где проводился анализ снимков ALOS PALSAR 1, 2, полученных 15.03.11 (поляризация НН), 22.07.08, 09.09.14, 26.09.14, 14.02.15, 27.09.15 (поляризация HH, HV), а также TerraSar X (X диапазон, 11.09.13, VV поляризация). Снимки ALOS PALSAR предоставлены Японским Космическим Агентством (JAXA) в рамках международных научных проектов (JAXA PI 200, 1290).
На все даты съемки и предшествующий съемке период проведен анализ метеорологических данных (температура, направление и скорость ветра, осадки, состояние поверхности и т.д.).
Анализ РЛ снимков летнего аспекта показал, что на характеристики РЛ сигнала от озер оказывают влияние главным образом особенности ветрового режима, наличие же загрязнений, зарастания и "цветения" озер не влияют на характер сигнала – озера имеют низкие значения (σº). Хасыреи, образовавшиеся в последние 25 лет, а также зарастающие кустарниками, на летних снимках L диапазона имеют высокие значения σº (светлый тон), отличающиеся благодаря разной степени рассеяния сигнала от растительности различного типа, причем наиболее четко хасыреи отражаются на изображениях перекрестной поляризации (HV, VH). Более низкие значения σº характерны для заболоченных котловин. Значения σº хасыреев и заболоченных котловин в Х и L диапазонах отличаются, что можно объяснить различной глубиной проникновения РЛ-сигнала. На зимних снимках также отмечены различия в изображении хасыреев разного типа, но лучше выделяются обводненные заболоченные котловины.
На зимних снимках часть озер характеризуется низким коэффициентом рассеяния РЛ сигнала (черный цвет), а часть более высоким (оттенки серого цвета). Работы канадских исследователей (Surdu, Duguay et al., 2014), проведенные по РЛ данным С диапазона на территории Аляски показали возможность дифференциации озер, промерзающих до дна и озер с плавающим льдом. Низкие коэффициенты рассеяния РЛ сигнала в начале ледостава указывают на наличие тонкого, относительно однородного ледяного покрова и связаны с зеркальным отражением ото льда, а в конце зимнего периода при промерзании мелких озер до дна объясняются различием в диэлектрической проницаемости льда и донных отложений и поглощением сигнала донными отложениями. Высокие коэффициенты обратного рассеяния плавающего льда связываются с различием в диэлектрической проницаемости льда и воды, а также с наличием воздушных включений и пузырьков метана, поднимающихся со дна в период формирования льда. Проведенный нами анализ рассеяния РЛ сигнала L диапазона от ледового покрова озера Ошкоты показал, что наибольшие значения коэффициента рассеяния отмечены на изображениях HH поляризации в наиболее глубокой части озера (14 м) и у берегов, где имеются заросли тростника. Сопоставление распределения характеристик РЛ сигнала с батиметрическими данными по площади и по профилям показало их высокую сходимость. Высокие значения РЛ сигнала в зимний период отмечаются также на загрязненных озерах и озерах с "цветением" воды. Из-за сильных различий в диэлектрической проницаемости на лагунных озерах с соленой водой отмечаются более низкие значения РЛ сигнала, чем на пресных озерах. Показано, что РЛ данные, полученные в разные сезоны, являются эффективным средством для мониторинга озер и спущенных озерных котловин.