Регистрация / Вход
Прислать материал

ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОЩАДЕЙ ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОЗЕР ЮГО – ВОСТОЧНОГО ЗАБАЙКАЛЬЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Сведения об участнике
ФИО
Голятина Марина Алексеевна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Забайкальский государственный университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Науки о Земле, экология и рациональное природопользование
Раздел области наук
География и гидрология суши
Тема
ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОЩАДЕЙ ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОЗЕР ЮГО – ВОСТОЧНОГО ЗАБАЙКАЛЬЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
Резюме
В работе проведен анализ изменения площадей водной поверхности юго-восточных озер Забайкалья за период с 1987 по 2013 гг. по данным дистанционного зондирования Landsat. Был выявлен наилучший метод определения площади водного зеркала – водный индекс MNDWI. С помощью этого индекса были вычислены площади водного зеркала для озер: Цаган-Нур, Ножий, Кункур, Хоточей, Укшинда, Гашкой, Балыктуй, Баин-Цаган, Ару-Торум, Хужартай, Зун – Торей, Барун – Торей за период с 1987 по 2013гг. В результате анализа было отмечено, что изменение морфометрических характеристик малых озер происходило синхронно. Озеро Барун – Торей в 2009 году пересыхало полностью
Ключевые слова
В работе проведен анализ изменения площадей водной поверхности юго-восточных озер Забайкалья за период с 1987 по 2013 гг. по данным дистанционного зондирования Landsat. Был выявлен наилучший метод определения площади водного зеркала – водный индекс MNDWI. С помощью этого индекса были вычислены площади водного зеркала для озер: Цаган-Нур, Ножий, Кункур, Хоточей, Укшинда, Гашкой, Балыктуй, Баин-Цаган, Ару-Торум, Хужартай, Зун – Торей, Барун – Торей за период с 1987 по 2013гг. В результате анализа было отмечено, что изменение морфометрических характеристик малых озер происходило синхронно и совпало с периодом увлажненности исследуемой территории. Озеро Барун – Торей в 2009 году пересыхало полностью, для него была построена 3D модель рельефа дна.
Цели и задачи
Целью работы является рассмотреть динамику площадей водного зеркала юго-востока Забайкалья с использованием данных дистанционного зондирования Земли.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Выбрать наилучшую методику выделения водных поверхностей для исследуемой территории
2. С использованием выбранной методики провести дешифрирование спутниковых снимков Landsat MSS,TM, ETM+ и OLI для получения морфометрических характеристик озер
3. Провести анализ изменения площадей водной поверхности за исследуемый период.
Введение

Климатические изменения и их воздействие на природные и социальные системы являются в настоящее время актуальной темой для научных исследований по всему миру. Морфометрические характеристики озер могут выступать в качестве индикаторов изменчивости климата в региональном масштабе.

Изучение изменения площадей водных зеркал этих озер стало главной целью проекта. Для поставленной цели необходимо решить ряд задач:

  1. Выбрать наилучшую методику выделения водных поверхностей для исследуемой территории;
  2. С использованием выбранной методики провести дешифрирование спутниковых снимков для получения морфометрических характеристик озер;
  3. Провести анализ изменений уровней, площадей водного зеркала за исследуемый период


Рис. 1. Район исследований

Методы и материалы

Для дистанционного изучения площадей водного зеркала озер по космическим данным, широко используются следующие методы обработки спутниковых изображений – определение многоканальных спектральных индексов (водных индексов), тематическая классификация с обучением, линейное разделение, одноканальная классификация с использованием порога разделения. На практике наибольшее распространение получили методы дешифрирования с использованием многоканальных водных индексов из-за своей простоты и наименьших вычислительных затрат.

Наиболее популярный водный индекс на сегодня -  MNDWI – Modified Normalized Difference Water Index (модифицированный нормализованный разностный водный индекс).

\(MNDWI=(p_{band2}-p_{band5})/(p_{band2}+p_{band5} )\)

где pband 2,5  – интенсивность излучения в 2 и 5 спектральных каналах Landsat TM, ETM+.

MNDWI определяется с использованием 2 и 5 спектральных каналов Landsat TM и ETM+ или 3 и 6 каналов Landsat 8 OLI, и на данный момент является наиболее распространенным индексом для выявления поверхностных водных объектов на космических снимках. Граница определения водных поверхностей проходит через ноль, значения индексов больше нуля соответствуют водным поверхностям. Помимо Landsat, индекс MNDWI используется для анализа водных поверхностей на других спутниковых системах – SPOT, Aster, MODIS, что говорит о его универсальности и стабильности.

Описание и обсуждение результатов

Обработка снимков и вычисление водных индексов производились с помощью средств Image Classification и Spatial Analyst ArcGIS 10. В качестве эталона для сравнения результатов дешифрирования был использован снимок с пространственным разрешением 0,65 м сервиса Bing Virtual Earth за максимально близкую дату – 7 сентября 2010 г., и на основе этого снимка проведено визуальное дешифрирование водной поверхности озер (рис. 2).

