Индикация антропогенного нарушения

Использование материалов дистанционных съемок в процессе прикладных экологических исследований рассмотрим на примере индикации антропогенного нарушения территорий, которая проводилась на основе изучения и преобразования фотоизображения района Среднего Полужья (Ленинградская область) с помощью ПК.

Всякое аэрокосмическое изображение представляет собой сложную интегральную схему взаимообусловленных фотообразов. Общепризнанные дешифровочные признаки, позволяющие выделить и распознать фотообразы, — тон, цвет и структура рисунка изображения. Их неоднородность и закономерное распределение в пределах аэрокосмоснимков (АКС) позволяют выделять различные природные объекты и определять их параметры. Важнейшей операцией процесса геоиндикации по материалам дистанционных съемок (МДС) процессов, протекающих на ЗП, является выделение из всего объема информации искомой, т. е. несущей сведения об изучаемых процессах.

Все природные процессы, формирующие ландшафтную структуру территории, отражающуюся на АКС, по отношению к рельефу делятся на две большие группы: а) рельефообразующие и б) контролируемые рельефом. К первой группе относятся новейшие тектонические движения и экзогенные процессы, создавшие облик (форму) земной поверхности и получившие свое непосредственное отражение в морфометрических показаниях рельефа. Вторая группа процессов включает многочисленные гидрологические, почвенные и биологические процессы, определяющие облик почвенного и растительного покрова. Эти процессы непосредственно контролируются рельефом через перераспределение тепла, влаги и субстратного вещества; сопряженность природно-территориальных комплексов (ПТК) и мезоформ рельефа достигает 90% (А. С. Викторов, 1986).

Для всех вышеупомянутых процессов общим является то, что элементы фотоизображения, несущие информацию о них, находятся в очевидном соответствии с морфологией земной поверхности. Это соответствие выражается в правиле следования элементов фотоизображения горизонталям и структурным линиям (гребням, тальвегам, вогнутым и выгнутым перегибам и др.). Простирание изолиний равной оптической плотности и границ, дискретно выделяемых дешифровщиком фотообразований, обусловленных данными процессами, полностью согласуется с направлением горизонталей и структурных линий на топографических картах.

Кроме вышеописанной информации, АКС содержат также информацию о прочих процессах, не являющихся рельефообразующими и не контролирующиеся рельефом: это процесс просвечивания на земной поверхности неотектонически неактивных структур осадочного чехла и процесс антропогенного воздействия на естественные геосистемы, изменяющие их свойства и в том числе спектральную яркость. Выявление информации о данных процессах позволяет решить задачу индикации как погребенных неактивных в неотекгоническом отношении структур осадочного чехла, так и участков, в той или иной степени преобразованных деятельностью человека.

Выявление и разделение двух различных слоев информации, содержащейся в фотоизображении АКС, — рельефообусловленной и нерельефообусловленной — необходимый этап любого исследования МДС, познавательная сущность которого заключается в целенаправленном членении первоначального целого и единого массива информационных данных на части, обычно неравноценные, с целью «отбрасывания» ненужных и более углубленного изучения искомых данных.

Практическое содержание данной операции состоит в сопоставлении преобразованных фотоизображений АКС с одномасштабными континуальными и дискретными картографическими моделями рельефа (гипсометрическими картами, картами элементарных поверхностей). Главное условие решения данной задачи — сопоставимость представляемых для сравнения данных, которые могут иметь вид либо изолинейных, либо дискретных (ареальных) изображений. Отсюда вытекают два возможных технологических пути выполнения данной операции. При этом применение одного из них не исключает использование другого. В одном случае дискретное преобразованное изображение необходимо сопоставить с дискретной моделью земной поверхности, которой является карта элементарных поверхностей. Границами этих поверхностей служат структурные линии, однозначно выделяемые по топографической карте либо вручную, либо с помощью ПК. Форма элементов фотоизображения, несущих информацию о «рельефообусловленных» процессах, будет находиться в очевидном соответствии с формой поверхностей или «граней» рельефа. Информация о процессах, независимых от рельефа, содержащаяся в элементах фотоизображения, будет проявляться на АКС в виде своеобразных дирекционных аномалий — замкнутых участков, где границы элементарных ареалов фотоизображения будут сечь структурные линии рельефа.

Более объективен и легко подвергается автоматизации путь сопоставления континуального преобразованного фотоизображения с континуальными моделями рельефа — гипсометрическими картами. Преобразование фотоизображения выражается в его фотометрировании (квантовании), т. е. разделении по уровням оптической плотности, в результате чего получится фотометрическая карта с изолиниями равных оптических плотностей. В данном случае информация фотоизображения АКС о процессах независимых от рельефа также будет проявляться при наложении двух изображений в виде дирекционных аномалий, где изолинии равных оптических плотностей будут сечь горизонтали. При этом тангенс угла сечения будет показывать степень «аномальности» данного участка: чем больше величина тангенса, тем выше степень «аномальности».

Для проверки возможности решения данной задачи был выбран участок Среднего Полужья (Лужский р-н Ленинградской области), представляющий собой поверхность озерно-ледниковой равнины, покрытой маломощным (0,5—2 м) чехлом лимно-гляциальных песчаных отложений, подстилаемых супесчаной и суглинистой мореной, поросшей преимущественно сосновыми лесами с отдельными массивами сфагновых болот, ограниченный с востока и северо-востока долиной реки Луги.

Для сопоставления в ЭВМ через сканерное устройство была введена следующая исходная информация: черно-белый панхроматический аэрофотоснимок района исследований масштаба 1:25 000 и гипсометрическая карта той же территории и того же масштаба (горизонтали «снимались» с топографической карты масштаба 1:25 000).

