Використання даних дистанційного зондування Землі для встановлення екологічного стану дніпровських водосховищ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Використання даних ДЗЗ для встановлення екологічного стану дніпровських водосховищ

С.А. Шевчук, В.І. Вишневський, І.А. Шевченко

Вступ

дистанційний зондування водосховище

Ефективним засобом встановлення екологічного стану водних об'єктів є дистанційне зондування Землі. Започатковане невдовзі після початку космічної ери (1957 р.), воно стало потужним інструментом, який перебуває у стані постійного розвитку. Перші супутникові знімки Землі було зроблено в 1959 р. Але тоді вони не мали просторової прив'язки, достатнього просторового розрізнення і водночас містили значні спотворення. Значним кроком в отриманні знімків з високим просторовим розрізненням стала програма Landsat (США), започаткована в 1972 р. запуском першого супутника в рамках цієї програми. Останній супутник Landsat-8 було запущено 11 лютого 2013 р.

Сучасні супутники Landsat дозволяють отримувати мультиспектральні знімки з просторовим розрізненням 15-60 м і періодичністю знімання 16-18 діб. Результати зйомки цих супутників є відносно відкритими і вже тривалий час широко використовуються у наукових дослідженнях.

Окрім супутників Landsat, на орбіті Землі перебуває ще велика кількість супутників, що мають різне призначення та рівень деталізації знімків. Найбільшу точність знімання нині мають супутники Worldview та QuickBird, які дозволяють отримувати зображення у панхроматичному режимі з просторовим розрізненням від 0,31 до 0,61 м/піксель та у мультиспектральному режимі від 1,24 до 2,4 м/піксель. На жаль, доступ до результатів цієї зйомки обмежений.

Планові характеристики. Одним із важливих питань, яке стосується експлуатації дніпровських водосховищ, є уточнення їх розмірів, зокрема площі акваторії. Актуальність цього питання полягає в тому, що за весь період існуванні водосховищ (для деяких - понад 50 років) таке уточнення ніколи не виконувалося. Зрозуміло, що за цей період параметри водосховищ змінилися. У цьому разі можуть бути згадані процеси абразії берегів, замулення, відокремлення окремих ділянок акваторії. В останньому разі може бути згадана водойма-охолоджувач Запорізької АЕС, яка частково виникла за рахунок відокремлення частини Каховського водосховища (рис.1).

Рис 1. Створення водойми-охолоджувача Запорізької АЕС у 1979 і 1981 рр.

Незважаючи на цей факт, у всіх сучасних документах, зокрема Правилах експлуатації Дніпровського каскаду, площа водосховища подана такою ж як і за проектними даними.

Для уточнення площі водосховищ можуть бути використані дані космічної зйомки високої роздільної здатності, зокрема згаданих вище супутників. Проте, тут існує певна проблема, яка полягає в тому, що великі водойми, зокрема водосховища Дніпровського каскаду, не потрапляють на один знімок з високою роздільною здатністю. Так, супутники Worldview та QuickBird мають ширину смуги зйомки лише 16,4-16,5 км. Значно більшою є ширина смуги зйомки супутників Landsat - 185 км.

Має бути враховано і те, що рівень води у водосховищах не є сталим. Коли рівень води близький до сталого, більшу точність у питанні розмірів водойм можна отримати, використовуючи зйомку з великою роздільною здатністю. Коли ж рівень змінюється у досить великому діапазоні (до метра і більше) використання таких даних стає проблематичним, адже доводиться користуватися кількома знімками, зробленими при різних рівнях води.

Окрім того, має бути зазначено, що хоча панхроматичні знімки (у відтінках сірого) мають більше просторове розрізнення, точно виділити контур водосховища на них буває досить складно. Особливо це стосується мілководних зарослих ділянок. Уникнути цієї проблеми можна шляхом використання мультиспектральних знімків і певних індексів, розрахунок яких можна виконати з використанням поширених пакетів програмного забезпечення ГІС. До останніх належать ArcMap, ERDAS Imagine, IDRISI Taiga та ін. [2].

