ОСОБЕННОСТИ ДЕШИФРИРОВАНИЯ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛАНДШАФТНЫХ РУБЕЖЕЙ

В СТЕПНОЙ ЗОНЕ

Р.В. Ряхов

Институт степи УрО РАН

Россия, г. Оренбург

e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

В статье рассматривается проблематика дешифрирования физико-географических рубежей с применением данных дистанционного зондирования Земли из космоса и геоинформационных технологий. Разработана методика поканального совмещения результатов автоматизированной классификации IsoDATA с целью оценки повторяемости и типологии происхождения (антропогенных, природно-антропогенных и природных) границ. Проведено наложение полученных результатов на существующие картографические материалы, отражающие ландшафтную структуру Оренбургской области.

Ключевые слова: ландшафтная структура, физико-географические рубежи, дистанционное зондирование, антропогенная фрагментация, автоматизированные классификации.

 

FEATURES OF DECORATING DISTANCE SENSING DATA FOR DETERMINING LANDSCAPE BORDERS IN STEPPE AREA

R.V. Ryakhov

Institute of Steppe of the UB RAS

Russia, Orenburg

e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

The article deals with the problem of interpreting the physical-geographical boundaries using data from remote sensing of the Earth from space and geo-information technologies. A method for channel-based combination of the results of the automated classification of IsoDATA has been developed in order to assess the repeatability and typology of the origin (anthropogenic, natural-anthropogenic and natural) boundaries. The results were superimposed on existing cartographic materials reflecting the landscape structure of the Orenburg region.

Key words: landscape structure, physiographic boundaries, remote sensing, anthropogenic fragmentation, automated classifications. 

Введение. Нарастание хозяйственного воздействия, в пределах степных регионов Российской Федерации, приводит к повсеместной деградации экосистем и снижению интенсивности потоков взаимообмена веществом и энергией. В связи с этим встает вопрос о комплексной оценке природных и антропогенных компонентов геосистем [1]. Развитие антропогенного каркаса, представляющего узловую сеть объектов расселения и соединяющие их транспортные коридоры, обуславливает фрагментарность естественных ландшафтов, их трансформацию под воздействием аграрных и техногенных факторов [2]. Это является ведущим фактором деградации геосистем и главной угрозой для корректного функционирования и сохранения биоразнообразия [3]. Основные механизмы влияния негативных факторов - островной, граничный и барьерный эффекты. В настоящее время фрагментация не учитывается при составлении правил землепользования и застройки [4]. В связи с этим встает вопрос о необходимости разработки методов пространственного анализа структурно-динамических особенностей функционирования и диверсификации факторов влияния природно-антропогенных ландшафтов на естественные геосистемы.

Проведение полевого крупномасштабного исследования влияния антропогенной фрагментации на ландшафтную структуру, крайне дорогостоящий и продолжительный процесс. Использованные в предшествующих исследованиях существующие картографические материалы, не позволяют проследить фациальные особенности геосистемы, а также оценить степень антропогенной нагрузки на территорию.  Большая часть техногенных объектов представлены либо внемасштабными знаками, либо подвержены очень сильной генерализации. При растущем применении ландшафтных карт на практике и включении их в перечни обязательных картографических материалов проектов хозяйственного использования, существует недостаточная проработанность методов и результатов геоинформационного ландшафтного картографирования [5]. Для повышения качества и снижения себестоимости ландшафтных исследований предлагается применение данных дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ) высокого пространственного разрешения. В этом случае появляется возможность визуальной оценки структурных и динамических особенностей объекта исследования, а также проведение автоматизированных математических расчетов (кластеризация, индексация, морфометрия).

Основной целью исследования стало дешифрирование ДДЗ, при помощи геоинформационных средств обработки пространственной информации, для получения объективных данных относительно расположения антропогенно-обусловленных и природно-обусловленных физико-географических рубежей, а также их генезиса и степени устойчивости влияния на ландшафтную структуру. 

