Поиск
Найти:
Подписка/отписка
на рассылку новостей
ISSN 2070-7401 (Print), ISSN 2411-0280 (Online)
Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса
физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений
и объектов

  

Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 6. С. 31-47

Методы и инструменты анализа данных ДЗЗ для выявления изменений растительного покрова, вызванных техногенными отходами и отвалами

В.П. Саворский 1, 2 , E.А. Лупян 2 , В.И. Горный 3 , Д.М. Ермаков 1, 2 , О.Ю. Панова 1, 2 , А.М. Константинова 2 
1 Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал, Фрязино, Московская обл., Россия
2 Институт космических исследований РАН, Москва, Россия
3 Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН, Санкт-Петербург, Россия
Одобрена к печати: 25.11.2019
DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-6-31-47
Воздействие опасных отходов на людей и окружающую среду в результате горнодобывающей деятельности формирует один из наиболее значительных глобальных экологических вызовов. В настоящее время этот вызов усугубляется в связи с повышением интенсивности добычи полезных ископаемых, разработкой менее богатых месторождений и переходом на разработку руд открытым способом. Это обусловлено существенным удешевлением такого способа добычи по сравнению с шахтным методом. Но при этом открытые карьеры полностью уничтожают окружающие участки ландшафта, формируя обширный кратер и различные источники техногенных отходов и отвалов (ИТОО). Эти источники зачастую включают тяжёлые металлы, кислотные осадки (растворы окислов серы), углеводороды и другие органические химические вещества. Исследование развития методов контроля состояния растительности как одного из наиболее значимых индикаторов экологической обстановки в интересах выявления влияния ИТОО на окружающую среду и составляет основную цель данной работы. В статье представлен аналитический обзор основных механизмов влияния типовых вредных выбросов ИТОО на растительные покровы и проанализированы возможные методы и подходы, позволяющие с использованием возможностей современных спутниковых систем дистанционного зондирования Земли выявить изменения в растительном покрове, вызываемые влиянием ИТОО.
Ключевые слова: спутниковые наблюдения Земли, информационные технологии, дистанционный мониторинг, лесные ресурсы, техногенные отходы и отвалы, опасные отходы
Полный текст

Список литературы:

  1. Алексеев Ю. В. Тяжелые металлы в агроландшафте. СПб.: ПИЯФ РАН, 2008. 216 с.
  2. Барталев С. А., Егоров В. А., Жарко В. О., Лупян Е. А., Плотников Д. Е., Хвостиков С. А., Шабанов Н. В. Спутниковое картографирование растительного покрова России. М.: ИКИ РАН, 2016. 208 c.
  3. Бузников А. А., Тимофеев А. А. Региональный экологический мониторинг: метод и аппаратно-программный комплекс для дистанционной оценки загрязнения индикаторных видов растительности тяжёлыми металлами // Региональная экология. 2010. № 3(29). С. 7–8.
  4. Горный В. И. Космические измерительные методы инфракрасного теплового диапазона при мониторинге потенциально опасных явлений и объектов // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2004. Т. 2. № 1. С. 10–16.
  5. Горный В. И., Крицук С. Г., Латыпов И. Ш. Термодинамический подход для дистанционного картографирования нарушенности экосистем // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 2. С. 179–194.
  6. Горный В. И., Крицук С. Г., Латыпов И. Ш., Храмцов В. Н. Верификация крупномасштабных карт термодинамического индекса нарушенности экосистем // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10. № 4. С. 201–212.
  7. Горный В. И., Крицук С. Г., Латыпов И. Ш., Тронин А. А., Киселев А. В., Бровкина О. В., Филиппович В. Е., Станкевич С. А., Лубский Н. С. Теплофизические свойства поверхности городской среды (по результатам спутниковых съемок Санкт-Петербурга и Киева) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 3. С. 51–66.
  8. Горный В. И., Киселев А. В., Крицук С. Г., Латыпов И. Ш., Тронин А. А. Термодинамический подход к спутниковому картированию накопленного экологического ущерба лесных экосистем // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 4. С. 124–136.
  9. Григорьева О. В., Дроздова И. В., Шилин Б. В. Экспериментальное обоснование возможностей видеоспектральной дистанционной индикации кратковременного стресса растительности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 7. С. 78–88.
  10. Ильин В. Б. Тяжелые металлы и неметаллы в системе «почва – растение». Новосибирск: СО РАН, 2012. 220 с.
  11. Казнина Н. М., Лайдинен Г. Ф., Титов А. Ф. Влияние кадмия на апикальные меристемы стебля растений ячменя // Онтогенез. 2006. Т. 37. № 6. С. 444–448.