Як видно, використання панхроматичних чи мультиспектральних знімків має свої переваги і недоліки. З урахуванням того, що доступ до знімків супутників Worldview та QuickBird є обмеженим і ширина смуги їх зйомки невелика, є сенс у використанні даних супутників Landsat. Важливо й те, що зйомка супутників Landsat є регулярною. Отже, існує можливість встановлення площі водойм для різних рівнів. Окрім того, можна визначити зміну площі у часі - аж до 70-х років минулого століття.

Практичне використання висловлених вище положень здійснене на прикладі Каховського водосховища. Першим кроком стало завантаження космічних знімків із сайту Геологічної служби США (glovis.usgs.gov). З кількох отриманих знімків для подальшого опрацювання обрано той, що виконано за сприятливих метеорологічних умов, а саме - 27 квітня 2013 р. і досить високого рівня води. Так, на посту Нікополь рівень води того дня о 8-00 становив 15,58 м, о 20-00 - 15,59 м. У верхній частині водосховища (пост Плавні) рівень води був на кілька сантиметрів вище, у нижній (пост Нова Каховка) - трохи нижчий.

Зазначений знімок має великий розмір файлу, адже являє собою сукупність кількох знімків, зроблених у різних спектральних діапазонах. Для того, аби виділити водну поверхню від решти території, відповідно до рекомендацій [5], було розраховано індекс відносної різниці озерності - NDPI (Normalized Difference Pond Index). Результатом стало отримання чіткого контуру водосховища на зазначену вище дату та прийнятого рівня води (15,58 м).

Важливим етапом виконаного дослідження є детальний перегляд отриманого контуру з метою визначення доцільності врахування ділянок, розташованих у затоках. У переважній більшості випадків такі ділянки мають гідравлічний зв'язок з основною акваторією і сполучаються з нею протоками чи перепускними трубами. Зрозуміло, що такі ділянки доцільно включати до площі акваторії. З іншого боку, ділянки, які не мають гідравлічного зв'язку, у розрахунках не враховуються. Це, зокрема, стосується водойми-охолоджувача ЗАЕС, Білозерского лиману та кількох інших водойм.

Зрештою, з використанням прикладної ГІС отримано, що площа акваторії Каховського водосховища разом із затоками, що мають гідравлічний зв'язок з основною акваторією, становить 2117 км². Уточнимо, що йдеться про площу водного дзеркала водосховища без урахування островів. З островами, яких найбільше у верхній частині водосховища, площа є дещо більшою.

Зазначимо, що для обраного рівня води площа акваторії, за даними Правил експлуатації дніпровських водосховищ, становить 2140 км², а за даними [1] - 2134 км². Як видно, протягом періоду експлуатації Каховського водосховища його площа змінилася мало. Це пояснюється тим, що зменшення площі внаслідок замулення водосховища та відокремлення окремих його ділянок компенсувалося розмивом берегів.

Відступ берега. Одним із негативних процесів, який набув особливого розвитку в перші роки існування водосховищ, стала абразія берегів. На окремих ділянках відступ берега сягнув 300 м. Попри зменшення інтенсивності цього процесу, він продовжується і нині. За даними Дніпровського басейнового управління водних ресурсів, яке здійснює моніторинг цього процесу, щорічно внаслідок абразії берегів втрачається близько 20 га прилеглих до водосховищ земель.

Зазначимо, що такі втрати оцінюються на підставі польових досліджень, які виконуються на обраних створах. Відповідні роботи потребують досить великих коштів і людської праці. Ті самі процеси можуть бути досліджені за допомогою методів ДЗЗ.

Найбільшу цікавість мають питання сумарного розмиву берега з початку існування водосховищ і те, яким він є нині. У цьому разі потрібно зауважити, що точність методів ДЗЗ невпинно підвищується. Тому встановити положення берега, яким воно було 20-25 років тому, з такою ж точністю, як нині, неможливо. У зв'язку з цим доцільно спиратися на результати зйомки, що має достатнє - близьке до сучасного - просторове розрізнення.

