Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2024. Т. 21. № 1. С. 308-322
Комплексный мониторинг озёр Центрального Ямала на основе использования многоспектральных данных
А.В. Пузанов
1 , Г.И. Дрост
2 , В.В. Кириллов
1 , О.В. Ловцкая
1 , Д.Н. Балыкин
1 , М.И. Ковешников
1 , О.Б. Акулова
1 , К. Тешебаева
3 , Л.А. Хворова
4 , А.В. Кульшин
4 , А.В. Котовщиков
1 , Н.М. Ковалевская
1 1 Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул, Россия
2 Национальный институт управления водными ресурсами, Лелистад, Нидерланды
3 Свободный университет Амстердама, Амстердам, Нидерланды
4 Алтайский государственный университет, Барнаул, Россия
Одобрена к печати: 02.02.2024
DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-1-308-322
Работа посвящена мониторингу и картированию термокарстовых озёр на основе использования многоспектральной спутниковой информации. Описываются детали эволюции озёр Центрального Ямала, полученные с помощью классификации и учёта качественных изменений состояния озёр за последние десятилетия. Для анализа и интерпретации снимков в контексте качественных характеристик водных объектов и распознавания образов был использован временной ряд (1984–2018) многозональных космических снимков Landsat обучающего участка Центрального Ямала (район Бованенково). Оказалось, что для Ямала характерны как заиливающиеся озёра в пульсирующей форме (с циклами заиливания или высокого заиливания — прозрачные, умеренно заиленные, заиленные), так и постоянно заиленные озёра (умеренно заиленные, заиленные, высоко заиленные). Для получения параметров качества воды и первичных гидрооптических характеристик использовались полевые данные и снимки Sentinel-2 (2018–2019). Исследования показали, что определяющей характеристикой термокарстовых озёр Ямала является концентрация взвешенных веществ: классы озёр, различимые на многозональных снимках по яркостным признакам, также различаются по диапазонам концентрации взвешенных веществ. В качестве дополнительного результата было выявлено, что основными рассеивателями (источниками «белых частиц») термокарстовых озёр Центрального Ямала являются ил, глины и минералы, которые увеличивают отражательную способность воды из-за высокого уровня рассеяния и сравнительно низкого уровня поглощения. Для получения детальных результатов, включающих диапазоны изменений всех возможных водных параметров, потребуется создание специальной арктической биооптической базы данных.
Ключевые слова: термокарстовые озёра, Ямал, Landsat, анализ и интерпретация снимков, Sentinel-2, водные процессоры
Полный текстСписок литературы:
- Веремеева А. А. Формирование и современная динамика озерно-термокарстового рельефа тундровой зоны Колымской низменности по данным космической съемки: дис. … канд. геогр. наук. Пущино, 2017. 134 с.
- Кирпотин С. Н., Полищук Ю. М., Брыксина Н. А. Динамика площадей термокарстовых озер в сплошной и прерывистой криолитозонах Западной Сибири в условиях глобального потепления // Вестн. Томского гос. ун-та. 2008. № 311. С. 185–189.
- Кравцова В. И., Быстрова А. Г. Изменение размеров термокарстовых озер в различных районах России за последние 30 лет // Криосфера Земли. 2009. Т. 13. № 2. С. 16–26.
- Кудрявцев В. А. О термокарсте // Вопросы физической географии полярных стран: сб. Вып. 1 / под ред. В. Г. Богорова. М.: Изд-во МГУ, 1958. С. 101–106.
- Марр Д. Зрение: Информационный подход к изучению представления и обработки зрительных образов / пер. с англ. Н. Г. Гуревич; под ред. И. Б. Гуревича. М.: Радио и связь, 1987. 400 с.
- Соловьев П. А. Аласный термокарстовый рельеф Центральной Якутии: Путеводитель. Якутск: ИМЗ СО АН СССР, 1973. 47 с.
- Томирдиаро C. B. Физика озерного термокарста в полярных низменностях и в Антарктиде и криогенная переработка грунтов // Колыма. 1965. № 7. С. 30–34. № 8. С. 36–40. № 10.
- Томирдиаро С. В. Эволюция озерно-термокарстовых ландшафтов на равнинах Восточной Сибири и динамика подземного оледенения // Палеогеографические аспекты изменения природных условий Сибири и Дальнего Востока. Новосибирск, 1969. С. 65–67
- Томирдиаро C. B., Рябчун В. К. Озерный термокарст на Нижне-Анадырской низменности // Докл. 2-й Международ. конф. по мерзлотоведению. Якутск, 1973. C. 58–67.
- Andresen C. G., Lougheed V. L. Disappearing Arctic tundra ponds: Fine-scale analysis of surface hydrology in drained thaw lake basins over a 65 year period (1948–2013) // J. Geophysical Research: Biogeosciences. 2015. V. 120. P 466–479. DOI: 10.1002/2014JG002778.
- Baraldi A. Pre-processing, classification and semantic querying of large-scale Earth observation spaceborne/airborne/terrestrial image databases: Process and product innovations: Doctoral Thesis. Naples, 2017. 519 p. DOI: 10.13140/RG.2.2.25510.52808.
- Billings W. D., Peterson K. M. Vegetational change and ice-wedge polygons through the thaw-lake cycle in arctic Alaska // Arctic and Alpine Research. 1980. V. 12. No. 4. P. 413–432.
- Brockmann C., Doerffer R., Peters M., Kerstin S., Embacher S., Ruescas A. Evolution of the C2RCC Neural Network for Sentinel 2 and 3 for the Retrieval of Ocean Colour Products in Normal and Extreme Optically Complex Waters // Proc. Living Planet Symp. 9–13 May 2016, Prague, Czech Republic / ed. L. Ouwehand. ESA Special Publication. 2016. V. 740. P. 54–60.