  12. Казнина Н. М., Титов А. Ф., Топчиева Л. В., Лайдинен Г. Ф., Батова Ю. В. Влияние возрастных различий на реакцию растений ячменя на действие кадмия // Физиология растений. 2012. Т. 59. № 1. С. 74–79.
  13. Калабин Г. В., Евдокимова Г. А., Горный В. И. Оценка динамики растительного покрова нарушенных территорий в процессе снижения воздействия комбината «Североникель» на окружающую среду // Горный журн. № 2. 2010. C. 74–77.
  14. Калабин Г. В., Моисеенко Т. И., Горный В. И., Крицук С. Г., Соромотин А. В. Спутниковый мониторинг реакции растительного покрова на воздействие предприятия по освоению золоторудного месторождения «Олимпиада», отрабатываемого открытым способом // Физико-техн. проблемы разработки полезных ископаемых. 2013. № 1. C. 177–184.
  15. Калабин Г. В., Горный В. И., Крицук С. Г. Спутниковый мониторинг реакции растительного покрова на воздействие предприятия по освоению Сорского медно-молибденового месторождения // Физико-техн. проблемы разработки полезных ископаемых. 2014. № 1. С. 153–161.
  16. Калабин Г. В., Горный В. И., Крицук С. Г. Оценка состояния окружающей среды территории Качканарского ГОКа по данным спутникового мониторинга // Физико-техн. проблемы разработки полезных ископаемых. 2016. № 2. С. 179–187.
  17. Калабин Г. В., Горный В. И., Давидан Т. А., Крицук С. Г., Тронин А. А. Реакция тундровой экосистемы на снятие техногенной нагрузки со стороны рудника «Валькумей» // Физико-техн. проблемы разработки полезных ископаемых. 2018. № 2. C. 146–153.
  18. Косицин А. В., Алексеева-Попова Н. В. Действие тяжелых металлов на растения и механизмы металлоустойчивости // Растения в экстремальных условиях минерального питания. Л.: Наука, 1983. C. 5–22.
  19. Крицук С. Г., Горный В. И., Калабин Г. В., Латыпов И. Ш. Закономерности сезонных циклов вегетационного индекса экосистем в районе Сорского горно-металлургического комплекса // Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса. 2013. Т. 10. № 1. С. 228–237.
  20. Крицук С. Г., Горный В. И., Латыпов И. Ш. Повышение детальности спутникового картографирования теплофизических характеристик земной поверхности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 5. С. 277–290.
  21. Кузнецов Вл. В., Дмитриева Г. А. Физиология растений: учеб. М.: Высш. шк., 2006. 742 с.
  22. Лупян Е. А., Прошин А. А., Бурцев М. А., Балашов И. В., Барталев С. А., Ефремов В. Ю., Кашницкий А. В., Мазуров А. А., Матвеев А. М., Суднева О. А., Сычугов И. Г., Толпин В. А., Уваров И. А. Центр коллективного пользования системами архивации, обработки и анализа спутниковых данных ИКИ РАН для решения задач изучения и мониторинга окружающей среды // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12. № 5. С. 263–284.
  23. Лупян Е. А., Прошин А. А., Бурцев М. А., Кашницкий А. В., Балашов И. В., Барталев С. А., Константинова А. М., Кобец Д. А., Мазуров А. А., Марченков В. В., Матвеев А. М., Радченко М. В., Сычугов И. Г., Толпин В. А., Уваров И. А. Опыт эксплуатации и развития центра коллективного пользования системами архивации, обработки и анализа спутниковых данных (ЦКП «ИКИ-Мониторинг») // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 3. С. 151–170. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-3-151-170.
  24. Никифорова Е. М. Биогеохимическая оценка загрязнения тяжелыми металлами агроландшафтов Восточного Подмосковья // Геохим. экология и биогеохим. изучение таксонов биосферы. М.: Наука, 2003. С. 108–109.
  25. Саворский В. П., Кашницкий А. В., Константинова А. М., Балашов И. В., Крашенинникова Ю. С., Толпин В. А., Маклаков С. М., Савченко Е. В. Возможности анализа гиперспектральных индексов в информационных системах дистанционного мониторинга семейства «Созвездие-Вега» // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 3. С. 28-45.
  26. Саворский В. П., Панова О. Ю., Савченко Е. В. Методы анализа данных спутникового мониторинга растительных ареалов для выявления участков незаконного земледелия при проведении специальных экспертиз // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 5. С. 13–30.
  27. Серегин И. В., Иванов В. Б. Физиологические аспекты токсического действия кадмия и свинца на высшие растения // Физиология растений. 2001. Т. 48. № 4. С. 606–630.
