Критерии выбора дистанционных материалов для целей эколого-географического картографирования

При создании эколого-географических карт на основе аэрокосмических снимков необходимо учитывать возможности и ограничения использования последних. Прежде всего картограф-исследователь и (или) картограф-составитель должны иметь задание на составление и ясно представлять себе содержание карты, охват территории, масштаб картографирования, имеются ли и в каком количестве прочие картографические материалы на данный регион или дистанционное зондирование — это единственный источник пространственной информации; а также наличие литературного фонда.

Экологическое картографирование требует от автора доскональных знаний о различных природных процессах, происходящих на исследуемой территории, а также о законах взаимодействия природы и конкретных антропогенных нарушений.

Выбор аэрокосмических материалов должен зависеть не только от их доступности (высокая стоимость, собственность заказчика и т. д.), но и, в первую очередь, от необходимость использования тех или иных конкретных снимков на исследуемую территорию.

1:5000 1:20 000 1:100 000 1:1 000 000 1:2 500 000 1:8 000 000 1:10 000 000.

Рис. 3. Выбор масштаба аэрокосмических снимков по показателю их дешифрируемости.

Одним из основных критериев выбора является масштаб снимка. С изменением масштаба происходит обобщение изображения и, как следствие, меняется его дешифрируемость (рис.3). С уменьшением масштаба снимков происходит обобщение тонов и цветов. Черно-белые полутона исчезают тем быстрее, чем меньше контуры и чем меньше контраст изображения. Объекты, включающие в себя элементы различных цветовых тонов и оттенков, сфотографированные с некоторого расстояния, изображаются на цветных снимках в обобщенных цветах. Отдельные мелкие объекты тем скорее теряются на цветном снимке, чем менее выражен цветовой контраст между объектом и фоном. Линейные контуры, обобщаясь, выпрямляются и упрощаются за счет исчезновения мелких извилин. Размытые контуры с уменьшением масштаба становятся контрастными, более узкими и приближаются к линейным. Мозаичные границы, в зависимости от степени дисперсности либо укрупняются, сохраняя мозаичность, либо превращаются сначала в диффузные, а затем в линейные. Площади уменьшаются с изменением масштаба за счет спрямления контурной линии. Процесс картографической генерализации эколого-географических карт, непосредственно связанный с масштабом аэроснимков, а, следовательно, и с их дешифрируемостью, трудно поддается формализации и автоматизации.

Не все этапы этого процесса могут быть подчинены формальным критериям и алгоритмизированы.

При эколого-географическом картографировании карты в обзорных масштабах, безусловно, необходимы. Однако, они несут скорее иллюстративно-познавательные функции нежели исследовательские. Для решения задач рационального природопользования для районов повышенной экологической опасности на первый план выдвигаются карты крупных масштабов с максимальным показом всех происходящих процессов и явлений. Назначение и тематика карты определяют, какие элементы следует показывать на карте с наибольшей подробностью, а какие подвергать более или менее существенному обобщению. И тут возникает ряд трудностей, характерных именно для эколого-географических карт. Так, на обычной почвенной карте важно дать детальное изображение гидросети, но можно сильно генерализовать дорожную сеть и населенные пункты Для почвенно-экологической карты такой подход был бы неверен, поскольку необходимо показывать все антропогенно-преобразованные почвы, в том числе и на месте селитебных территорий и вдоль дорог. Генерализация содержания эколого-географических карт (особенно ландшафтнои почвенно-экологических карт) должна вестись с таким расчетом, чтобы процесс отбора минимально затрагивал антропогенно-нарушенные объекты и явления связанные именно с показом экологических проблем данной территории. Причем неважно кому адресовываются созданные карты: ученикам средних школ или руководству производственных объединений. Возможно лишь некоторое усложнение самих условных знаков в зависимости от предполагаемого пользователя. Невозможность дешифрирования даже на крупномасштабных и детальных снимках всех контуров в силу их мелких размеров является существенным недостатком при составлении именно эколого-географических карт, поскольку, например, небольшие по площади разливы нефти в результате повреждения нефтепроводов могут нанести значительной больший экологический ущерб прилегающей территории, чем вырубки, хорошо дешифрируемые на снимках.