- Brumberger H., Stein R. S., Powell R. Angular patterns of scattered intensity for three basic particle sizes // Light Scattering, Science and Technology. 1968. November. P. 38–42.
- Cabot E. C. The northern Alaskan coastal plain interpreted from aerial photographs // Geographical Review. 1947. V. 37. No. 4. P. 639–648. DOI: 10.2307/211190.
- Carroll M. L., Townshend J. R. G., DiMiceli C. M. et al. Shrinking lakes of the Arctic: Spatial relationships and trajectory of change // Geophysical Research Letters. 2011. V. 38(20). Article L20406. DOI: 10.1029/2011GL049427.
- Chebud Y., Naja G., Rivero R., Melesse A. Water Quality Monitoring Using Remote Sensing and an Artificial Neural Network // Water, Air, and Soil Pollution. 2012. V. 223. P. 4875–4887.
- Doeffer R., Schiller H. The MERIS Case 2 water algorithm // Intern. J. Remote Sensing. 2007. V. 28. P. 517–535. DOI: 10.1080/01431160600821127.
- Doxaran D., Froidefond J.-M., Castaing P. Remote-Sensing Reflectance of Turbid Sediment-Dominated Waters. Reduction of Sediment Type Variations and Changing Illumination Conditions Effects by Use of Reflectance Ratios // Applied Optics. 2003. V. 42(15). P. 2623–2634. DOI: 10.1364/ao.42.002623.
- Hinkel K. M., Eisner W. R., Bockheim J. G. et al. Spatial extent, age, and carbon stocks in drained thaw lake basins on the Barrow Peninsula, Alaska // Arctic, Antarctic, and Alpine Research. 2003. V. 35(3). P. 291–300. DOI: 10.1657/1523-0430(2003)035[0291:SEAACS]2.0.CO;2.
- Hopkins D. Thaw lakes and thaw sinks in the Imuruk Lake area, Seward Peninsula, Alaska // J. Geology. 1949. V. 57. No. 2. P. 119–131. DOI: 10.1086/625591.
- Jones B., Grosse G., Arp C. et al. Modern Thermokarst Lake Dynamics in the Continuous Permafrost Zone, Northern Seward Peninsula, Alaska // J. Geophysical Research Biogeosciences. 2011. V. 116. Article G00M03. DOI: 10.1029/2011jg001666.
- Kondratyev K. Ya., Pozdnyakov D. V., Pettersson L. H. Water quality remote sensing in the visible spectrum // Intern. J. Remote Sensing. 1998. V. 19. No. 5. P. 957–979. DOI: 10.1080/014311698215810.
- Kratzer S., Kyryliuk D., Brockmann C. Inorganic suspended matter as an indicator of terrestrial influence in Baltic Sea coastal areas — Algorithm development and validation, and ecological relevance // Remote Sensing of Environment. 2020. V. 237. Article 111609. DOI: 10.1016/j.rse.2019.111609.
- Morel A., Prieur L. Analysis of variations in ocean color // Limnology and Oceanography. 1977. V. 22. No. 4. P. 709–722. DOI: 10.4319/lo.1977.22.4.0709.
- Mueller J. L., Austin R. W. Ocean optics protocols for SeaWiFS validation, revision 1 // Oceanographic Literature Review. 1995. V. 42. No. 9. P. 805.
- Olthof I., Fraser R. H., Schmitt C. Landsat-based mapping of thermokarst lake dynamics on the Tuktoyaktuk Coastal Plain, Northwest Territories, Canada since 1985 // Remote Sensing of Environment. 2015. V. 168. P. 194–204. DOI: 10.1016/j.rse.2015.07.001.
- Pestryakova L. A., Herzschuh U., Wetterich S., Ulrich M. Present-day variability and Holocene dynamics of permafrost-affected lakes in central Yakutia (Eastern Siberia) inferred from diatom records // Quaternary Science Reviews. 2012. V. 51. P. 56–70. DOI: 10.1016/j.quascirev.2012.06.020.
- Plug L. J., Walls C., Scott B. M. Tundra lake changes from 1978 to 2001 on the Tuktoyaktuk Peninsula, western Canadian Arctic // Geophysical Research Letters. 2008. V. 35. Iss. 3. Article L03502. DOI: 10.1029/2007GL032303.
- Ray R. G. Aerial photographs in geologic interpretation and mapping. Report USGS Numbered Series. U. S. Govt. Print. Off., 1960. 230 p. DOI: 10.3133/pp373.
- Riordan B., Verbyla D., McGuire A. D. Shrinking ponds in subarctic Alaska based on 1950–2002 remotely sensed images // J. Geophysical Research. 2006. V. 111. Article G04002. DOI: 10.1029/2005JG000150,2006/2005JG000150.
- Roy-Léveillée P. Permafrost and thermokarst lake dynamics in the Old Crow Flats, northern Yukon, Canada: Doctoral Thesis. Ottawa, Canada: Carleton University, 2014. 224 p. DOI: 10.13140/RG.2.1.1542.1527.
- Schiller H., Doerffer R. Neural network for emulation of an inverse model – operational derivation of case II water properties from MERIS data // Intern. J. Remote Sensing. 1999. V. 20. No. 9. P. 1735–1746.
- Smith L. C., Sheng Y., MacDonald G. M., Hinzman L. D. Disappearing Arctic lakes // Science. 2005. V. 308(5727). Article 1429. DOI: 10.1126/science.1108142.
- Xing Q., Lou M., Chen C., Shi P. Using in situ and Satellite Hyperspectral Data to Estimate the Surface Suspended Sediments Concentrations in the Pearl River Estuary // IEEE J. Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2013. V. 6(2). P. 731–738. DOI: 10.1109/JSTARS.2013.2238659.