Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2024. Т. 21. № 5. С. 235-248
Применение вейвлет-анализа для выявления многолетних закономерностей цветения Воронежского водохранилища по спутниковым материалам Landsat
А.А. Елисеев
1 , К.Ю. Силкин
1 1 Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия
Одобрена к печати: 10.09.2024
DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-5-235-248
По нерегулярному набору многозональных материалов спутниковой съёмки Landsat выполнен анализ пространственно-временных закономерностей «цветения» воды Воронежского водохранилища. Данный водоём целиком находится в административных пределах города-миллионника, и неблагоприятное его состояние серьёзно снижает комфортность жизнедеятельности населения. Кроме того, косвенным образом воды Воронежского водохранилища используются для питьевого водоснабжения, что грозит серьёзными проблемами для социальной сферы города. Для контроля состояния подобных объектов традиционно используется дистанционное зондирование. Предложена улучшенная формулировка трансформанты многозональных данных — нормализованного разностного альгоиндекса (англ. Normalized Difference Algae Index — NDAI), позволяющего объективно оценивать интенсивность развития фитопланктона в водоёме. Как и все подобные индексы, NDAI — это удобный инструмент для обоснованного решения того типа задач, для которых он создавался, и некоторых других. Разработана и применена система наблюдения значений NDAI, учитывающая особенности морфологии данного водного объекта, представляющего собой русловое водохранилище в виде протяжённого изгибающегося канала. Получен типичный для водохранилища сезонный ход функции NDAI за почти 40 лет наблюдений. Зафиксирован период, когда обычно Воронежское водохранилище цветёт наиболее сильно, — конец августа или начало сентября. Выполнен вейвлет-анализ многолетнего ряда значений NDAI (за вычетом сезонного тренда) для выявления в нём характерных циклических составляющих. Обнаружено, что преобладают 2- и 12-летние циклы. Предложен анализ выявленных закономерностей и осуществлена попытка кратковременного прогноза состояния Воронежского водохранилища вследствие его цветения.
Ключевые слова: Landsat, цветение воды, Воронежского водохранилище, NDAI, альгоиндекс, вейвлет-анализ, природная цикличность, прогноз
Полный текстСписок литературы:
- Анциферова Г. А., Шевырев С. Л., Кульнев В. В. и др. Эколого-санитарное состояние Воронежского водохранилища в условиях «цветения» вод по материалам 2016–2022 годов // Изв. Саратовского ун-та. Сер.: «Науки о Земле». 2023. Т. 23. № 3. С. 147–154. DOI: 10.18500/1819-7663-2023-23-3-147-154.
- Бережнова Т. А., Мамчик Н. П. Оценка состояния водных объектов в местах водопользования населения г. Воронежа // Фундам. исслед. Экология и здоровье населения. 2010. № 9. C. 115–120.
- Валяльщиков А. А., Силкин К. Ю., Кульнев В. В. Анализ экологического состояния Матырского водохранилища по данным эколого-гидрохимического и спутникового мониторинга // Вестн. Воронежского гос. ун-та. Сер.: Геология. 2014. № 1. С. 110–117.
- Елисеев А. А., Силкин К. Ю. Корреляция между данными многозональных спутниковых наблюдений и мониторингом поверхностных вод Воронежского водохранилища // Всероссийская научно-практ. конф. «Геоинформ. картографирование в регионах России»: сб. ст. 2024 (в печати).
- Кутявина Т. И., Кантор Г. Я., Ашихмина Т. Я. и др. Применение методов обработки и анализа космических снимков для изучения эвтрофированных водоёмов (обзор) // Теоретические проблемы экологии. 2020. T. 2. С. 14–25. DOI: 10.25750/1995-4301-2020-2-014-025.
- Кутявина Т. И., Рутман В. В., Ашихмина Т. Я. (2021а) Использование нормализованного относительного альгоиндекса для оценки «цветения» воды в водохранилищах Вятско-Камского Предуралья // Теоретическая и прикладная экология. 2021. № 3. С. 60–65. DOI: 10.25750/1995-4301-2021-3-060-065.
- Кутявина Т. И., Рутман В. В., Ашихмина Т. Я. (2021б) Оценка степени развития фитопланктона в крупных водохранилищах Кировской области по результатам расчёта нормализованного относительного альгоиндекса // Материалы 19-й Всероссийской научно-практ. конф. c международным участием «Биодиагностика состояния природ. и природно-техноген. систем». 2021. С. 85–88.
- Лаврова О. Ю., Соловьев Д. М., Строчков А. Я., Шендрик В. Д. Спутниковый мониторинг цветения вредоносных водорослей на Рыбинском водохранилище // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2014. Т. 11. № 3. С. 54–72.
- Петросян В. С., Анциферова Г. А., Акимов Л. М. и др. Оценка и прогноз эколого-санитарного состояния Воронежского водохранилища на 2018–2019 гг. // Экология и промышленность России. 2019. Т. 23. № 7. С. 52–56. DOI: 10.18412/1816-0395-2019-7-52-56.
- Силкин К. Ю. Методика оценки экологического состояния Воронежского водохранилища по материалам многозонального дистанционного зондирования // Вестн. Воронежского гос. ун-та. 2012. № 1. С. 220–223.
- Силкин К. Ю. Вейвлет-анализ спутниковых данных по интенсивности «цветения» водохранилищ при атомных станциях // Материалы 5-й Международ. научно-практ. конф. «Эколог. геология: теория, практика и региональные проблемы». Воронеж: Изд во «Науч. кн.», 2017. С. 300–302. EDN ZMIBUN.
- Силкин К. Ю., Кизеев А. Н. Опыт применения данных нерегулярных спутниковых наблюдений для многолетнего мониторинга благополучия фитоценозов в зонах повышенной радиационной опасности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 2. С. 84–99. DOI: 10.21046/2070-7401-2018-15-2-84-99.
- Fedorovsky O. D., Khyzhniak A. V., Tomchenko O. V. Assessing aquatic environment quality of the urban water bodies by system analysis methods based on integrating remote sensing data // Space Science and Technology. 2021. V. 27. No. 5(132). P. 11–18. DOI: 10.15407/knit2021.05.011.
- Suvichakorn A., Lemcke Ch., Schuc A. Jr., Antoine J.-P. The continuous wavelet transform in MRS / Institut de Recherche en Mathématique et Physique Université catholique de Louvain. 2011. 81 p.