Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование динамики термокарстовых озер в различных районах криолитозоны России по космическим снимкам

ВАК РФ 25.00.33, Картография

Автореферат диссертации по теме "Исследование динамики термокарстовых озер в различных районах криолитозоны России по космическим снимкам"

Московский Государственный Университет имени М.В. Ломоносова Географический факультет

на правах рукописи

Родионова Татьяна Васильевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ТЕРМОКАРСТОВЫХ ОЗЕР В РАЗЛИЧНЫХ РАЙОНАХ КРИОЛИТОЗОНЫ РОССИИ ПО КОСМИЧЕСКИМ СНИМКАМ

25.00.33 - картография

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

13 ФЕВ 2014

Москва 2014 005545092

005545092

Работа выполнена в лаборатории аэрокосмических методов кафедры Картографии и Геоинформатики Географического факультета Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель Кравцова Валентина Ивановна

доктор географических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

Официальные оппоненты Верещака Тамара Васильевна

доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой картографии МИИГАиК

Хромова Татьяна Емельяновна

кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник отдела гляциологии Института географии РАН

Ведущая организация Институт Криосферы Земли

Сибирского Отделения РАН

Защита состоится "20" марта 2014 года в 15 часов на заседании диссертационного совета по геоморфологии и эволюционной географии, гляциологии и криологии Земли, картографии (Д-501.001.61) в Московском Государственном Университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, МГУ, географический факультет, 21 этаж, ауд. 2109.

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотеки Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ломоносовский проспект, дом 27, А8.

Автореферат разослан " января 2014 года. Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, МГУ имени М.В. Ломоносова, географический факультет, ученому секретарю диссертационного совета Д-501.001.61, e-mail: malyn2006@yandex.ru, факс +7(495)932-88-36

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат географических наук

А.Л. Шныпарков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Характерную черту криолитозоны, занимающей 65% территории России, составляет развитие процессов термокарста и предопределяемые ими формы рельефа - термокарстовые котловины и термокарстовые озера. В условиях потепления климата проявляется большой интерес к исследованию процессов развития термокарста как реакции криолитозоны на повышение температуры воздуха. Однако труднодоступность территории многолетней мерзлоты, высокая степень ее заболоченности не позволяют проводить такие исследования на местности, особенно в пределах больших территорий. В настоящее время стало возможно выполнять их с внедрением дистанционного зондирования Земли. Изменение площади хорошо дешифрируемых на аэрокосмических снимках термокарстовых озер - их динамика — используется как показатель активизации термокарстовых процессов и деградации мерзлоты.

Начиная с начала 2000-х годов зарубежными и отечественными учеными выполнены многочисленные исследования динамики термокарстовых озер, основанные на анализе разновременных космических снимков. В некоторых из них указывается на прямую взаимосвязь между изменением площади озер и потеплением климата, в других такая связь не прослеживается. При этом в пределах одной и той же территории у разных исследователей наблюдаются противоречивые результаты, что обусловлено недостаточной разработанностью методик аэрокосмических исследований динамики термокарстовых озер в имеющихся работах.

Поэтому актуальна разработка надежной методики исследований динамики термокарстовых озер по космическим снимкам, а экспериментальные исследования в различных районах криолитозоны России, проведенные на основе общей для всех районов разработанной методики, позволят выявить причины изменений и ответить на вопрос — могут ли термокарстовые озера служить индикаторами реакции криолитозоны на современное потепление климата, что является не менее актуальной задачей.

Цель диссертации — разработка методики исследований динамики термокарстовых озер по космическим снимкам, обеспечивающей достоверные результаты, и на ее основе — анализ динамики термокарстовых озер в различных географических районах, что позволит выявить особенности этой динамики и факторы, влияющие на изменение площади озер, а также определить возможность использования термокарстовых озер в качестве индикатора состояния криолитозоны при современном потеплении климата.

Для достижения поставленной цели потребовалось:

■ проанализировать состояние имеющихся исследований динамики термокарстовых озер, выявить их особенности и недостатки;

■ оценить надежность дешифрирования термокарстовых озер по космическим снимкам со спутника Landsat;

■ разработать методику исследований динамики термокарстовых озер по космическим снимкам, обеспечивающую достоверное сопоставление разновременных снимков, надежность их дешифрирования, учет погрешности определения площади озер по ним;

■ выявить основные особенности и факторы, определяющие динамику термокарстовых озер в различных районах криолитозоны России.

Методы исследования. Работа основана на исследованиях динамики термокарстовых озер, проводившихся автором путем сопоставления разновременных аэрокосмических снимков и выполненных за период 2009 -2013 гг. При разработке методики и выявлении основных особенностей динамики термокарстовых озер в различных районах криолитозоны были применены аэрокосмические, геоинформационные, картографические, картометрические и статистические методы.

