Возможности технологии космических гидропостов при оценке речного стока

Водные ресурсы Центральной Азии, в частности Узбекистана в силу географических особенностей представлены трансграничными реками, к которым относится также Амударья, самая полноводная в Центральной Азии. Контроль расхода воды на таких реках является комплексной задачей, поскольку процесс получения измерений суточного стока не всегда представляется выполнимой задачей. В то же время нагрузка водопользования на трансграничные реки требует регулярного и объективного мониторинга, который может быть организован с использованием спутниковых данных. Современные спутниковые системы позволяют выполнять контроль за состоянием объектов с временным разрешением в несколько дней при включении данных с нескольких космических аппаратов.
При использовании наземных методов контроля речного стока существует ряд факторов, препятствующих объективной оценке этого показателя. Наиболее значимыми из них являются частая невозможность оперативного получения данных со станций, отсутствие этих данных или же их нерегулярность. В такой ситуации технологии ДЗЗ позволяют дополнить, а в некоторых случаях и заменить недостающие наземные измерения показателями, рассчитанными по спутниковым снимкам.
В работе рассмотрена возможность мониторинга речного стока рек в центральноазиатском регионе с привлечением данных ДЗЗ на примере Амударьи. Задача оценка состояния русла и динамики стока становится решаемой благодаря использованию технологии слежения за природными и антропогенными объектами (Константинова и др., 2021). Подход, применяемый в исследовании, основан на использовании технологии космических гидропостов, или КГП, которые представляют собой полигоны произвольной формы около водных объектов. Как правило, для мониторинга рек, необходимо устанавливать такие полигоны в виде нешироких полос перпендикулярно векторам частичных стоков реки (Mukhamedjanov et al., 2020). В пределах границ таких полигонов по спутниковому снимку могут быть рассчитаны различные показатели, в данном случае – площадь водного зеркала, рассчитанная по индексу MNDWI (modified normalized difference water index), что фактически выражает показатель ширины реки.
В качестве наземной станции в работе был выбран физический гидропост Керки, данные с которого были обработаны в совокупности с величинами площади водного зеркала около измерительного пункта. При этом использовались спутниковые изображения сканирующей аппаратуры MSI (Sentinel-2A, -2B), OLI, TIRS (Landsat-8), ETM+ (Landsat-7) (Мухамеджанов и др., 2021). Эмпирически установлено, что в непосредственной близости выше по течению от станции Керки наблюдается линейная зависимость суточных стоков и площади водной поверхности. При этом также был исследован вопрос о том, может ли подобная зависимость быть сохранена в каком-либо виде и как работают КГП различной формы и ориентации относительно расположения русла на некотором удалении от Керки. Последовательность полигонов, расположенных выше (как в данной работе) или ниже по течению реки от наземного измерительного пункта в контексте текущего исследования носит названия «сети КГП» (Мухамеджанов и др., 2021). Измерения суточного стока, полученные с Керки за 2014, 2016 и 2018 гг., были проанализированы при построении моделей на каждом шаге построения такой сети совместно с временными рядами площади водного зеркала на виртуальных полигонах за те же временные отрезки.
Модель линейной регрессии позволяет определить связь между показателями суточного стока и интегральными показателями площади водного зеркала около Керки. На каждом следующем шаге полиномиальная модель, построенная по показателям площади водной поверхности, нормированных на площадь полигона при удалении от станции, выражает устойчивость всей сети КГП в совокупности. Для межгодовой устойчивости моделей все наблюдения были разделены случайным образом на тренировочное и тестовое множества. В работе также проведены эксперименты по выявлению оптимальной формы гидропостов на каждом шаге формирования сетей КГП согласно сформированным правилам. Каждый следующий гидропост в сети выбирался из группы полигонов различной площади и ориентации, после чего по одинаковой схеме были рассчитаны показатели для каждого КГП. На основе рассчитанных показателей были сформированы требования и правила по установке виртуальных полигонов на реках.
Результаты проведенных в работе исследований позволили установить зависимость межгодовой изменчивости морфологии участков русла Амударьи и качества модели для выявления взаимосвязи двух временных рядов. Изменение гидрографической сети реки напрямую влияет на работу сети КГП, а сдвиг русла и обмеление некоторой его части заметно ухудшает качество модели, что требует либо включения параметров, нивелирующих влияние таких факторов, либо формирование более жестких требований к выбору космических гидропостов.
Технология КГП автоматизирована и интегрирована в виде ряда онлайн-инструментов анализа в специализированном сервисе спутникового мониторинга EcoSatMS (http://suvo.geosmis.ru), функционирующей на базе Центра коллективного пользования «ИКИ-Мониторинг» (http://ckp.geosmis.ru) (Лупян и др., 2019, Mukhamedjanov et al., 2020).
Функционирование системы EcoSatMS осуществляется на основе ресурсов Центра коллективного пользования "ИКИ-Мониторинг" (Лупян и др., 2015, 2019). Работа выполнена при поддержке Минобрнауки (темы «Мониторинг» госрегистрация № 01.20.0.2.00164).
Разработка специализированных инструментов анализа спутниковых данных для решения задач мониторинга водных ресурсов проводилась при поддержке проекта РФФИ - проект № 19-37-90114.