Основну увагу варто звертати на ділянки, що зазнають найбільшого розмиву. До них, зокрема, належать окремі ділянки розширеної частини Кременчуцького та більшої частини Каховського водосховищ. Однією з таких ділянок, що зазнає інтенсивного розмиву є та, що розташована на березі Кременчуцького водосховища біля села Пронозівка. Фото розмитого тут берега можна знайти у книзі [1].

Для вивчення розмиву зазначеної ділянки берега (а це може бути й інша ділянка) доцільно скористатися базою знімків, які мають велику часову віддаленість від теперішнього часу. Таким умовам відповідають результати зйомки супутників, починаючи з Landsat 5, який було запущено 1 березня 1984 р.

Починаючи з цієї дати, здійснено пошук знімків зазначеної ділянки Кременчуцького водосховища, яка не закрита хмарами. У цьому бажано щоб початковий та інші знімки виконувалися при близькому наповненні водосховища. Початковим положенням берега було обрано те, що показано на знімку 20 травня 1984 року. Наступні знімки, що використанні для опрацювання, датовані 5 вересня 1994 р. і 7 липня 2013 р.

Наступним кроком досліджень є завантаження отриманих знімків у певну ГІС. У цьому разі є два шляхи встановлення відступу берега. Перший, що є простішим, спирається на візуальне сприйняття положення берега. Цей контур наноситься користувачем у графічному редакторі вручну. Це дає можливість візуально оцінити відступ берега та вимірити його відступ з використанням інструменту, наявного в програмі. Другий шлях потребує розрахунку згаданого вище індексу NDPI, який дозволяє встановити положення берега точніше. Зрештою, це дало змогу встановити, що обрана ділянка протягом 1984-2013 рр. зазнала відступу на 80-100 м.

Заростання. Для вивчення поширення вищої водної рослинності, яка на водосховищах Дніпровського каскаду займає все більшу площу, можна використати датовані знімки з ресурсу Google Earth. Таких знімків зазначений ресурс містить близько десяти: окремих ділянок земної поверхні більше, окремих - менше.

Як видно, кількість знімків Google Earth є невеликою. До того ж невеликим є й період їх подання - для території України лише з 2000 р. Оскільки знімків небагато, вони не мають сезонної послідовності - суміжні за часом знімки можуть бути датовані січнем і липнем.

Істотно більшу тривалість, а головне повторюваність, мають знімки дніпровських водосховищ, які містяться на уже згаданому сайті Геологічної служби США. У цьому разі розвиток рослинності можна з'ясувати за період, починаючи з 70-х років минулого століття і з часовим інтервалом у 16 діб. До того ж використання цих знімків, що є мультиспектральними, дає можливість кращої ідентифікації рослинності, зокрема, виділяти водну та повітряно-водну. Нагадаємо, що типовими представниками першої групи є глечики жовті (Nuphar lutea) та латаття біле (Nymphaea alba), другої - очерет звичайний (Phragmites australis) і рогіз широколистий (Typha latifolia).

З усіх водосховищ Дніпровського каскаду найбільш інтенсивним є процес заростання Київського водосховища, що значною мірою пояснюється його обмілінням внаслідок надходження наносів зі стоком Верхнього Дніпра та Прип'яті. У цьому можна переконатися за даними космічних знімків.

Для того, аби точність результатів дослідження була вищою, з великої кількості знімків бажано вибирати ті, що датовані якимось одним місяцем, коли умови розвитку рослинності є близькими. Доцільним можна вважати використання знімків, зроблених у серпні, коли поширення рослинності є найбільшим. Зрозуміло, що обрані знімки не повинні бути сильно захмарені.

З'ясувати те, як змінилося заростання Київського водосховища, а саме - його верхньої частини, можна за даними космічних знімків, зроблених супутником Landsat-5 25 серпня 1985 р. та супутником Landsat-8 6 серпня 2013 р. Як видно на кольоровому фото на вкладці (рис. 2), площа заростання за цей період істотно збільшилася - заросла територія поширилася в напрямку Київської ГЕС на 10-11 км. Це становить близько 10% первісної довжини водосховища.