Исследование опиралось на разработанные в лаборатории аэрокосмических методов классические приемы изучения динамики географических объектов по разновременным аэрокосмическим снимкам (Ю.Ф. Книжников, В.И. Кравцова, И.А. Лабутина, Е.А. Балдина); методы оценки надежности аэрокосмического картографирования (JI.E. Смирнов, Б.Б. Серапинас); научно-методические принципы тематического картографирования (К.А. Салищев, И.П. Заруцкая); современные методы геоинформационного картографирования (A.M. Берлянт, И.К. Лурье, B.C. Тикунов, Е.Г. Капралов, A.B. Кошкарев); теоретические основы и труды в области мерзлотоведения (В.А. Кудрявцев, H.H. Романовский, Э.Д. Ершов, А.И. Попов, В.Н. Конищев, H.A. Шполянская, Н.В. Тумель); исследования, посвященные изучению термокарста (С.П. Качурин, В.Л. Суходровский, Е.М. Катасонов, Ю.Л. Шур, Н.П. Босиков); современные исследования динамики термокарстовых озер (В. Riordan, К. Hinkel, L. Smith, B.B. Елсаков, Ю.М. Полищук, H.A. Брыксина, С.Н. Кирпотин, G. Grosse, A. Mongenstern, В.И. Кравцова).

Использованные материалы. В качестве основных материалов для изучения динамики термокарстовых озер использованы: космические снимки со спутника Landsat и разведывательного спутника Corona (камера KeyHole), распространяемые Геологической службой США, аэрофотоснимки масштаба 1:25 ООО и 1:60 ООО, предоставленные ПНИИИС; космические снимки сверхвысокого и очень высокого пространственного разрешения со спутников WorldView-1, GeoEye, IRS-P5 (Cartosat), SPOT-5, предоставленные ИТЦ "СКАНЭКС".

В качестве дополнительных материалов для выявления причин и основных особенностей динамики термокарстовых озер были использованы

метеорологические данные (величины атмосферных осадков и температуры воздуха) ВНИИГМИ-МЦЦ; топографические карты масштаба 1:100 ООО и 1:200 ООО, а также разнообразные тематические карты разных масштабов.

Основные защищаемые положения.

1. Разработана методика исследования динамики термокарстовых озер по аэрокосмическим снимкам, предусматривающая при автоматизированном определении изменений озер учет разрешения сравниваемых снимков, исключение из анализа малых озер с недостаточной полнотой дешифрирования и количественную оценку изменений площади отдельных озер с учетом погрешности их определения.

2. Количественная автоматизированная оценка изменений площади озер должна сочетаться с составлением картографических материалов - схем динамики озер, обеспечивающих визуальный пространственный географический анализ.

3. Динамика термокарстовых озер определяется сложным комплексом факторов. Преобладающее уменьшение их площади по территории криолитозоны в целом связано с повсеместной перераспределяющей деятельностью соединяющих озера водотоков, эрозией и зарастанием озер. Незначительное локальное увеличение вызвано действием термоабразии и термокарста в районах высокольдистых многолетнемерзлых пород. Влияние этих факторов может также осложняться новейшими тектоническими движениями. Значительные периодические изменения площади озер обусловлены колебаниями количества атмосферных осадков. В районах интенсивного освоения разнонаправленные изменения вызваны антропогенной деятельностью. Прямого влияния современного потепления климата на динамику термокарстовых озер не выявлено.

Научная новизна. В разработанной автором методике для обеспечения надежного определения изменений площади термокарстовых озер введены ограничения по площади анализируемых озер (пороги), впервые экспериментально обоснованные.

Новизной характеризуется предложение о необходимости составления картографических материалов — схем динамики термокарстовых озер для обеспечения визуального пространственного анализа в сочетании с автоматизированным определением и количественным анализом показателей изменений.

Впервые получены однотипные количественные данные об изменении площади термокарстовых озер по широкому спектру районов криолитозоны и выявлено, наряду с повсеместным влиянием на динамику термокарстовых озер гидрологических процессов (перераспределяющей деятельности водотоков и речной эрозией) и зарастания озер, влияние колебания атмосферных осадков. Выявлена опосредованная роль современных тектонических движений в

динамике озер, проявляющаяся во влиянии на перераспределяющую деятельность водотоков.

Неоднократно высказывавшееся положение об индикационной роли изменений термокарстовых озер как показателей деградации вечной мерзлоты впервые поставлено под сомнение.

Практическая значимость. Предложенная методика исследования динамики термокарстовых озер по космическим снимкам со спутника Ьапс^а!, разработанная на эталонных участках, может быть использована при более широком территориальном анализе изменений площади термокарстовых озер (сезонных, межгодовых, многолетних) в различных районах распространения термокарстовых озер.

Предложенные в разработанной автором методике ограничения по площади анализируемых озер (пороги) при использовании снимков разного пространственного разрешения могут быть определены и учтены в аэрокосмических исследованиях динамики других географических объектов.

Выявленные автором факторы, оказывающие влияние на изменение площади термокарстовых озер, рекомендуется учитывать при анализе динамики термокарстовых озер, чтобы минимизировать вероятность ошибочных выводов о причинах наблюдаемых изменений площади озер.