Увеличение (уменьшение) масштаба необходимо потому, что во-первых, каждый вид нарушений природной среды имеет свой масштаб выявления, во-вторых происходит качественный скачок в картографировании различных объектов и явлений — переход к системам других рангов. Проблема выбора масштаба возникает также потому, что загрязнение природной среды с точки зрения геометрического подхода к оценке видов нарушений может быть трех видов: точка (источники загрязнения среды), линия (пути распространения загрязняющих веществ), площадь (поля загрязнений), и для их анализа нужны карты соответственно крупного, среднего и мелкого масштабов.

Следующим важным критерием выбора АФС и КС является их разрешающая способность. Формально можно предположить, что минимальные размеры объектов, которые могут изобразиться на снимках равны для масштаба 1:50 000 — около 5 метров, для масштаба 1:25 000 — 2,5 м, для масштаба 1:100 000 — 1 м. В действительности минимальные размеры объектов, изображающиеся на снимках данного масштаба могут колебаться в зависимости от фотографических свойств фотопленки и фотобумаги, атмосферно-оптических условий съемки, контраста ландшафта и т. д.

Фотографические снимки, главным образом, со спутников серии «Космос» имеют пространственное разрешение 15−30 м для оригинального масштаба 1:1 000 000 и 5−8 м для масштаба 1:200 000 и представляют собой наиболее ценные материалы среди КС (2). На них хорошо видны места добычи полезных ископаемых, особенно четко выраженные в тундре, тайге и пустыне; дымы промышленных предприятий, отстойники, повреждения лесной растительности, загрязнения рек и водоемов промышленными стоками, изменения породного состава и возрастной структуры лесных массивов в лесопромышленных зонах процессы плоскостного смыва почв и линейной эрозии в степной зоне приколодезное опустыниваение на пастбищах пустынных зон подтопление земель инфильтрация воды из каналов районах орошаемого земледелия. Близкий круг задач решается по сканерным снимкам высокого разрешения (от 40 до 10 м) с ресурсных спутников. Сканерные снимки среднего разрешения (около 150 м) позволяют прослеживать дымовые шлейфы лесных пожаров, площади гарей, выделять зоны загрязнения снежного покрова вокруг городов и промышленных центров для оценки загрязнения атмосферы и почв. Сканерные снимки с разрешением около 1 км слабо отражают прямое антропогенное воздействие, но могут быть использованы для экологических оценок шельфовых зон и внутренних морей. По тепловым инфракрасным радиометрическим снимкам (разрешение от 120 — 600 м до 1 км) можно оценить тепловое воздействие городов и промышленных центров на окружающую среду, тепловые выбросы предприятий в водоемы, миграции крупных животных.

Следующим критерием выбора материалов дистанционного зондирования является их спектральный диапазон. Съемка в ближних ультрафиолетовых лучах наиболее информативна для фиксирования загрязнения водоемов и атмосферы, пыльных бурь, дымовых шлейфов. Съемка в видимом диапазоне спектра применяется для распознавания деградации почв, растительности, поверхностных отложений, нарушений рельефа: эрозии, дефляции, плоскостного смыва, засоления (3). Сочетание спектральных интервалов в видимой и ближней инфракрасной зонах спектра обеспечивает оценку состояния естественного растительного покрова. Сопоставление съемки в красной и инфракрасной зонах спектра дает возможность оценки динамики увлажненности, заболоченности, заиленности водохранилищ, изменения положения береговой линии водоемов, загрязненности водоемов нефтепродуктами. Материалы тепловой инфракрасной съемки предпочтительно выбирать для картографирования изменения увлажненности почв, термальных загрязнений земной поверхности, водного и воздушного бассейнов. Радиолокационные снимки используются для отображения динамики снежного и ледового покровов, а также подземных вод в пустынях.