  28. Создание научно-технической продукции для реализации проекта развития системы дистанционного зондирования Земли из космоса в целях природопользования и охраны окружающей среды: отчет НИЦЭБ РАН о НИР. Ч. 4: Методические рекомендации по использованию методов дешифрирования космических снимков для получения количественных характеристик состояния окружающей среды, природных и антропогенных объектов / ред. В. И. Горный. СПб.: НИЦЭБ РАН, 2006. 162 с.
  29. Титов А. Ф., Таланова В. В., Казнина Н. М., Лайдинен Г. Ф. Устойчивость растений к тяжелым металлам. Петрозаводск: Карельский науч. центр РАН, 2007. 170 с.
  30. Титов А. Ф., Казнина Н. М., Таланова В. В. Тяжелые металлы и растения. Петрозаводск: Карельский науч. центр РАН, 2014. 194 с.
  31. Barceló J., Poschenrieder C. Plant water relations as affected by heavy metal stress: A review // J. Plant Nutrition. 1990. V. 13. P. 1–37.
  32. Buttar N. A., Yongguang H., Chuan Zh., Tanny J., Ullah I., Aleem M. Height effect of air temperature measurement on sensible heat flux estimation using flux variance method // Pakistan J. Agricultural Sciences. 2019. V. 56(3). P. 793–800. DOI: 10.21162/PAKJAS/19.8120.
  33. Cleugh H. A., Leuning R., Mu Q., Running S. W. Regional evaporation estimates from flux tower and MODIS satellite data // Remote Sensing of Environment. 2007. V. 106. P. 285–304.
  34. Clevers J. G. P. W., Kooistra L., Salas A. L. Study of heavy metal contamination in river floodplains using the red-edge position in spectroscopic data // Intern. J. Remote Sensing. 2004. V. 25. P. 3883–3895.
  35. Cracknell A. P., Xue Y. Thermal inertia de-termination from space ― a tutorial review // Intern. J. Remote Sensing. 1996. V. 17. No. 3. P. 431−461.
  36. De Temmerman L., Vandermeiren K., Guns M. Effects of air filtration on spring wheat grown in open-top chambers at a rural site. I. Effect on growth, yield and dry matter partitioning // Environmental Pollution. 1992. V. 7. P. 1–5.
  37. Dirty Metals: Mining, Communities and the Environment: A Report by Earthworks and Oxfam America. 2004. 34 p.
  38. Effects of air pollution on agricultural crops in Europe. Results of the European Open-Top Chambers Project. Air Pollution Research Report 46 / eds. Jäger H. J., Unsworth M. H., de Temmerman L., Mathy P. Brussels, Commission of the European Communities, 1993.
  39. Gardner G., Sampat P. Mind over Matter: Recasting the Role of Materials in Our Lives. Worldwatch Paper 144. Worldwatch Institute, 1998. 60 p.
  40. Greger M., Ögren E. Direct and indirect effects of Cd2+ on photosynthesis in sugar beet (Beta vulgaris) // Physiologia Plantarum. 1991. V. 83. P. 129–135.
  41. Gornyy V. I., Kritsuk S. G., Latypov I. Sh. Remote Mapping of Thermodynamic Index of Ecosystem Health Disturbance // J. Environmental Protection. 2010. V. 1. P. 242–250.
  42. Imaging spectrometry / eds. Van der Meer F. D., de Long S. M. Springer, 2006. 403 p.
  43. Jorgensen J. S., Svirezhev Yu. M. Towards a Thermodynamic Theory for Ecological Systems. Oxford: Elsever, 2004. 366 p.
  44. Khudsar T., Mahmooduzzafar I. M., Sairam R. K. Zinc-induced changes in morpho-physiological and biochemical parameters in Artemisia annua // Biologia Plantarum. 2004. V. 48. No. 2. P. 255–260.
  45. Krupa S. G., Arndt U. , Dempster J. P., Manning W. J. The Hohenheim long-term experiment: Effects of ozone, sulphur dioxide and simulated acidic precipitation on Tree Species in a Microcosm // Environmental Pollution. 1990. V. 68. Iss. 3–4. P. 193–481.
  46. Lichtenthaler H. K. The stress concept in plants: an introduction // Annals of New York Academy of Sciences. 1998. V. 851. P. 187–198. URL: https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.1998.tb08993.x.
  47. Metals from the Forest. Mining and forest degradation. World Conservation Union (IUCN). World Wide Fund for Nature (WWF). Gland, Switzerland, 1999. 40 p.