Внедрение. Отдельные результаты исследования реализованы в рамках государственного контракта НОЦ 14.740.11.0200 ("Картография, геоинформатика и аэрокосмическое зондирование в географии", 2010-2012 гг.), гранта РФФИ 10-05-00267 ("Учение об аэрокосмической стереомодели местности", 2012 г.) и программы НШ 3405.2010.5 ("Разработка методологических основ интеграции картографических, геоинформационных и аэрокосмических технологий для исследований в области геоэкологии, рационального природопользования и создания образовательных ресурсов", 2010 г.).

Апробация работы. Результаты исследования докладывались на российских и международных научных конференциях и совещаниях: на XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов" (г. Москва) в апреле 2009 г.; на российских конференциях "Восьмое сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу" и "Девятое сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу " (г. Томск) в октябре 2009 и октябре 2010 г.; на Четвертой конференции геокриологов России (г. Москва) в июне 2011 г.; на X Международной конференции по мерзлотоведению Т1СОР (г. Салехард) в июне 2012 г.; на конференции "Геокриологическое картографирование: проблемы и перспективы" (г. Москва) в июне 2013 г.; на 6-ой Международной конференции "Земля из космоса - наиболее эффективные решения" (г. Москва) в октябре 2013 г.

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из которых 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (128 наименования) и Приложения. Материал работы изложен на 196 страницах машинописного текста, содержит 36 таблиц, 130 рисунков, а также Приложение на 123 страницах.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю д.г.н. В.И. Кравцовой за помощь в проведении исследования и написании работы; заведующему лабораторией аэрокосмических методов, д.г.н, профессору Ю.Ф. Книжникову, к.г.н. И.А. Лабутиной, к.г.н. Е.А. Балдиной, к.г.н. Тутубалиной и всем сотрудникам лаборатории аэрокосмических методов за обсуждение работы на семинарах; Б.Б. Серапинасу за консультации в области оценки надежности результатов исследования; Н.В. Тумель, В.Л. Суходровскому, А.Б. Чижову за обсуждение промежуточных результатов и предоставление консультаций в области мерзлотоведения; Е.И. Пижанковой, A.B. Гаврилову за помощь в проведении исследования на территории Яно-Индигирской низменности; Инженерно-Технологическому Центру "СКАНЭКС" за предоставление для работы космических снимков сверхвысокого пространственного разрешения; производственному и научно-исследовательскому институту по инженерным изысканиям для строительства (ПНИИИС) за предоставление для работы аэрофотоснимков; а также всем сотрудникам кафедры картографии и геоинформатики за поддержку при работе над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, охарактеризована научная новизна, методы и практическая значимость работы, приведены сведения об апробации результатов.

Глава 1. Термокарстовые озера как объект исследования

В главе рассмотрены условия и причины возникновения термокарста, основные факторы, влияющие на развитие термокарста и история развития термокарстового рельефа. Проведен обзор и охарактеризовано современное состояние исследований динамики термокарстовых озер.

Начиная с 2000-х годов проявляется большой интерес к исследованию процессов развития термокарста с точки зрения реакции криолитозоны на глобальное потепление климата, поэтому были выполнены многочисленные исследования динамики термокарстовых озер, охватывающие области как сплошного, так и прерывистого распространения многолетнемерзлых пород в пределах полуострова Аляска (Fitzgerald, Riordan, 2003; Riordan et al, 2006; Yoshikawa, Hinzman, 2003; Grosse et al., 20086; Klein et al, 2005; Hinkel et al,

2007; Eisner et al, 2008; Eisner et al, 2009), и криолитозоны Евразии - Севера Европейской части России (Елсаков, Марущак, 2010; Смирнова с соав., 2013), Западной Сибири (Smith et al, 2005; Кирпотин с соавт., 2008; Брыксина с соавт., 2009; Днепровская, Полищук, 2008; Днепровская с соавт., 2009; Kirpotin et al, 2008; Кравцова, Тарасенко, 2010), Восточной Сибири (Hese et al, 2010; Гюнтер с соавт., 2010; Grosse et al., 20086; Веремеева, 2011; Тюкавина, 2009; Кравцова, Тюкавина, 2010), России в целом (Кравцова, Быстрова, 2009).

Все имеющиеся исследования основаны на анализе разновременных космических снимков (пары снимков или более). В качестве основных материалов при этом используют космические снимки со спутника Landsat, позволяющие проследить изменения площади озер с 1970-х по 2000-е гг., т.е. за период современного потепления климата. Большинство работ ограничивается статистическим анализом изменений площади без конкретного картографического отображения динамики озер.

В большинстве исследований, несмотря на использование снимков разного пространственного разрешения, ограничений по площади анализируемых озер не вводится. В ряде исследований такие ограничения введены, но их выбор количественно не обосновывается. Для выявления возможного влияния пространственного разрешения разновременных снимков на результаты исследования необходимы дополнительные методические изыскания.