Рисунок 2 - Сравнение площадей озер, определенных по результатам визуального и автоматического дешифрирования

Оценка точности дешифрирования производилась с использованием величины среднеквадратической ошибки:

\(m = \ \sqrt {{\sum_{i=1}^{n}(S_{i,d}-S_{i,f})^2} \over n}\)

 

Результаты измерения площадей озер, полученные дешифрированием космических снимков и эталонные измерения, представлены в таблице.

Таблица 1

 Сравнение площадей озер

Наименование озера

Площади озер, км2

Эталон

AWEInsh

AWEIsh

MNDWI

NDWI

оз. Ножий

11,17

10,89

11,43

11,03

11,12

оз. Кункур

5,50

5,45

6,29

5,57

5,78

оз. Балыктуй

2,01

1,92

2,05

1,96

2,00

оз. Цаган-Нур

5,51

5,50

5,78

5,58

5,63

оз. Укшинда

2,52

2,46

2,64

2,50

2,54

оз. Гашкой

1,35

1,34

1,50

1,37

1,38

оз. Хоточей

1,77

1,73

1,90

1,77

1,80

Среднеквадратическая ошибка ( )

0

0,112

0,302

0,08

0,123

 

Анализу были подвергнуты 12 озер – Цаган-Нур, Ножий, Кункур, Хоточей, Укшинда, Гашкой, Балыктуй, Баин-Цаган, Ару-Торум, Хужартай, Зун – Торей, Барун – Торей за период с 15 сентября 1987 по 4 июля 2013 гг. За исследуемый период площади озер значительно изменялись,  оз. Барун – Торей в 2009 году пересыхало полностью (рис. 3), оз. Ножий, Ару-Торум, Гашкой, Хоточей за период с 1999 по 2013 гг. уменьшились почти в два раза (рис. 4), остальные –в полтора (рис. 5, 6).

Рис. 3. Изменение площадей водного зеркала оз. Барун – Торей и Зун – Торей в период 1987–2013 гг.

Рис. 4. Изменение площади водного зеркала оз. Ножий в период 1999–2013 гг.


Рис. 5. Динамика площадей водного зеркала оз. Цаган-Нур, Ножий, Кункур

Рис. 6. Динамика площадей водного зеркала оз. Хоточей, Укшинда, Гашкой, Балыктуй, Баин-Цаган, Ару-Торум

Временные ряды площадей водного зеркала озер позволяют выделить периоды повышения и убывания водности, обычно совпадающие с динамикой увлажненности региона. На протяжении диапазона дат с 1987 по 1999 гг. отмечается синхронное увеличение площадей озер степной зоны Забайкалья, период с 2000 по 2013 гг. - их снижением.

С помощью полученных площадей озер предоставляется возможность вычислить уровень и объем для Торейских озер по методу водного баланса (Клинина, Обязов, 2011) т.к. данными авторами построены батиграфические кривые объема и площадей для этих озер (рис. 7, 8). Имея полученные данные можно построить 3D модель рельефа дна озера с помощью ПО Arc GIS (рис. 9).

Рисунок 7 – Батиграфические кривые оз. Барун – Торей (а) и оз. Зун – Торей (б)

Рисунок 8 – Объёмные кривые оз. Барун – Торей (а) и оз. Зун – Торей (б)


Рисунок 9 – 3D модель оз. Барун – Торей

Используемые источники
1. Курганович К.А. Сравнение алгоритмов дешифрирования водных поверхностей по индексам NDWI и MNDWI на примере степных озер Восточного Забайкалья // Водные ресурсы и водопользование: сб. тр. преподавателей и студентов кафедры водного хозяйства и инженерной экологии ЗабГУ/ под. ред. В.Н. Заслоновского и Л.Н. Зима. – Чита: ЗабГУ, 2015. Вып. 7. С. 18–26
2. Нагаева Е.В., Обязов В.А., Курганович К.А. Распределение модуля стока рек по территории Забайкальского края // Вестник Забайкальского государственного университета. 2014. № 10. С. 11–19

4. Обязов В.А. Многолетние изменения температуры воздуха в юго-восточном Забайкалье // Известия Русского географического общества. 1996. Т. 128. № 3. С. 66–73.


Information about the project
Surname Name
Golyatina Marina
Project title
Assessment of changes in water surface area of southeast Transbaikalia lakes using satellite monitoring methods and unmanned aerial vehicles
Summary of the project
The paper analyzes the changes in the water surface area of southeastern lakes of Transbaikalia for the period from 1987 to 2013 by Landsat remote sensing data. It has been identified that the Modified Normalized Difference Water Index (MNDWI) is the best method for determining of water surface area. With this index the water surface area for lakes Tsagaan Nuur, Nozhy, Kunkur, Hotochey, Ukshinda, Gashkoy, Balyktuy, Bain-Tsagan, Aru-Torum, Huzhartay, Zun-Torey, Barun-Torey for the period from 1987 to 2013 have been calculated. As a result of the analysis, it have been noted that the change of morphometric characteristics of small lakes occurred synchronously, and it coincided with a period of increased humidification of study area. The Barun-Torey Lake dried up completely in 2009. The 3D terrain model of its bottom has been built.
Keywords
Steppe lakes, water surface area, remote sensing, MNDWI