Технологическая схема обработки снимка с помощью ЭВМ состояла из ряда операций по целенаправленному преобразованию изображения, облегчающему его дальнейшее дешифрирование и выделение слоев информации. Цепочка преобразований включала несколько процедур начиная с самых простых — усиление или сглаживание контраста элементов изображения и заканчивая более сложными — квантование изображения на 8 уровней оптической плотности: 0—32, 33—64, 65—96, 87—128, 129—160, 161— 192, 193—224, 224—255. В итоге получилась изолинейная черно-белая карта с восемью уровнями оптической плотности.

К сожалению, непосредственное сравнение фотометрической карты с гипсометрической путем наложения оказалось невозможным ввиду слишком большой разницы в плотности изолиний на картах: небольшое количество горизонталей не позволило сравнить их простирание с простиранием гораздо большего количества изолиний равной плотности. Поэтому для решения поставленной задачи пришлось прибегнуть к дополнительным операциям: были сопоставлены карты градиентов высоты и оптической плотности путем их наложения с последующим вычитанием совпадающих линий. Это позволило выделить фотоаномалии, чье формирование не связано с воздействием рельефа и контролируемых им процессов (рис. 58, фотоаномалии 1, 2, 3,4).

Последующие полевые исследования показали, что происхождение фотоаномалии 1 связано со сфагновым болотным массивом, чье формирование обусловлено рельефом не видимой земной поверхности (он отражен в горизонталях топокарты), а погребенного минерального ложа. Остальные фотоаномалии (рис. 58, 2, 3, 4) на ДФС образовались в результате антропогенного воздействия и представлены вырубками различной степени зарастания. Степень контрастности фототона внутри фотоаномалии по сравнению с окружающим ее фототоном позволяет судить о стадии восстановления древесной растительности на вырубке. Таким образом, вычитание из оставшихся линий наибольших контрастов фототона границ болот (которые можно «снять» с топокарты) дает возможность обнаружить фотоаномалии, чье возникновение связано с неконтролируемыми рельефом процессами, в данном случае — с антропогенным воздействием, и определить степень этого воздействия по уровню контрастности фототона внутри аномалии и вокруг нее.

Рис. 58. Карта градиентов оптической плотности фототона АФС (по А. И. Жирову, 2001).

Увеличение значения градиента отражено на карте в виде постепенного перехода от светлого к темному тону.

Цифрами обозначены аномалии фототона Сочетание использования системно-морфологической основы с материалами космосъемок дает оптимальные результаты для выровненных тундровых территорий, где данных о рельефе слаборасчлененных поверхностей порой недостаточно. Например, для северо-тундровых слаборасленных равнин полуострова Ямал в районе Бованенсковского месторождения. В качестве источника информации о морфологии рельефа использовались топокарты и аэрокосмоснимки масштаба 1: 25 000. С их помощью были выделены основные структурные линии и элементарные поверхности. Результатом обработки морфологической информации стала геоморфологическая карта, составленная на морфологическом принципе и системной основе. В результате дешифрирования космоснимков и с учетом имевшихся материалов были установлены литолого-генетические разности пород, слагающих те или иные элементарные поверхности на разных геоморфологических уровнях (рис. 59).

При анализе современных экзогенных процессов в результате проведенного комплекса работ была составлена карта современных опасных геоморфологических экзогенных процессов (рис. 60). В итоге была дана оценка геоморфологического риска путем добавления этой информации к геоморфологической нагрузке ранее выделенных поверхностей.

Рис. 59. Схема четвертичных отложений (по А. И. Жирову, Ю. Е. Мусатову, Е. И. Старицыной, М. Н. Калыгину, 2008):

• 1 — элементы гидросети; 2—6 — литолого-четвертичные разности пород и их возраст: 2 — морские и озерно-аллювиальные алевриты и пески (Q_n²'³), 3 — морские и аллювиальные ленточные глины, пески, полигонально-жильные и пластовые льды (Q_m³'⁴), 4 — аллювиально-морские и озерно-аллювиальные пески, алевриты, торфяники, полигонально-жильные льды (Q_m⁴—Q^¹);
• 5 — аллювиальные и озерные пески, алевриты, полигонально-жильные льды (Q^¹); 6 — аллювиальные и озерные торфяники, алевриты,

полигонально-жильные льды (Q^²); 7 — гидролакколиты.

Рис. 60. Карта современных экзогенных процессов (по А. И. Жирову, Ю. Е. Мусатову, Е. И. Старицыной, М. Н. Калыгину, 2008):

• 1 — термоабразия; 2 — криогенное пучение и рост повторно-жильных льдов; 3 — многолетнее криогенное пучение; 4 — формирование относительно более мощного деятельного слоя, сезонное пучение; 5 — солифлюкционное течение грунтов; 6 — делювиальный снос материала; 7 — делювиальная аккумуляция материала; 8 — боковая эрозия; 9 — овражно-балочная эрозия;
• 10 — заболачивание и резкие сезонные колебания уровней озер.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение общей экологической карты? 2. Назовите характерные отличия общей экологической карты. 3. Проанализируйте сущность четырех слоев содержания общей экологической карты. 4. Что такое геоэкологический атлас? 5. Классификация карт геоэкологического атласа. 6. Определите сущность геоинформационной системы. 7. Какова возможная последовательность операций при создании экологических карт с помощью МДС? 8. Назовите основные требования к содержанию геоэкологического атласа. 9. Как могут соотноситься элементы фотоизображения АКС с морфологией земной поверхности?