Исследования в разных частях криолитозоны показывают, что в зоне сплошного распространения мерзлоты отмечается относительная стабильность термокарстовых озер - незначительные разнонаправленные изменения под влиянием локальных факторов. Однако в отдельных работах отмечается увеличение площади озер\ на территории Западной Сибири (Smith et al, 2005; Кирпотин с соавт., 2008; Брыксина с соавт., 2009) и Центральной Якутии (Кравцова, Быстрова, 2009), которое авторы связывают с активизацией термокарстового процесса под влиянием потепления климата. В зоне прерывистого распространения мерзлоты большинство исследователей отмечают сокращение площади озер под влиянием потепления климата, что связывают с просачиванием воды в оттаявший грунт и с испарением воды из озер. Однако в котловинах Забайкалья и на Дальнем Востоке отмечено увеличение площади озер (Кравцова, Быстрова, 2009).

Таким образом, в результатах исследований по разным регионам наблюдается ряд противоречий. Наиболее противоречивы результаты по территории Западной Сибири в зоне сплошного распространения ММП, где одними исследователями отмечается увеличение площади озер (Smith et al, 2005; Кирпотин с соавт., 2008; Брыксина с соавт., 2009), а другими -уменьшение площади озер (Кравцова, Быстрова, 2009; Кравцова, Тарасенко, 2010).

Результаты работ по изучению динамики термокарстовых озер показывают необходимость разработки единой методики и выполнения на ее основе исследований по широкому спектру регионов с учетом их географической специфики, различных факторов, влияющих на процессы термокарста и в итоге определения возможности использования динамики термокарстовых озер в качестве индикатора состояния криолитозоны при потеплении климата.

Глава 2. Методика исследования динамики термокарстовых озер

В качестве показателя динамики термокарстовых озер в представленном исследовании рассматривается изменение площади озер, а в качестве метода, позволяющего осуществлять изучение изменений, выбран анализ разновременных аэрокосмических снимков на основе совместного их дешифрирования, подразумевающего совмещение сопоставляемых снимков и требующего предварительных преобразований, как геометрических (трансформирование в единую проекцию, взаимная привязка снимков), так и содержательных, обеспечивающих одинаковую детальность сравниваемых изображений (создание так называемых переходных карт (Лабутина, 2004)), что особенно важно при исследовании динамики термокарстовых озер по разновременным аэрокосмическим материалам разного пространственного разрешения.

На рис. 1 представлена методическая схема исследования динамики термокарстовых озер на основе разновременных аэрокосмических снимков.

Согласно представленной схеме методика исследования динамики термокарстовых озер включает в себя несколько этапов: 1. Выбор и предварительная обработка материалов; 2. Этап дешифрирования водных объектов; 3. Этап выявления изменений площади озер; 4. Анализ наблюдаемых изменений.

В качестве основных материалов для изучения динамики термокарстовых озер, как правило, используют космические снимки со спутника Landsat, имеющие ряд преимуществ по сравнению с другими космическими снимками: наличие снимков от начала 1970-х годов, высокая регулярность съемки, свободный доступ к снимкам, наличие съемки в ближней инфракрасной зоне, большой охват территории одним снимком. Однако недостаточное пространственное разрешение этих космических снимков (у съемочной системы MSS - 80 м, а у съемочных систем ТМ и ЕТМ+ - 30 м) является одним из главных ограничений, которое необходимо учитывать, особенно при анализе многолетних изменений площади озер, когда приходится сравнивать снимки разного пространственного разрешения. Дополнительно рекомендуется использовать аэрофотоснимки и космические снимки с разведывательных спутников Corona (KeyHole), к достоинствам которых следует отнести: более высокое пространственное разрешение и возможность рассмотрения более

длительного временного интервала, а к неудобствам - необходимость географической привязки и трансформирования серии снимков в проекцию и систему координат основного снимка Ьапс^а!, визуальное дешифрирование вместо автоматизированного, а также ограниченное распространение таких материалов, определенные трудности поиска и доступа к ним.

Рис. 1. Методическая схема исследования динамики термокарстовых озер

1. Выбор и предварительная обработка материалов включает в себя выбор эталонных участков, подбор космических снимков и их предварительную обработку {радиометрическую и геометрическую коррекцию), а также выделение сравниваемых фрагментов снимков — области исследования.

Изучение изменений площади озер требует работы в достаточно крупных масштабах, поэтому проводится на эталонных участках, выбор которых обусловлен целью исследования и наличием подходящих аэрокосмических снимков. Отбираются снимки без облачности и теней от облаков, учитывается сезон съемки. Сезонные изменения могут проявляться по-разному: наличие льда на озерах, увеличение уровня воды в них в начале лета, развитие водной растительности на мелких озерах к концу лета. При изучении многолетней динамики важно использовать снимки за один сезон (желательно, полученные в

конце летнего - начале осеннего периода), иначе возникает опасность принять сезонные изменения за многолетние. После подбора космических снимков проводится их геометрическая коррекция (трансформирование и географическая привязка). Далее с использованием программных средств выделяется область исследования в зонах перекрытия разновременных снимков и вне изображения облаков и теней от них.