Объект и методы исследования. Одной из насущных задач физической географии и ландшафтоведения является идентификация границ между элементами ландшафтных геосистем. Методы классической ландшафтной географии предполагают как полевую рекогносцировку природных рубежей, так и возможности аналогового картографирования. При полевых исследованиях применяется визуальное выделение границ – по речным долинам (при этом имеет значение соответствие ранга водотока и ранга ландшафтного комплекса), или по наличию характерных урочищ (например, встречаемость литоморфных ландшафтов – сульфатно-карстовых или грядово-меловых урочищ). При картографировании принимаются во внимание как результаты полевых исследований, так и возможность наложения различных видов тематического районирования – структурно-тектонического, инженерно-геологического, геоморфологического, климатического, гидрологического, почвенного, ботанико-географического и зоогеографического.

К настоящему времени концепция природных границ включает в себя ряд аспектов, которые в той или иной степени принимаются русскоязычными и англоязычными географами-ландшафтоведами:

 - ландшафтные комплексы представляют собой сочетание ядер типичности и переходных зон – экотонов [6];

- эмерджентность взаимодействий между природными компонентами, на основе изучения межкомпонентных связей, т.е. несводимость свойств и характеристик ландшафтной геосистеме к сумме свойств и характеристик природных компонентов [7];

- организация ландшафтных границ на основе градиентной модели, т.е. постепенность изменения свойств и характеристик при переходе от одного ландшафта к другому [8];

- границы представляют собой не линейный, а площадной (континуальный) объект, как опосредованное отражение континуальности ландшафтной оболочки [9];

- стохастический (вероятностный) характер ландшафтных границ и, соответственно, вероятностные методы их картографирования, т.е. границы между ландшафтами могут быть классифицированы по степени соответствия действительной границы [10];

- мера классификационной неопределенности ландшафта как метод определения ландшафтных границ, т.е. степень строгости соответствия характеристик ландшафта его классификационной принадлежности [11].

Основой исследования являются три ключевых участка, охватывающих два ландшафтных района в Оренбургском Подуралье – Донгуз-Приуральский долинно-террасовый и Донгуз-Буртинский сыртово-увалистый [12, 13, 14, 15]. В качестве объектов исследования были выбраны ландшафтные профили: «Донгузский» (1) длинной 28 км, «Бердянский» (2) 83 км и «Буртинский» (3) 69 км, ширина каждого из которых 4,3 км, проходящие по территориям Оренбургского, Беляевского и Акбулакского районов Оренбургской области.

Первый профиль проходит от пойменной части реки Урал в районе поселка Старица, через слабонаклоненную к северу террасово-плакорную равнину, водораздельную гряду к долине реки Донгуз. Второй начинается от автодороги Оренбург-Орск, пересекает долину реки Урал и далее следует на юг вдоль правобережья рек Бердянка и Курала, вплоть до поймы реки Илек. Третий профиль начинается аналогично от автотрассы, пересекает русло Урала и следуя на юг параллельно долине реки Буртя проходит через территорию участка «Предуральская степь» Государственного природного заповедника «Оренбургский» достигая государственной границы с Республикой Казахстан.

Выделение ключевых участков опиралось на необходимость ответа на следующий вопрос: каким образом соотносятся ландшафтные границы, выделенные на основе обобщения разнообразных научных материалов, с контурами квазиестественного и антропогенно-модифицированного происхождения, выявленными на основе космических данных, о том, насколько подтверждаются ландшафтные границы данными дешифрации космической информации.