При выборе снимков необходимо учитывать коэффициенты яркости различных природных объектов в разные сезоны. Как показывает сравнительный анализ снимков, выполненный в разное время, поздне-весенние аспект съемки обеспечивает оптимальный уровень контрастности порядка 0,5 — 0,7. Летние снимки характеризуются значительно меньшими коэффициентами контрастности (0,3 — 0,5), изображения зимнего аспекта, напротив, слишком контрастны (0,7 — 0,9) и в силу низкой детальности пригодны лишь для мелкомасштабного картографирования. В свою очередь параметры территории съемки определяют избирательную выразительность изображения природных образований. Например, распознавание подтопленных территорий в результате нарушения поверхностного стока представляет некоторую сложность на снимках мелкого масштаба, так как естественные процессы заболачивания, скажем, на севере Западной Сибири несколько уменьшают интенсивность проявления необходимых для дешифрирования индикационных свойств объектов съемки.

Одним из важнейших критериев надежности эколого-географических карт является современность исходных материалов. Практически для всех экологических карт целесообразны наиболее близкие ко времени картосоставления сроки исходных материалов. При анализе выбираемых снимков к этому можно подойти двояко. С одной стороны, поскольку все явления, происходящие в исследуемых регионах подчиняются поступательному развитию, действительно предпочтительны новейшие даты. С другой стороны, даже устаревшие снимки сохраняют определенную ценность, так как воспроизводят действительность на некоторый минувший этап времени и тем самым позволяют судить о динамике явлений и процессов. При сравнении двух карт, составленных по материалам АКС на один и тот же регион, одна из которых была создана 5−6 лет назад, можно сделать следующие выводы: присутствие, например, карьера на обоих картографических произведениях еще не говорит о динамике процесса в сторону ухудшения, несмотря на то, что этот объект является очень сильным антропогенным вмешательством и практически навсегда лишает жизни целый природный комплекс, присутствие одного и того же функционирующего газоконденсатного факела свидетельствует о все более усиливающемся загрязнении прилегающих территорий.

Выбор КС и АФС, связанный с рефракцией и влиянием атмосферной дымки, а также экранирующим влиянием облачности, которая закрывает значительную часть Земной поверхности, особенно в умеренных широтах, относится одинаково, как к снимкам, являющимся исходным материалом для составления эколого-географических карт, так и для всех прочих тематических картографических произведений.

Методы экологического дешифрирования аэрои космических снимков для целей эколого-географического картографирования конкретного региона В эколого-географическом картографировании различают три основных элемента пространственного содержания картографических произведений: естественный ландшафт, нарушенные участки природного фона, искусственные сооружения. В еще более упрощенном виде эти градации можно свести до двух: природная и техногенная (антропогенная) составляющие. Поэтому, какой бы метод дешифрирования ни применялся, картограф всегда возьмет за основу ту природную, подстилающую поверхность, которая, составляет основу геокомплекса. Иными словами, работа со снимком начинается с распознавания естественных «ландшафтов».

В качестве примера рассмотрим территорию, расположенную в центральной части Западно-Сибирской равнины, в пределах подзоны средней тайги. На данной территории можно выделить несколько естественных геосистем:

сегментно-островная пойма реки Оби с поймами малых рек, злаково-разнотравными лугами, осоково-слабозаболоченными лугами, с кустарничковыми тополево-березовыми лесами, кедрово-сосновыми и осиново-березовыми зеленомошными лесами;

на юге — полого-мелковолнистая легко-суглинистая равнина с елово-кедровыми, кустарничково-зеленомошными лесами, с грядово-мочажинными болотами;

севернее поймы Оби — полоса возвышенной полого-увалистой равнины с сосновыми лишайниковыми и зеленомошными лесами;

расположенные к северу огромные по площади пространства верховых болот с широко-распространенными озерковыми комплексами.