2. Этап дешифрирования водных объектов включает выделение озер на паре разновременных аэрокосмических снимков - их визуальное либо автоматизированное дешифрирование. При выделении многочисленного количества термокарстовых озер в пределах большого района исследования несомненны преимущества автоматизированного дешифрирования, выполняемого по снимкам в ближней инфракрасной зоне, где водные объекты надежно выделяются. Однако при наличии теней от облаков и гарей, имеющих на снимках в ближней инфракрасной зоне такие же значения спектральной яркости, что и водные объекты, рекомендуется использовать снимки в средней инфракрасной зоне. В качестве способа автоматизированного дешифрирования озер по космическим снимкам со спутника Landsat в инфракрасной зоне использовалась кластеризация ISODATA, выполненная в программном пакете ScanEx IMAGE Processor; оценка результатов дешифрирования водных объектов с ее использованием показала достоверность 98%. При отсутствии многозональной съемки (при использовании снимков KeyHole и аэрофотоснимков) целесообразно использовать визуальное дешифрирование на экране монитора с цифрованием мышью береговых линий.

В результате этого этапа по двум разновременным аэрокосмическим снимкам получают два разновременных изображения водных объектов в растровом или векторном формате, в зависимости от используемого метода дешифрирования.

Для выявления изменений по полученным разновременным изображениям необходимо обеспечить их сопоставимость по детальности. В связи с этим в нашем исследовании была выполнена оценка надежности дешифрирования озер по снимкам разного разрешения, которая позволила выявить значения площади озер, надежно выделяемых на космических снимках со спутника Landsat с пространственным разрешением 30 м и 80 м. Такая оценка очень важна, однако в предыдущих исследованиях практически не проводилась.

Оценка надежности была основана на сопоставлении результатов дешифрирования термокарстовых озер по космическим снимкам со спутника Landsat (с пространственным разрешением 30 м и 80 м) с результатами дешифрирования озер по снимкам сверхвысокого (0,5 м) и очень высокого (2,5 м) разрешения (со спутников WorldView-1, IRS-P5 (Cartosat) и SPOT-5), полученным за одну или близкие даты, в пределах трех эталонных участков общей площадью 9,1 тыс. км2, включающих около 17 000 озер. Фрагменты

использованных снимков представлены на рис. 2. Дешифрирование озер было выполнено в программном пакете ScanEx IMAGE Processor, а сопоставление результатов дешифрирования - в программном пакете ArcGIS.

На основе сравнения со снимками сверхвысокого разрешения, игравшими роль "земной правды", по космическим снимкам со спутника Landsat определены полнота дешифрирования озер, достоверность дешифрирования

озер и погрешность определения их площади.

Рис. 2. Фрагменты космических снимков, использованных при оценке надежности дешифрирования термокарстовых озер

Полнота дешифрирования озер характеризует отсутствие пропусков и была определена как отношение количества озер, дешифрируемых на снимках со спутника Landsat, к количеству озер, дешифрируемых на снимках сверхвысокого разрешения. Результаты определения этой характеристики показывают, что полнота дешифрирования закономерно увеличивается по мере увеличения площади озер (рис. 3).

полнота дешифрирования озер полнота дешифрирования озер

по снимку ЕТМ+(ТМ)/1.апс1ва1, % по снимку МЗвЛ-апава!. %

0,2 0,3 0,4 0,5 0.6 0,7 0,8 0.9 1 2 3 4 5 6

площадь озер, га площадь озер, га

Рис. 3. Полнота дешифрирования термокарстовых озер разной площади по снимкам со спутника Landsat относительно снимков сверхвысокого

разрешения

В нашем исследовании в качестве надежно определяемых рассматриваются озера с полнотой дешифрирования более 90% (как это принято в картографо-географических работах (Серапинас, 2004)). Как следует из графика на рис. 3 у снимков ЕТМ+(ТМ)/ЬапёБа1 - это озера площадью более 0,5 га, а у снимков МЗБ/Ьапс^а! - более 3 га. Для обеспечения сопоставимости количества озер на сравниваемых снимках озера меньшего размера следует исключать из анализа.

Достоверность дешифрирования характеризует долю правильно дешифрируемых объектов и, как правило, зависит от географических особенностей территории, спектральных характеристик используемого снимка и способа дешифрирования снимка. В нашем исследовании для кластеризации КСШАТА на всех эталонных участках были получены высокие значения достоверности дешифрирования озер в 98%. Таким образом, использование кластеризации 1БСЮАТА для автоматизированного дешифрирования озер по снимкам в ближней инфракрасной зоне вполне оправдано.

Погрешность определения площади каждого отдельного озера по снимкам со спутника Ьапска! относительно эталонных изображений сверхвысокого

а — А

разрешения была определена по формуле: Д = 100%(—-—), где я, - площадь

Атт

озера, вычисленная по снимку Ьапс^а!, Аист - истинное значение площади озера, вычисленное по снимку сверхвысокого разрешения.