Для геоинформационного анализа использованы мультиспектральные данные дистанционного зондирования с космического аппарата серии Landsat 8, за период май-июнь 2016 г. Первым этапом стала поканальная классификация (синий, зеленый, красный, ближний и средний инфракрасные каналы) спутниковых изображений независимо друг от друга в програмном комплексе ENVI. Применялся алгоритм неконтролируемой кластеризации IsoDATA, принцип работы которого заключается в разделении спектрального ряда растровых данных на основании близости яркостных показателей, характеризующих отражательные свойства поверхности исследуемой территории [16]. Было задано минимальное количество классов – 1, и максимальное – 25. По итогу было получено от 7 до 11 классов, в зависимости от канала.

Далее проводилась векторизация и экспорт данных в программный комплекс ArcGIS, в котором осуществлялось их сведение и генерализация с целью установления средних линий полученных границ полигонов, а также уровня их повторяемости. Погрешность при генерализации составила 50 м. Выделено три уровня повторяемости полигонов: I – высокая, когда ландшафтные рубежи прослеживаются в большинстве каналов; II – средняя, по нескольким каналам; III – низкая, по минимальному числу каналов.

В каждом из ключевых участков выделялись три типа контуров - природного, природно-антропогенного и антропогенного происхождения. К числу первых относятся речные долины, кручи и яры на их склонах, овражно-балочная сеть с промоинами, участки байрачных и пойменных лесов. К числу антропогенных нами отнесены линейные и площадные объекты Оренбургского газоконденсатного месторождения, автомобильные дороги различных категорий – как федеральные и региональные шоссейные дороги, так и проселочные и грунтовые дороги, контуры сельскохозяйственных угодий. 

Результаты и обсуждение. По результатам геоинформационного анализа выделены особенности в расположении ландшафтных рубежей по трем исследуемым профилям (рис.1 - 4).

В пределах первого профиля (Донгузский) в абсолютных величинах преобладают антропогенные границы, которые также характеризуются наибольшей плотностью (рис 1; 4). Линии с высокой и средней повторяемостью отличаются достаточно близкими относительными показателями, в то время как низкая повторяемость выше практически в два раза. Природно-антропогенные границы встречаются в пойменной части реки Урал и в северной оконечности «Донгузской степи», также частично совпадают с контурами сельхозугодий и  овражно-балочной сетью. Наибольшая средняя протяженность характерна для наибольшей повторяемости. Самый нарушенный тип местности – надпойменно-террасовый, испытывающий основную селитебную, транспортную и сельскохозяйственную нагрузку. Наибольшие площади естественных экосистем сохранились в пределах водораздела, по причинам транспортной удаленности, сложного рельефа местности и близости к режимному объекту. 

Рисунок 1. Соотношение длин ландшафтных рубежей антропогенного, природно-антропогенного и природного происхождения по типам местности (профиль «Донгузский»). 

Второй профиль (Бердянский) отличается от предыдущего в противоположную сторону (рис 2; рис. 4 – Прил. с. 125). Наибольшее число контуров относится к высокой повторяемости. Средняя и низкая представлены минимальным количеством, но выделяются большей средней протяженностью. Наблюдается преобладание антропогенных границ, вследствие высокой степени сельскохозяйственной нагрузки на территорию Урало-Илекского водораздела. 

Рисунок 2. Соотношение длин ландшафтных рубежей антропогенного, природно-антропогенного и природного происхождения по типам местности (профиль «Бердянский»). 

В северной части профиля располагаются объекты газодобычи на Оренбургском газоконденсатном месторождении, что предельно усиливает антропогенную фрагментацию агроландшафтов. Природно-антропогенные рубежи соответствуют эрозионной сети, разделяющей массивы пахотных земель. Из трех профилей наиболее затронутый хозяйственной деятельностью, вследствие близости крупного города (Оренбург) и хорошей транспортной доступности. Наименее трансформированный тип местности – сыртово-холмистый, в виду преобладания малоиспользуемых пастбищных угодий.

