Особенности пространственной высокочастотной фильтрации тепловых изображений ландшафтов тундровой зоны (на примере районов п-ова Ямал)

Тепловые (инфракрасные) изображения земной поверхности, полученные по данным дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) несут уникальную информацию о термодинамическом состоянии природных ландшафтов, в первую очередь, о содержании влаги в поверхностном слое. Влажность и температура поверхности (ТП) в тундровых районах Арктики и Субарктики относятся к числу важнейших параметров, характеризующих состояние и динамику геокриологических условий верхнего горизонта, в том числе признаки деградации мерзлоты, представляющей опасность для промышленных и инфраструктурных объектов (Clayton, et al., 2021; Kornienko, 2025). Основная проблема интерпретации тепловых изображений поверхности и производных от них изображений состоит в существенном влиянии случайных и неоднородных по пространству колебаний температуры воздуха, обусловленных особенностями метеоусловий на момент съемки. Одним из решений устранения этого влияния может быть пространственная высокочастотная фильтрация (ПВФ) тепловых изображений. Применение ПВФ в данном случае основано на том предположении, что размеры в несколько сот метров локальных участков опасных для технических объектов аномальных изменений ТП сопоставимы с размерами самих объектов и существенно меньше размеров аномалий, обусловленных пространственно-временными вариациями температуры воздуха. Учитывая тот факт, что ПВФ устраняет все низкочастотные составляющие теплового изображения, в том числе связанные с ландшафтными особенностями, эти методы ориентированы только на анализ состояния поверхности небольших локальных участков. Цель работы – разработка и апробация критериев для определения оптимальных параметров ПВФ тепловых изображений земной поверхности, полученных по данным со спутников Landsat для характеристики и мониторинга состояния локальных участков криогенных ландшафтов тундровой зоны в районах строительства и функционирования объектов нефтегазового комплекса.
Исследование проводилось в районе Марресаля (размеры 6 х 7 км) на западном побережье полуострова Ямал, а также в районе (размеры 8 х 9 км), расположенном ближе к центральной части полуострова на территории Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения (НГКМ). Оба района относятся к субарктической тундре со сплошным распространением многолетнемерзлых пород.
В работе использовались изображения радиационной ТП и индекса NDVI, полученные со спутников Landsat 7, 8 в конце июля и в начале августа. Для района Марресаля, характеризующегося отсутствием признаков техногенного воздействия, использовались три снимка с близкими датами съемки 2017 года, а для района Бованенковского НГКМ, включающего промышленные и инфраструктурные объекты, три снимка 2025 года. Близкие даты съемок с разницей в 7-9 дней позволяют минимизировать изменения ТП, обусловленные фенологическими фазами состояния растительного покрова, а также изменения, связанные с антропогенным воздействием. Мультивременной ряд данных Landsat за период с 2017 по 2025 год использовался для анализа изменений индекса влажности поверхности WI (Kornienko, 2025), как параметра производного от радиационной ТП.
Для выбора оптимальных размеров ячейки ПВФ были предложены два критерия: 1) – минимизация отклонений от начальных условий разницы средних значений ТП между анализируемым локальным участком и его локальным фоном; 2) – минимизация отклонений средних значений ТП между локальным фоном и общим фоном района исследований. Критерии применяются только вместе, а размер ячейки определяется путем перебора нескольких его значений до достижения оптимального сочетания минимальных отклонений по каждому из критериев. В данной работе использовались сверточные высокочастотный и низкочастотный фильтры Гаусса, представленные в программном комплексе ENVI 5.3 (Зраенко, Ровенков, 2009). За вычетом водных поверхностей и антропогенных объектов площади участков локального фона превышали площади анализируемых локальных участков в среднем в 6 раз, а площади общего фона превышали площади каждого локального фона в среднем в 10 раз. В данном случае минимальные отклонения по обоим критериям были получены для ячейки размером R=117 x 117 пикселей и не превышали пороговой чувствительности радиометра (0,4 K).
Очевидно, что при анализе разновременных тепловых изображений ПВФ не решает проблемы различий средних значений и контрастов ТП, обусловленных особенностями метеоусловий на момент съемки. В этой связи для прямого сопоставления изображений ТП, полученных в разное время могут использоваться методики относительной радиометрической нормализации (ОРН) (Kornienko, 2021). Результаты, полученные по анализируемым районам с последовательным использованием методов ПВФ и ОРН свидетельствуют о существенном снижении влияния метеоусловий на распределения ТП, что указывает на достаточно высокую эффективность их комплексного применения при решении задач мониторинга локальных участков.
Для района Бованенковского НГКМ по данным съемки со спутника Landsat в период с 2017 по 2025 годы была подготовлена серия карт распределения индекса влажности поверхности WI, как производного от распределений радиационной ТП после обработки методами ПВФ и ОРН. Анализ карт индекса WI показал аномальное повышение влажности поверхности вблизи крупного строящегося объекта, что, как правило, приводит к деградации мерзлоты и увеличению глубины сезонно-талого слоя (Que et al., 2025; Liu et al., 2025).
Работа выполнена в рамках государственного задания по теме «Повышение эффективности и экологической безопасности освоения ресурсов углеводородов шельфа и сопредельной суши арктических и субарктических регионов России в условиях меняющегося климата (№ 125020501403-7)».