В результате по значениям этой погрешности для каждого отдельного озера были составлены графики зависимости ее от размеров озер, согласно которым наблюдается постепенное уменьшение погрешности с увеличением площади озер. В качестве примера на рис. 4 приведен график изменения относительной погрешности определения площади озер по снимку ЕТМ+(ТМ)/Ьапёза1 в зависимости от площади озер. Установлено, что при измерении площади озер по снимкам со спутника ЬапёБа! мы, главным образом, преуменьшаем площади озер по сравнению с их действительным размером. Следовательно, относительная погрешность определения площади озер включает в себя случайную составляющую е с нулевым математическим ожиданием и постоянную систематическую составляющую 5: Д = е + 8

С целью определения значений погрешности для озер разной площади по формуле Гаусса была вычислена средняя квадратическая погрешность и для

отдельных групп озер разной площади: о = ] ——, где А- относительная

II п

погрешность определения площади каждого озера, п - общее количество озер. Вычисленные значения а характеризуют как случайную б, так и систематическую 8 составляющие погрешности определения площади озер: а = аЛ = л]а] +§2, где а2 - дисперсия случайных ошибок. В результате были составлены графики изменения средней квадратической погрешности

13

определения площади озер а в зависимости от величины площади озер (рис. 5, 6). Серым фоном выделена часть графика, относящаяся к озерам с полнотой дешифрирования менее 90%.

относительная погрецяость определения площади озер. % 100 ..

Рис. 4. Изменение относительной погрешности определения площади озер по снимку ЕТМ+(ТМ)/ЬапсЬа! в зависимости от площади озер

количество

количество озер

средняя квад|

100 4- 100

о.а 0.7 0 8 0.9 12345678 22

—«- - средняя квадратическая погрешность

10 20 30 40 50 60

- количество озер

80 90 100 плошйФ озер по снимку МЭЭ. га

Рис. 6. Средняя квадратическая погрешность определения площади озер по

снимку МБЗ/Ьапска!

Как видно на графиках, погрешности определения площади озер по снимкам со спутника ЬапсЬа! достаточно большие. Определение значений

Рис. 5. Средняя квадратическая погрешность определения площади озер по снимку ЕТМ+(ТМ)/Ьапс18а1

0,1 0,2 0.3 0.4 0,5 0.6 0,7 0.8 0.9 1 2 3 4 5 35

—- средняя квадратическая погрешность

б

I

7 8 9 10 20 30

- количество озер

70 80 90 100

площзф озер снимку ТМ/ЕТМ+, га

площади озер с погрешностью менее 10% возможно лишь для крупных озер площадью более 10 га для снимков ЕТМ+(ТМ)/Ьагкка1 и более 40 га для снимков МЯ8''ЬапсЬа1.

Таким образом, оценка надежности дешифрирования термокарстовых озер по космическим снимкам со спутника Ьапс^а! показала, что на снимке ЕТМ+(ТМ)/Ьапс18а1 с полнотой дешифрирования более 90% возможно отдешифрировать озера площадью более 0,5 га и определить площадь озер с погрешностью менее 10% лишь у озер площадью более 10 га. На снимке МЗЗ/Ьапёва! возможно отдешифрировать с полнотой дешифрирования более 90% озера площадью более 3 га и определить площадь озер с погрешностью менее 10% лишь у озер площадью более 40 га. Использование таких снимков при изучении динамики озер должно учитывать ряд ограничений: исключение из рассмотрения малых озер с полнотой дешифрирования менее 90% и учет погрешности определения площади озер.

Для обеспечения следующего этапа - выявления изменений площади озер по разновременным космическим снимкам со спутника Ьапс^а! и надежного определения изменений площади озер по ним дополнительно проведена оценка возможностей взаимного сопоставления единовременных космических снимков со спутника Landsat (одинакового и разного разрешения), выполняемого при их практическом использовании. Даже при одинаковом разрешении сравниваемых снимков (например, ЕТМ+СТМуЬапсЬа! с такими же снимками ЕТМ+(ТМ)/Ьапс15а(:) возможны различия площади одних и тех же озер на них, в частности за счет разного положения озер на сетке пикселов. Еще большие различия выявляются при сравнении снимков МЗБ/Ьапска!: со снимками ЕТМ+(ТМ)/Ъапс1за1. В результате такой оценки, выполняемой по единовременным парам снимков, были получены величины озер, для которых обеспечивается полнота дешифрирования более 90%, и среднеквадратические погрешности определения площади озер, которые необходимо будет учитывать при выявлении изменений площади озер по разновременным космическим снимкам со спутника Ьапс^.

Сравнение единовременных снимков одинакового разрешения (практически - полученных с разницей в несколько дней) было проведено на примере двух эталонных участков, а снимков разного пространственного разрешения, полученных в один день, - на примере одного участка. При сопоставлении снимков учитывались разности площади озер с1, вычисленные по единовременным снимкам одинакового и разного разрешения.