Третий профиль (Буртинский) по характеристикам границ коррелирует с «Бердянским», но показатели имеют меньшую амплитуду, что объясняется снижением протяженности (рис. 3; 4). Отличием является двукратное преобладание природных контуров над антропогенными по суммарной длине, количеству линий и средней плотности. Это объясняется пересечением профилем участка «Предуральская степь» Государственного природного заповедника «Оренбургский». Природно-антропогенные границы ограничивают пойму реки Урал, и аналогично с профилями «1» и «2» отмечают неудобные для распахивания линейно-вытянутые эрозионные врезы.

Рисунок 3. Соотношение длин ландшафтных рубежей антропогенного, природно-антропогенного и природного происхождения по типам местности (профиль «Буртинский»). 

В южной части профиля в виду близости к государственной границе Российской Федерации с Республикой Казахстан наблюдается неравномерность в распределении природных и антропогенных контуров, что может свидетельствовать о снижении сельскохозяйственной нагрузки, по причине забрасывания земельных участков в образовавшейся приграничной зоне. Профиль отличается доминированием природных границ. Антропогенное воздействие сконцентрировано ближе к долине реки Урал (пойменный, надпойменно-террасовый, водораздельно-плакорный типы местности) и в сыртово-холмистой части правобережья реки Буртя.

Анализ повторяемости контуров в пределах ключевых участков позволил определить уровни идентификации ландшафтных рубежей: 1) определение провинциальных границ на уровне физико-географических районов; 2) индикация ландшафтно-типологических границ на уровне типов местности; 3) оценка участия антропогенных факторов в формировании фрагментарности и мозаичности ландшафтов; 4) разработка критериев оценки антропогенной трансформации ландшафтных геосистем. 

Выводы. По результатам исследования выполнено геоинформационное профилирование по трем ландшафтным трансектам. Апробированы методики применения неконтролируемых классификаций поканальных данных дистанционного зондирования для определения физико-географических рубежей. Проведено их разделение по типу происхождения: антропогенные, природно-антропогенные и природные. Осуществлен сравнительный анализ полученных данных с существующими картографическими материалами ландшафтного и типологического районирования.

В результате сопоставления ландшафтно-типологических границ с контурностью выявлены достаточно широко известные закономерности.  Отчетливо зафиксирована высокая антропогенная фрагментарность надпойменно-террасового и плакорного типов местности вследствие размещения пахотных угодий, так и влияния объектов недропользования. Вместе с этим контурность позволяет точнее определять типы местности: сыртово-холмистые местности, практически лишенные контуров антропогенного происхождения, имеют существенно меньшее распространение, чем на ландшафтно-типологической карте Оренбургской области.