Известно, что если выкопировать из снимка изображение отдельного объекта и пытаться его дешифрировать, то мало, что о нем можно будет сказать. Только в среде прочих объектов дешифрируемый объект может быть надежно опознан и наиболее полно охарактеризован. Например, на упомянутой территории существуют четыре типа болот: от озерково-грядово-мочажинных, которые опознаются по АФС по однородной текстуре рисунка и наличию большого количества мелких озер, до сфагново-осоковых, частично залесенных болот, которые по зрительному восприятию почти полностью идентичны сфагновым соснякам с верховыми торфяными почвами. Однако, зная, что первые являются болотами надпойменной террасы, соседство с лесами пойм малых рек приводит к выводу о принадлежности их к упомянутым сфагново-осоковым болотам. Это ландшафтный метод дешифрирования, когда учитываются не только индикационные связи одних объектов с другими, но и связь дешифрируемого объекта со всем природным комплексом.

Урочища переходных болот, покрытых кустарниковой растительностью с переходными болотными торфянисто-глеевыми почвами отображаются на АФС монотонным серым тоном с почти невыраженной микротекстурой. Ландшафтный метод применим также при выделении леса по породам, поскольку, зная специфику района уже заранее, известно, какие растительные сообщества могут встретиться на данной территории.

При дешифрировании на КС ненарушенных природных комплексов можно заметить следующее. На севере исследуемого нефтегазоностного района огромные по площади пространства занимают верховые болота. Широко распространенные озерковые комплексы являются их мощным индикатором. Болота на КС мелких масштабов дешифрируются с большой надежностью, их размеры, характер расположения индицируют различные типы местностей (макропедохор в почвенно-географических единицах), которые вследствии равнинности рельефа и однородности почвообразующих пород отличаются чрезвычайно большими размерами. По увеличенным КС вполне возможно дешифрирование урочищ. Светлые тона контуров болотных массивов резко контрастируют с темными контурами приуроченных к дренированным местообитаниям и речным долинам преимущественно темнохвойных лесов.

В качестве еще одного примера можно привести достаточно четкое распознанвание на КС различных составляющих ландшафта сегментно-островной поймы. По различию тональной структуры различаются между собой кедрово-сосновые и более светлые осиново-березовые пойменные леса, злаково-разнотравные и осоково-слабозаболоченные луга, отличающиеся бесструктурным рисунком и еще более светлым тоном, поймы малых рек.

Использование КС, выполненных в разных зонах электромагнитного спектра, повышает эффективность распознавания природных комплексов. Для достижения наилучшего эффекта сравнения, выгоднее использовать КС красной и инфракрасной зоны, поскольку в красной зоне происходит полное поглощение энергии Солнца (чем больше хлорофилла, тем рисунок чернее), в инфракрасной зоне — максимальное отражение (чем больше хлорофилла, тем рисунок светлее). При этом все-таки растительность (леса) удобнее дешифрировать по снимкам инфракрасной зоны. Растительность и почвы обладают различной отражательной способностью. Если для почв наибольшие различия наблюдаются в зоне спектра с длиной волны 700 нм и более, то для растительности — в двух зонах: 520 — 600 и свыше 700 нм. Использование снимков, выполненных в соответствующих зонах спектра, повышает степень дешифрирования природных единиц картографирования.

Многозональные КС, выполненные в синтезированных цветах в ряде случаев имеют свое преимущество. Основным дешифровочным признаком объектов является изменение тона и величины контраста изображения. Удачное совмещение спектральных съемочных зон, при которых наблюдаются наибольшие различия в яркостной характеристике почв и растений позволяет, например, отчетливо разделять хвойные и смешанные леса (наличие хлорофилла обеспечивает тоновый контраст изображения).

Достоен упоминания так называемый индикационный метод дешифрирования. Он позволяет помимо непосредственного дешифрирования хорошо различимых по снимкам физиономических объектов, пользуясь косвенными признаками, распознавать деципиентные объекты, замаскированные другими природными и антропогенными образованиями. С уменьшением масштаба снимков значение непосредственного дешифрирования уменьшается и первостепенное значение приобретает применение индикационных методов.

Говоря о распознавании конкретных объектов антропогенной составляющей, необходимо свести воедино сведения о различных дешифровочных свойствах различных оболочек Земли.