В результате было установлено, что достоверное сопоставление более 90% озер по снимкам ЕТМ+(ТМ)/Ьапс18а1 с такими же снимками ЕТМ+(ТМ)/Ъапс18а1 обеспечивается для озер площадью более 0,4 га, а по снимкам МЗБ/Ьапска! -для озер площадью более 2 га. Озера меньшей площади необходимо исключать из анализа, поэтому полученные значения (0,4 га для снимков

ЕТМ+(ТМ)/Ьапёза1 и 2 га для снимков МБЗ/Ьапс^а!) рекомендуется использовать в качестве пороговых значений при изучении динамики термокарстовых озер по разновременным снимкам со спутника Ьапс^а!.

Кроме этого были вычислены среднеквадратические погрешности определения площади озер по снимкам со спутника Ьапс^а! одинакового разрешения (рис. 7) и среднеквадратические погрешности определения площади озер по снимкам со спутника Ьапска! разного разрешения (рис. 8).

30 ПЛ01ЩФ озер

—•— - среднеквадратическая погрешность - количество озер по снимку ТМ/ЕТМ+. га

Рис. 7. Среднеквадратические погрешности определения площади озер по снимку ЕТМ+(ТМ)/ЬапёБа1 относительно снимка ЕТМ+(ТМ)/Ьапс18а1 за близкие

даты

количество озер

0.7 0.8 0.9 1 2 3 А 5 6 7 8 9 10 20 30 « 50 60 70 80 90 100 25 ПЛОИЙДэ озер

■ - среднеквадратическая погрешность I | - количество озер по снимку МББ, га

Рис. 8. Среднеквадратические погрешности определения площади озер по снимку МЗЗ/ЬапёБа! относительно снимка ЕТМ+(ТМ)/Ьапс18а1

Из-за больших значений погрешности определения площади малых озер (рис. 5, 6, 7, 8), по количеству преобладающих в большинстве районов, нецелесообразно определять изменение суммарной площади всех озер. Однако чтобы не исключать из анализа большое количество озер, в частности с погрешностью определения площади более 10%, мы рекомендуем оценивать изменения площади отдельных озер с учетом среднеквадратической погрешности определения площади озер по единовременным космическим снимкам со спутника Ьапс18а1. Для групп озер разной площади при этом необходимо учитывать свое значение среднеквадратической погрешности в соответствии с графиками (рис. 7, 8). Рекомендуется учитывать изменения

16

площади озер, превышающие значения 1,64 ег, где а — среднеквадратическая погрешность. Согласно нормальному распределению случайной величины с вероятностью 10% в этом пределе будет находиться случайная величина, в нашем случае погрешность определения площади озер, а если быть точнее, разность площади озер ¿1, вычисленная по единовременным снимкам одинакового и разного разрешения. Такой подход позволит зафиксировать существенные изменения площади озер в пределах большой территории.

3. Этап выявления изменений площади термокарстовых озер включает в себя подготовку результатов дешифрирования озер к надежному выявлению изменений, их сопоставление и непосредственно локализацию изменившихся озер.

Прежде чем приступить к обработке результатов дешифрирования (т.е. растрового изображения с выделенными при автоматической классификации озерами) и выявлению изменений по ним, необходимо провести растрово-векторное преобразование - векторизацию, чтобы в дальнейшем иметь возможность определить изменения площади каждого отдельного озера. После того, как операция векторизации выполнена, необходимо исключить из анализа малые озера, полнота дешифрирования которых менее 90%. Для остальных вычисляются значения изменений площади каждого озера и проводится выборка озер, у которых изменения площади превышают значения 1,64а, где а - среднеквадратическая погрешность. Таким образом, получают примерную выборку значимо изменившихся озер в пределах всего исследуемого региона. В дальнейшем целесообразно проводить визуальную проверку выбранных озер на наличие изменений по картографическим материалам - схемам динамики термокарстовых озер, составленным по разновременным снимкам, преобразованным с учетом указанных порогов (переходным картам). Схемы динамики рекомендуется составлять в масштабе порядка 1:100 ООО на фрагменты эталонных участков, отражающие наиболее характерные черты всего исследуемого района. Схема динамики представляет собой графическое изображение, на котором отображены расхождения в контурах и площади озер на разновременных материалах. Такое представление позволяет наглядно зафиксировать изменения озер и обеспечивает их пространственный анализ.

При оценке изменений площади термокарстовых озер рекомендуется совместное использование двух рассмотренных методов - количественной оценки с выборкой изменившихся озер в пределах большой территории и визуальной оценки изменений с пространственным анализом их распределения по схемам динамики термокарстовых озер, составленным на характерные фрагменты эталонных участков.

4. Анализ выявленных изменений площади озер направлен главным образом на поиск их причин. В основе этого анализа, основанного на ландшафтном дешифрировании, лежит выявление причинно-следственных

связей между изменением термокарстовых озер и природными процессами, происходящими в районах их развития. При таком анализе необходимо учитывать возможное влияние ряда факторов: эрозионной и термоэрозионной деятельности рек и водотоков, зарастания озер, изменения количества атмосферных осадков, льдистости многолетнемерзлых пород, антропогенной деятельности. Рекомендуется также уделять внимание современным тектоническим движениям, которые могут косвенно влиять на изменение площади озер через распределяющую деятельность водотоков.