Статья подготовлена в рамках тем Института степи УрО РАН «Степи России: ландшафтно-экологические основы устойчивого развития, обоснование природоподобных технологий, в условиях природных и антропогенных изменений окружающей среды»  № ГР АААА-А17-117012610022-5 и «Эволюция и пространственная дифференциация ландшафтов Южного Приуралья в условиях климатических и антропогенных изменений» № ГР АААА-А18-118011690034-6. 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Павлейчик В.М., Левыкин С.В. Проблемы идентификации природно-экологических каркасов и территориальной охраны ландшафтного разнообразия степных регионов // Вестник ОГУ, вып.67, №3. – Оренбург: ОГУ, 2007. – С.41-45
  2. Преображенский Ю.В., Михайлова Е.В. Фрагментация ландшафтов в развитии общественно-природных геосистем саратовской области // Известия Алтайского отделения Русского географического общества. – 2015. – № 1 (36). – С. 19-22.
  3. Гусев А.П Фрагментация ландшафтного покрова как фактор деградации потенциала самовосстановления геосистем // Весці БДПУ. Серыя 3. – 2014. – № 1. – С.58-61.
  4. Агаханянц П.Ф. Экологическая оценка фрагментации территории при проектировании дорожно-транспортных сетей: Дисс. … канд. техн. наук // СПбГТИ. – СПб., 2003. – 182 с.
  5. Хорошев А.В., Прозоров А.А., Котлов И.П., Бочкарев Ю.Н., Столповский А.П. Изучение развития пространственной структуры ландшафта через понятие неопределенности классификационной принадлежности ПТК // Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы. Мат-лы Юбилейной Всерос. науч. конф. (Москва, МГУ им. М.В.Ломоносова, 30 октября – 1 ноября 2002 г.) / Отв. ред. С.А.Добролюбов. – М.: МАКС Пресс, 2002. – С. 197-198.
  6. Николаев В.А. Ландшафтоведение. Семинарские и практические занятия. Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Географический факультет МГУ, 2006. –208 с.
  7. Исаченко Г.А. Методы полевых ландшафтных исследований и ландшафтно-экологическое картографирование. – СПб.: Изд-во СПбГУ, 1998. – 110 с.
  8. McGarigal, K., Tagil S., Cushman S. A. Surface metrics: An alternative to patch metrics for the quantification of landscape structure. Landscape Ecology 24. – 2009. – P. 433-450.
  9. Бобра Т.В. Ландшафтные границы: выявление, анализ, картографирование. – Симферополь, 2005. – 167 с.
  10. Кренке А.Н., Пузаченко Ю.Г., Пузаченко М.Ю. Уточнение содержания тематических карт на основе данных дистанционного зондирования // Известия РАН. Серия географическая. – 2011. – № 4. –С. 106-116.
  11. Хорошев А.В. Современные направления структурного ландшафтоведения // Известия Российской академии наук. Серия географическая. – 2016. – № 3. – С. 7-15.
  12. Чибилёв А.А., Климентьев А.И., Блохин Е.В., Грошев И.В., Левыкин С.В., Петрищев В.П. Ландшафтно-типологическая карта Оренбургской области как основа оптимизации структуры земельного фонда // Степи Евразии: сохранение природного разнообразия и мониторинг состояния экосистем: Мат-лы междунар. симпоз. –Оренбург, 1997. – С. 152-153.
  13. Чибилёв А.А., Ахметов Р.Ш., Герасименко Т.И., Петрищев В.П., Семенов Е.А. География Оренбургской области. –М.: МГУ, 2002. – 192 с.
  14. География Оренбургской области. Природа: Учебник для 8-9 классов общеобразовательной школы / под ред. А.А. Чибилева, В.П. Петрищева. 3-е изд., доп. – Оренбург: Оренб. лит. агентство, 2005. – 148 с.
  15. Горичев Ю.П Ботанико-географическое районирование Южного Урала с использованием границ ареалов климаксовых видов // Известия Уфимского научного центра Российской академии наук. – 2015. – № 4-1. – С. 39-41.
  16. Петрищев В.П. Географические и земельные информационные системы. – Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2009. –114 с. 