  48. Mineral Commodity Summaries 2019 / U. S. Geological Survey. Reston, Virginia: 2019. 200 p. URL: https://doi.org/10.3133/70202434.
  49. Mu Q., Zhao M., Running S. W. Improvements to a MODIS global terrestrial evapotranspiration algorithm // Remote Sensing of Environment. 2011. V. 115. No. 8. P. 1781–1800.
  50. Mu Q., Zhao M., Running S. W. MODIS Global Terrestrial Evapotranspiration (ET) Product (NASA MOD16A2/A3). Algorithm Theoretical Basis Document. Collection 5. NASA Headquarters. Numerical Terradynamic Simulation Group, University of Montana, 2013. 55 p.
  51. Purdy T. L., Milton N. M., Eiswerth B. A. Spectral reflectance of vegetation in the Idaho Cobalt District; potential for exploration using remote sensing: Open-File Report 86–587 / U. S. Geological Survey. 1986. 9 p. DOI: 10.3133/ofr86587.
  52. Romanowska E., Igamberdiev A. V., Parys E., Gardeström P. Stimulation of respiration by Pb2+ in detached leaves and mitochondria of C3 and C4 plants // Physiologia Plantarum. 2002. V. 116. No. 2. P. 148–154.
  53. Running S., Mu Q., Zhao M. MOD16A2 MODIS/Terra Net Evapotranspiration 8-Day L4 Global 500m SIN Grid V006 [Data set]. NASA EOSDIS Land Processes DAAC. 2017. DOI: 10.5067/MODIS/MOD16A2.006.
  54. Savorskiy V. P., Loupian E. A., Balashov I. V., Kashnitskiy A. V., Konstantinjva A. M., Tolpin V. A., Uvarov I. A., Kuznetsov O. O., Maklakov S. M., Panova O. Yu., Savchenko E. V. Vega-constellation tools to analize hyperspectral images // Intern. Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences ― ISPRS Archives, 2016. XLI-B4. P. 235-242. DOI: 10.5194/isprs-archives-XLI-B4-235-2016.
  55. Schweizer B., Arndt U. CO2 /H2O gas exchange parameters of one and two year old needles of spruce and fir // Environmental Pollution. 1990. V. 68. P. 275–292.
  56. Slonecker T., Fisher G. B., Aiello D. P., Haack B. Visible and Infrared Remote Imaging of Hazardous Waste: A Review // Remote Sensing. 2010. V. 2. No. 11. P. 2474–2508. DOI: 10.3390/rs2112474.
  57. Steubing L., Fangmeier A. Immissionssituation der Waldbodenvegetation. Sensitivität gegenüber SO2 am natürlichen Standort // Allgemeine Forstzeitung. 1986. V. 21. P. 526–528.
  58. Steubing L. , Fangmeier A., Both R., Frankenfeld M. Effects of SO2, NO2 and O3 on population development and morphological and physiological parameters of native herb layer species in a beech forest // Environmental Pollution. 1989. V. 58. P. 281–302.
  59. Vassilev A. Physiological and agroecological aspects of cadmium interactions with barley plants: an overview // J. Central European Agriculture. 2002. V. 4. No. 1. P. 65–74.
  60. Vassilev A., Berova M., Zlatev Z. (1998a) Influence of Cd2+ on growth, chlorophyll content, and water relations in young barley plants // Biologia Plantarum. 1998. V. 41. No. 4. P. 601–606.
  61. Vassilev A., Tsonev T., Yordanov I. (1998b) Physiological response of barley plants (Hordeum vulgare L.) to cadmium contamination in soil during ontogenesis // Environmental Pollution. 1998. V. 103. P. 289–297.
  62. Villiers F., Ducruix C., Hugouvieux V., Jarno N., Ezan E., Garin J., Junot C., Bourguignon J. Investigating the plant response to cadmium exposure by proteomic and metabolomic approaches // Proteomics. 2011. V. 11. P. 1650–1663.
  63. Wang J., Xu R., Ma Y., Miao L., Cai R., Chen Yu. The research of air pollution based on spectral features in leaf surface of Ficus microcarpa in Guangzhou, China // Environmental Monitoring and Assessment. 2008. V. 42. P. 73–83. DOI: 10.1007/s10661-007-9909-6.
  64. Watson K., Rowan L. C., Offield T. V. Application of Thermal Modeling in Geologic Interpretation of IR Images // Proc. 7th Intern. Symp. Remote Sensing of Environment. Ann Arbor. Michigan, 1971. P. 2017−2041.
  65. Wollmer H., Kottke K. Fine root studies in situ and in the laboratory // Environmental Pollution. 1990. V. 68. P. 383–407.