Рис. 2. Поширення заростання у верхній частині Київського водосховища у серпні 1985 і серпні 2013 рр.

“Цвітіння” води - явище значного розвитку мікроскопічних водоростей, зокрема синьо-зелених, які домінують у літній період.

Першим кроком вивчення цього процесу може бути використання знімків ресурсу Google Earth. Разом з тим, візуально оцінити ступінь поширення водоростей за цими знімками проблематично, оскільки на дрібномасштабних знімках “цвітіння” погано видно, а на великомасштабних акваторія відображена на кількох знімках, датованих різним часом - інколи з часовим зміщенням у кілька місяців. У зв'язку з цим доцільним є використання мультиспектральних знімків.

Найкращу візуалізацію “цвітіння” можна отримати шляхом опрацювання кількох шарів різного спектрального випромінювання та розрахунку індексу NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). Це дозволяє отримати умовне зображення, на якому показано різну концентрацію хлорофілу. Оскільки вміст хлорофілу у водному середовищі істотно менший ніж у широколистяних лісах та на багатьох сільськогосподарських угіддях, для кращої візуалізації доцільно звузити діапазон індексу, який загалом перебуває у межах від -1 до +1. Зрештою, це дає змогу дуже гарної візуалізації “цвітіння” води, причому не лише на певну дату, а й час доби. Останнє важливо тому, що на поширення плям “цвітіння” істотно впливає вітер.

Температура води. Зазначений показник є одним із найважливіших, що має відношення до якості води і на неї істотно впливає. Сучасні методи дистанційного зондування Землі дозволяють встановлювати температуру земної та водної поверхонь великої території з точністю до 0,1 ^оС. У свою чергу, це дозволяє з'ясовувати не лише просторову картину температури, а й факторів, які на неї впливають.

Найпростішим шляхом отримання відомостей про температуру поверхневого шару води є знімки супутників серії Landsat, а саме знімків у тепловому інфрачервоному каналі (діапазон 10,40-12,50 мкм). Отримані знімки на певну дату опрацьовуються за певною формулою і представляються у фактичних значеннях температури у градусах Цельсія. Детальніше про це можна дізнатися у джерелах [2, 3]. Приклади оброблених зображень температури поверхневого шару води Каховського водосховища в серпні 2010 р. подано у збірнику ЦГО за 2013 р. [3].

Льодові явища. Дослідження льодових явищ має певну специфіку, пов'язану з умовами знімання поверхні Землі взимку. Звичайно в цей час спостерігається велика хмарність, що ускладнює ідентифікацію водної поверхні та наявних на ній льодових утворень.

Джерелом даних для вивчення льодових явищ, як і в багатьох інших випадках, можуть слугувати знімки, що містяться на сайті Геологічної служби США. Нагадаємо, що тут є змога отримання знімків супутників Landsat з періодичністю 16-18 діб. На додаток до цього, зазначений сайт містить знімки кількох метеорологічних супутників, зокрема MODIS Aqua та MODIS Terra. Періодичність зйомки тут становить одну добу. Щоправда, порівняно зі згаданими вище супутниками, просторове розрізнення в них значно гірше і становить 250 м.

Космічні знімки, зроблені за умов невеликої хмарності, можуть бути проаналізовані, а зображені на них льодові явища картографовані. Існує можливість пошуку залежностей між розвитком льодових явищ і метеорологічними умовами.

Визначення зон можливого затоплення. У цьому разі йдеться про ділянки земної поверхні, що мають висоту місцевості нижче рівня води у водосховищах і перебувають під захистом дамб і насосних станцій. Як зазначено у праці [1], такі ділянки (загалом їх понад 20) існують біля всіх водосховищ каскаду, за винятком Дніпровського. Сумарна їх площа становить близько 2 тис. км², що приблизно відповідає площі Каховського водосховища.

У цьому разі варто сказати про загрозу, яка існує у разі прориву якоїсь дамби та відмови насосного устаткування. Насамперед це загрожує життю людей. Це видно хоча б з такого прикладу - значна частина м. Нікополь, в якому мешкає 120 тис. осіб, розташована нижче нормального підпірного рівня водосховища (16,0 м). Деякі з міських будинків стоять за 100-150 м від урізу води. При цьому рівень води може відповідати висотному положенню другого- третього поверхів будинків. Подібною є ситуація з м. Кам'янка-Дніпровська, яке майже повністю розташоване нижче рівня води у водосховищі.

