РЕЗУЛЬТАТ МОНИТОРИНГА ОЗЕРА БАЙКАЛ ПО КОСМИЧЕСКИМ СНИМКАМ
РЕЗУЛЬТАТ МОНИТОРИНГА ОЗЕРА БАЙКАЛ ПО КОСМИЧЕСКИМ СНИМКАМ
Аннотация
В статье приведены результаты мониторинга береговой линии озера Байкал в районе устья реки Тыя (бухта Сеногда) и устья реки Слюдянка по космическим снимкам. Описаны проблемы данных районов, которые заключаются в интенсивном развитии водорослей спирогиры. Представлены результаты экспериментов по мониторингу. Выполнен расчет индексных изображений и проанализированы значения индексов на загрязненной территории. Выявлено наличие водорослей в указанных районах и отмечена тенденция по увеличению их концентрации. Данные, полученные в результате экспериментов, подтверждены информацией из открытых источников. Сделан вывод об эффективности применения индексных изображений при выявлении результатов негативного влияния на объекты гидрографии, а также о том, что для данных целей достаточно трех стандартных спектральных каналов (R, G, B).
1. Введение
Актуальность данного исследования заключается в том, что в озере Байкал содержится 20% мировых запасов пресной воды, а антропогенное воздействие путем выбросов отходов жизнедеятельности человека, турбаз и очистных сооружений негативно влияют на экологическую ситуацию озера. Использование данных дистанционного зондирования позволяет оценить динамику негативных изменений состояния озера, что предоставит возможность устранить причину экологической проблемы и частично заменить полевые исследования.
Как известно, на участках залив Листвяничный, побережье Северного Байкала (участок бухта Сеногда – устье р. Тыя) и Байкальск происходит массовое распространение спирогиры, которая захватила около 60% мелководья Байкала. Данная водоросль не только угрожает другим водорослям в водах Байкала, но и захватывает прибрежную зону, которая регулярно покрывается слоем отмерших водорослей.
По подсчетам ученых, сырая биомасса гнилых водорослей на данном участке может достигать 90 килограмм на квадратный метр. Основными причинами распространения является попадание в озеро отходов жизнедеятельности человека, которыми водоросль и питается, а также очистные сооружения, попадающие в стоки из железнодорожного депо, а оттуда идут прямо в байкальскую воду , , , .
Современное развитие данных дистанционного зондирования Земли, их доступность и оперативность получения активно используются в различных сферах деятельности человека. Документальность и независимость получаемой информации, позволяют получать достоверные сведения об объектах земной поверхности их метрических и качественных характеристиках. Снимки не заменят данные полевых обследований, но существенно сократят объем работ и незаменимы в труднодоступных районах.
Цель данного исследования – мониторинг береговой линии озера Байкал по космическим снимкам, с целью обнаружения массового распространения водорослей спирогиры.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- выполнить расчет индексных изображений (индекс мутности и концентрации хлорофилла) по временному ряду космических снимков;
- выявить значения индексов, соответствующие наличию водорослей в воде;
- осуществить анализ результатов;
- сформулировать выводы и рекомендации.
2. Методы и принципы исследования
Космические снимки для выполнения работы были получены съемочной системой Sentinel-2 на даты 22.06.2017, 17.07.2018, 17.06.2019, 06.07.2020 и 12.06.2021. Территория исследования – устье реки Тыя (бухта Сеногда) и устье реки Слюдянка.
Как показывают многочисленные исследования , , , , эффективным инструментом для оперативного мониторинга воздействия негативных факторов на окружающую среду, по данным дистанционного зондирования Земли, является использование индексных изображений. Формулы расчета индексов основаны на особенностях зависимости коэффициентов спектральной яркости от диапазона спектра. Выделяют вегетационные, почвенные, водные и другие индексы.
Существует множество различных индексов, одними из самых распространенных являются нормализованный вегетационный индекс NDVI для определения состояния наземной растительности и нормализованный разностный индекс воды NDWI для обнаружения водных объектов .
Индекс NDVI рассчитывается по формуле
где NIR – канал ближнего инфракрасного спектра отражения;
RED – канал красного диапазона видимого спектра отражения.
Индекс NDWI рассчитывается по формуле
где SWIR – дальний инфракрасный канал.
Для выявления взвесей в водоемах, часто, используют индекс мутности (Mut). Данный индекс показывает помехи в прохождении света через толщу воды, вызванные взвешенными материалами. Чем больше количество всех взвешенных твердых частиц в воде, тем выше измеренная мутность. Она включает в себя грязь, осадок, чрезмерный рост водорослей, фитопланктона, глины и ила, может быть вызвана стоком земель, загрязнением и эрозией береговой линии.
Индекс мутности Mut рассчитывается по формуле
где BLUE – синий канал видимого спектра;
GREEN – зелёный канал видимого спектра.
Для определения развития фитопланктона и высших водных растений применяется индекс концентрации хлорофилла. Максимальные значения которого соответствуют участкам, занятым зарослями водных растений, это свидетельствует о том, что на данной территории происходит обильное развитие фитопланктона, что является главной причиной повышенной мутности.
Индекс концентрации хлорофилла Hlor рассчитывается по формуле
3. Основные результаты
Рисунок 1 - Индексное изображение мутности 22 июня 2017
Рисунок 2 - Индексное изображение концентрации хлорофилла 22 июня 2017
Рисунок 3 - Результат выявления водорослей (желтым) на основе значений индекса мутности (устье реки Тыя 6 июля 2020)
На основе полученных индексных изображений были определены максимальные, средние и минимальные значения индексов на указанной территории в период с 2017 по 2021 года. Графики изменения значений индексов представлены на рис. 4–6.
Рисунок 4 - График изменения значений индекса мутности в период с 2017 по 2021 года
Рисунок 5 - График изменения значений индекса концентрации хлорофилла в период с 2017 по 2021 года
Рисунок 6 - График изменения средних значений индексов мутности и концентрации хлорофилла в период с 2017 по 2021 года
4. Заключение
Таким образом, исследования показали, что для выявления водорослей в воде и их развития в разные периоды времени, для оперативного экологического мониторинга эффективно использовать данные дистанционного зондирования Земли. В данной работе использовались снимки, полученные съемочной системой Sentinel-2 с пространственным разрешением 10 м. Это накладывает ограничения на точность и подробность получаемых данных. Так как в ходе экспериментов использовались только два индекса (мутности и концентрации хлорофилла), где задействованы данные из трех диапазонов спектра (синий, зеленый, красный), то это существенно расширяет ассортимент данных дистанционного зондирования. А соответственно, есть возможность применять снимки высокого и сверхвысокого пространственного разрешения, что позволит повысить детальность и точность выявления влияния различных факторов на компоненты окружающей среды.
Кроме того, как показывают результаты, с помощью мероприятий по очистке береговой зоны, можно уменьшить размножение нитчатых водорослей спирогиры и сохранить древнейший источник питьевой воды. Помимо очистки береговой зоны, размножение можно предотвратить, перестав сливать в озеро загрязненные стоки. Жителям и туристам необходимо соблюдать чистоту при отдыхе на берегу Байкала, а также не использовать фосфорсодержащие моющие средства, действующие как удобрения для спирогиры.
Жителям и туристам необходимо соблюдать чистоту при отдыхе на берегу Байкала, а также не использовать фосфорсодержащие моющие средства, действующие как удобрения для спирогиры.