Атмосфера в различной степени меняет оптические свойства и динамические характеристики при антропогенном воздействии. Исследуя атмосферу, по КС можно проследить инверсионные следы от самолетов, смог, дымовые шлейфы пожаров, пылевые загрязнения антропогенного происхождения, повышенную освещенность над городами, тепловые аномалии по инфракрасной съемке над крупными источниками энергии, туманы над источниками тепла.

Изменение оптических свойств дает возможность для анализа экологического состояния элементов гидросферы: нефтяных пленок (спектральные коэффициенты яркости нефти выше, чем чистой воды, максимальные контрасты — в диапазонах 0,3 — 0,4 и 0,8 — 1,1 мкм), распределения мутности (по снимкам коротковолновых диапазонов, излучение которых проникает в толщу воды до двух метров), эфтрофикации и массового размножения водорослей по молочному цвету воды, тепловое загрязнение по снимкам инфракрасного диапазоны, загрязнения снежного покрова.

При анализе по снимкам литосферы возможно использование как прямых, так и косвенных признаков дешифрирования: по коэффициентам спектральной яркости почв, которые зависят от типа и содержания гумуса, можно определить их современное экологическое состояние, избыточное увлажнение, засоление дешифрируются по изменению цвета аэрофотоизображения, ареалы почвенной эрозии выявляются по осветленному тону и тонкой полосчатой структуре. В качестве косвенного признака дешифрирования прежде всего выступает растительность.

Велика роль метода ретроиндикации при дешифрировании следов древних экологических кризисов. Он позволяет восстанавливать палеоструктуры разновозрастных ландшафтов, основные черты их антропогенных преобразований в различные периоды хозяйственного освоения. Метод эталонирования изображений объектов на ключевых участках также дает материал для геоэкологической оценки ландшафтов.(3).

Антропогенное преобразование рельефа в случае прямого физического воздействия дешифрируется по прямым признакам (тон, цвет).

Биосфера является мощным фактором геоэкологической обстановки. По снимкам можно проследить следующие ее характеристики: изменение растительного покрова (по снижению активности процессов поглощения света хлорофиллом), проективное покрытие растительности и ее фитомассу (по коэффициенту яркости), количество особей крупных животных по крупномасштабным снимкам, по снимкам более мелкого масштаба — воздействие животных на почву и растительность.(4).

Возвращаясь к исследуемому нефтедобывающему региону Западной Сибири, необходимо уточнить, что является источником воздействия на окружающую среду. Это обустройство нефтепромыслов и прокладка трубопроводов, буровые работы и строительство шламовых амбаров, строительство и эксплуатация растворных узлов, компрессорных и дожимных насосных станций, эксплуатация газовых факелов, аварийные разливы нефти и сопутствующих продуктов при прорывах нефтепроводов и разрушении обваловки шламовых амбаров. Кроме того, немаловажным фактором являются выбросы в атмосферу вредных неорганических соединений из газовых факелов, котельных и битумных установок. Воздействия последних, к сожалению, невозможно выявить по АКС, поэтому при их картографировании используются другие материалы.

По АФС можно выделить разной степени нарушения почвенно-растительного покрова. Слабонарушенные природные комплексы (на пример, в результате вырубки коренного древостоя и уплотнения верхней части почвенного профиля) приурочены к трассам электропередач, связи, селитебным территориям. Для них характерны осветленные тона, обусловленные разреженным пологом коренного древостоя, либо подростом мелколиственных пород на вырубках. Последние вполне уверенно возможно отдешифрировать и по КС инфракрасной зоны, поскольку наличие хлорофилла дает светлый тон. Восстанавливаемые участки лесов (искусственные лесопосадки) дешифрируются по полосчатой текстуре. К сильно нарушенным природным комплексам относятся трассы трубопроводов, грунтовых и шоссейных дорог, песчаные карьеры, где в результате выемки и перемещения значительных масс грунта исходные комплексы практически полностью уничтожаются. Трассы шоссейных дорог с полосами отчуждения (проложенные трубопроводы в несколько ярусов и рядов) дешифрируются по АФС по интенсивно-светлому тону (сухой песок, лишенный растительности и форме (линейной у насыпных дорог и ближе к прямоугольной у кустовых площадок). Эти же нарушения легко опознаются также по зональным КС, выполненным в красной зоне.