Для встановлення зон потенційного затоплення необхідно мати детальні космічні знімки або великомасштабні топографічні карті. Відповідну радарну топографічну зйомку місцевості виконано в лютому 2000 р. місією SRTM (Shuttle Radar Topography Mission). Тоді протягом восьми днів два радарних сенсори, встановлені на космічному кораблі “Shuttle” здійснили зйомку висоти місцевості майже всієї земної кулі, включно з територією України. Роздільна здатність цих сенсорів (X-band - 30 м і C-band - 60 м) забезпечує можливість побудови зображень у масштабі від 1:50 000 до 1:25 000. Така точність цілком достатня для вирішення поставленого вище завдання, адже навіть у масштабі 1:50 000 довжина Каховського водосховища становить близько 4 м.

Для визначення можливих зон затоплення, що лежать нижче НПР водосховища, дані радарної зйомки опрацьовуються в прикладних ГІС-програмах, які дозволяють здійснити виділення рельєфу у певному діапазоні висот (у нашому випадку нижче 16,0 м). Ділянки, що перебувають під захистом дамб, показано на рис. 3 червоним кольором.

Якість води. На сьогоднішній день визначення якості води методами ДЗЗ залишається досить проблематичним. Існує можливість лише візуальної оцінки якісного стану водойм, зокрема таких показників як кольоровість, каламутність, прозорість та ін. Так, за даними ДЗЗ досить легко розрізнити водойми за їх трофністю, до поняття якої належить поширення синьо-зелених водоростей. Останнім часом з'являються результати наукових досліджень, в яких показана можливість встановлення концентрацій певних хімічних елементів та фізичних показників.

Рис. 3. Захищені ділянки від затоплення (виділено червоним) у прибережній частині Каховського водосховища

Висновки

Сучасні методи ДЗЗ дають змогу вирішувати достатньо багато прикладних завдань, які стосуються розмірів водойм та процесів, які в них відбуваються. Так, за допомогою методів ДЗЗ встановлено, що площа Каховського водосховища, порівняно з проектною, трохи зменшилася. Інший процес, який можна дослідити, це заростання та замулення водосховищ. У Київському водосховищі, в якому зазначені процеси відбуваються найбільш інтенсивно, за період з 1985-2013 рр. зона заростання поширилася в напрямку Київської ГЕС на 10-11 км. Використання мультиспектральних знімків дозволяє вивчати температуру води, процес її “цвітіння”, окремі показники якості води.

Література

1. Вишневський В.І. Ріка Дніпро. - К.: Інтерпрес ЛТД, 2011. - 384 с.

2. ДСТУ 4758:2007. Дистанційне зондування Землі з космосу. Оброблення даних. Терміни та визначення понять / В. Лялько (розроб.). - Вид. офіц. - К.: Держспоживстандарт України, 2007. - III, 12 с.

3. Шевченко І.А. Визначення екологічного стану водосховищ України з використанням дистанційних методів моніторингу // Праці ЦГО. - 2013. - Вип. 9 (23). - С. 52-55.

4. Шумаков Ф.Г. Разработка методов космического мониторинга трофического состояния водоемов // Ученые записки Таврического национального университета В.И. Вернадского. Серия “География”. Том 24 (63). 2011. № 3. - С. 162-172.

5. J.P. Lacaux, Y.M. Tourre, C. Vignolles, J.A. Ndione, M. Lafaye. Classification of ponds from high-spatial resolution remote sensing: Application to Rift Valley Fever epidemics in Senegal // Remote Sensing of Environment. 106 (2007). - Р. 66-74.

6. www.gis-lab.info - сайт спільноти фахівців у сфері ГІС та ДЗЗ.

7. www.glovis.usgs.gov - сайт Геологічної служби США.

Размещено на Allbest.ru