LITERATURA

  1. Pavlejchik V.M., Levykin S.V. Problemy identifikacii prirodno-jekologicheskih karkasov i territorial'noj ohrany landshaftnogo raznoobrazija stepnyh regionov // Vestnik OGU, vyp.67, №3. – Orenburg: OGU, 2007. – S.41-45
  2. Preobrazhenskij Ju.V., Mihajlova E.V. Fragmentacija landshaftov v razvitii obshhestvenno-prirodnyh geosistem saratovskoj oblasti // Izvestija Altajskogo otdelenija Russkogo geograficheskogo obshhestva. – 2015. – № 1 (36). – S. 19-22.
  3. Gusev A.P Fragmentacija landshaftnogo pokrova kak faktor degradacii potenciala samovosstanovlenija geosistem // Vescі BDPU. Seryja 3. – 2014. – № 1. – S.58-61.
  4. Agahanjanc P.F. Jekologicheskaja ocenka fragmentacii territorii pri proektirovanii dorozhno-transportnyh setej: Diss. … kand. tehn. nauk // SPbGTI. – SPb., 2003. – 182 s.
  5. Horoshev A.V., Prozorov A.A., Kotlov I.P., Bochkarev Ju.N., Stolpovskij A.P. Izuchenie razvitija prostranstvennoj struktury landshafta cherez ponjatie neopredelennosti klassifikacionnoj prinadlezhnosti PTK // Fundamental'nye issledovanija vzaimodejstvija sushi, okeana i atmosfery. Mat-ly Jubilejnoj Vseros. nauch. konf. (Moskva, MGU im. M.V.Lomonosova, 30 oktjabrja – 1 nojabrja 2002 g.) / Otv. red. S.A.Dobroljubov. – M.: MAKS Press, 2002. – S. 197-198.
  6. Nikolaev V.A. Landshaftovedenie. Seminarskie i prakticheskie zanjatija. Izd. 2-e, pererab. i dop. – M.: Geograficheskij fakul'tet MGU, 2006. –208 s.
  7. Isachenko G.A. Metody polevyh landshaftnyh issledovanij i landshaftno-jekologicheskoe kartografirovanie. – SPb.: Izd-vo SPbGU, 1998. – 110 s.
  8. McGarigal, K., Tagil S., Cushman S. A. Surface metrics: An alternative to patch metrics for the quantification of landscape structure. Landscape Ecology 24. – 2009. – P. 433-450.
  9. Bobra T.V. Landshaftnye granicy: vyjavlenie, analiz, kartografirovanie. – Simferopol', 2005. – 167 s.
  10. Krenke A.N., Puzachenko Ju.G., Puzachenko M.Ju. Utochnenie soderzhanija tematicheskih kart na osnove dannyh distancionnogo zondirovanija // Izvestija RAN. Serija geograficheskaja. – 2011. – № 4. –S. 106-116.
  11. Horoshev A.V. Sovremennye napravlenija strukturnogo landshaftovedenija // Izvestija Rossijskoj akademii nauk. Serija geograficheskaja. – 2016. – № 3. – S. 7-15.
  12. Chibiljov A.A., Kliment'ev A.I., Blohin E.V., Groshev I.V., Levykin S.V., Petrishhev V.P. Landshaftno-tipologicheskaja karta Orenburgskoj oblasti kak osnova optimizacii struktury zemel'nogo fonda // Stepi Evrazii: sohranenie prirodnogo raznoobrazija i monitoring sostojanija jekosistem: Mat-ly mezhdunar. simpoz. –Orenburg, 1997. – S. 152-153.
  13. Chibilev A.A., Ahmetov R.Sh., Gerasimenko T.I., Petrishhev V.P., Semenov E.A. Geografija Orenburgskoj oblasti. –M.: MGU, 2002. – 192 s.
  14. Geografija Orenburgskoj oblasti. Priroda: Uchebnik dlja 8-9 klassov obshheobrazovatel'noj shkoly / pod red. A.A. Chibileva, V.P. Petrishheva. 3-e izd., dop. – Orenburg: Orenb. lit. agentstvo, 2005. – 148 s.
  15. Gorichev Ju.P Botaniko-geograficheskoe rajonirovanie Juzhnogo Urala s ispol'zovaniem granic arealov klimaksovyh vidov // Izvestija Ufimskogo nauchnogo centra Rossijskoj akademii nauk. – 2015. – № 4-1. – S. 39-41.
  16. Petrishhev V.P. Geograficheskie i zemel'nye informacionnye sistemy. – Orenburg: IPK GOU OGU, 2009. –114 s. 

Образец оформления ссылки для цитирования:

Ряхов Р.В. Особенности дешифрирования данных дистанционного зондирования для определения ландшафтных рубежей в степной зоне // Вопросы степеведения. – 2018. – № 14. – с. 80-87. DOI: 10.2441/9999-006А-2018-00009.


Для того чтобы оставить комментарий вы должны авторизоваться на сайте! Вы также можете воспользоваться своим аккаунтом вКонтакте для входа!