Из-за перекрытия естественного стока во многих местах наблюдается подъем уровня грунтовых вод. На АФС такие контуры дешифрируются по общему потемнению тона аэрофотоизображения и контрасту с участками подобных природных образований, не подвергшихся подтоплению. Косвенным признаком могут служить дороги, как границы раздела территории на участки ненарушенные и испытывающие на себе подобное влияние.

На АФС ареалы загрязняющего воздействия нефти имеют потечную форму, часто ограничены дамбами и ловчьими ямами, отчетливо дешифрируются направления движения загрязняющих потоков. Ареалы интоксицированных почв выделяются по прямым признакам (тону), когда амбары заполнены сырой нефтью, и по косвенным (погибшая растительность), когда в загрязняющем потоке преобладают буровые и промывочные растворы. Засоленные природные комплексы (протечка сильноминерализованных вод из хранилищ) выявляются на АФС преимущественно по косвенным признакам: приуроченности к растворным узлам на повышениях и ареалам погибших лесных ценозов.

Загрязнения нефтью из-за прорыва нефтепровода опознается очень легко: темное пятно потечной формы по одну, реже по обе стороны от светлой линейной структуры самого нефтепровода. Косвенным признаком аварийного прорыва является отсутствие поблизости кустовых площадок. Влияние газоконденсатного факела на прилегающие экосистемы показано на схеме дешифрирования аэроснимка (рис4.).

По КС возможно дешифрирование механических нарушений и очень больших разливов нефти. Для выявления последних удобнее всего использовать многозональные снимки, выполненные в ультрафиолетовом диапазоне, либо спектрозональные снимки с последующим их сравнением. Если на КС красной и инфракрасной зоны проблемный участок имеет серый тон, следовательно это зарастающее болото (мох), если на снимке красной зоны тон серый, а на инфракрасном снимке — черный, можно уверенно говорить о присутствии нефти.

О загрязнении озер нефтепродуктами говорит появление нефтяных пленок на поверхности воды, которые вполне возможно отдешифрировать по КС красной зоны спектра. Пятна озер становятся более мутными и, как правило, имеют серый тон и разорванную или полосчатую структуру. А по АФС возможно выявить загрязнение озер в результате гидронамыва — наличие песчаных взвесей в толще воды, образующихся при постоянной добыче и промывании песка для дорог и кустовых площадок. Текстура озер становится более равномерной, чем при нефтезагрязнении, но наличие явного мутного рисунка говорит о нарушенном водном балансе.

Уместно упомянуть о методике использования метериалов дистанционного зондирования в аэрокосмическом мониторинге природной среды. Анализ экосистем в рамках аэрокосмического мониторинга наиболее результативен при использовании последовательного ряда моделей: вербальных, портретных, блоковых, картографических (рис.5). В данном ряду снимки выступают в роли фотографических моделей местности, объективно отражающих реальные процессы формирования экологической ситуации на момент съемки.

Рис. 5. Использование материалов дистанционного зондирования для анализа экосистем в рамках аэрокосмического мониторинга.

Составленные на их основе карты и схемы дешифрирования служат надежными образно-знаковыми моделями экосистем, отличающимися высокой достоверностью и точностью передачи контурной и смысловой нагрузки (3). Созданные на основе снимков блоковые модели внутренних и внешних взаимосвязей этих систем позволяют охарактеризовать механизм их функционального развития. При создании эколого-географических карт зависимость данных моделей друг от друга становится иной. Вербальные и портретные модели зависят друг от друга, в то время как зависимости вербально-блоковых и вербально-картографических моделей, а также портретно-блоковых, портретно-картографических и блоково-картографических моделей неравнозначны.