Глава 3. Результаты исследований динамики термокарстовых озер в различных районах России

Исследования динамики термокарстовых озер выполнены на эталонных участках в различных районах криолитозоны России: на Севере Европейской России, в Западной Сибири, на Севере Восточной Сибири и Дальнего Востока, в Центральной Якутии и в котловинах Забайкалья (рис. 9).

Распространение многолетнемерзлых пород

В-сплошное более 90% площади

1,■'.-_,-] - прерывистое

от 50% ло 90% площади

Ш-островное менее 50% плошали

Льдистость многолетне-мерзлых пород в процентах ог общего объема породы

| - более 40 -яг20до40 □ - менее 20

{ - подземные льды а сезоиномерзлых пород

Рис. 9. Районы исследования динамики термокарстовых озер

Выбор этих районов определялся рядом факторов: распространением термокарстовых озер (Кравцова, 2009), распределением показателей современного потепления климата (Малкова, Павлов, 2012) и зависел также от результатов проведенных ранее исследований динамики термокарстовых озер (Кравцова, Быстрова, 2009; Smith et al, 2005; Брыксина с соавт., 2009; Кравцова, Тарасенко, 2010). Мы исходили из того, что в криолитозоне, особенно в районах распространения высокольдистых многолетнемерзлых пород распространены преимущественно озера термокарстового происхождения или озера, испытывающие или испытывавшие в прошлом воздействие процесса термокарста, поэтому рассматривались все озера, без

ЧУКОТСКОЕ / МОРЕ

41. турбин

ниа'шш

'АшнШпь

Ипирне)

депутатский •

Средне!

•Камепа

2ШГкм

разделения их по генезису. В 6 районах было проанализировано 39 эталонных участков и охвачено анализом 300 ООО озер.

_120"_130"_140"_150"_160"_170"_180"_70"_

130" 140° 150" 160" 170'

Рис. 10. Изменения площади озер, выявленные на Севере Восточной Сибири и

Дальнего Востока

3 озера -0,1 км2 3 озера + 0,4 км2

количество уменьшившихся отер изменение плошали уменьшившихся озер количество увеличившихся озер изменение площади увеличившихся озер

Ш. ШСПа не изменившиеся Н " уменьшение плошали и - увеличение площади и

1'' исчезновение озер ^^^ " появление озер

Рис. 11. Фрагменты схем динамики термокарстовых озер на территорию эталонных участков: А-№1 (1972-2011 гг.), Б - №3 (1974-2001 гг.)

В результате исследования многолетней динамики термокарстовых озер с 1970-х - 1980-х по 2000-е годы по разработанной автором методике в пределах каждого эталонного участка было определено количество озер, площадь которых уменьшилась, количество озер, площадь которых увеличилась, и изменение площади озер в км2. Эти результаты отражены на картах. Пример такой карты, характеризующей изменения площади озер на Севере Восточной Сибири и Дальнего Востока, представлен на рис. 10. Помимо этого, на

фрагменты всех эталонных участков получены детальные (1:100 ООО) картографические материалы - составлены схемы динамики озер, отражающие наиболее характерные для района изменения и обеспечивающие визуальный пространственный географический анализ. Фрагменты таких схем динамики показаны на рис. 11. На территорию криолитозоны России в целом было составлено 56 схем динамики, которые представлены в Приложении к диссертации.

Все количественные показатели в пределах каждого эталонного участка (количество изменившихся озер и изменение площади озер в км2) были подсчитаны относительно площади эталонных участков и приведены в виде графиков на рис. 12, 13. Такие графики представлены для всех 6 исследованных районов.

Кол ичество изменившихся

—■--количество уменьшившихся озер —•--количество увеличившихся озер

Районы исследования: I - Север Европейской России, 2 - Западная Сибирь, 3 - Север Восточной Сибири. 4 - Север Дальнего Востока, 5 - Центральная Якутия. 6 - Котловины Забайкалья

Распространение многолетнемерзлых пород: - островное - прерывистое - сплошное

Рис. 12. Количество изменившихся озер в пределах эталонных участков

Изменение площади озер относительно площади эталонного участка, %

■ - уменьшение площади озер —■— - увеличение площади озер

Районы исследования: I - Север Европейской России, 2 - Западная Сибирь, 3 - Север Восточной Сибири, 4 - Север Дальнего Востока, 5 - Центральная Якут ия, 6 - Котловины Забайкалья

Распространение многолетнемерзлых пород: - островное - прерывистое - сплошное

Рис. 13. Изменение площади озер относительно площади эталонных участков

Графики показывают разнонаправленные изменения площади озер в различных районах криолитозоны России. Во всех районах встречаются озера, площадь которых уменьшилась, и озера, площадь которых увеличилась. Однако в целом по всей территории России с 1970-х - 1980-х по 2000-е годы сокращение площади и количества термокарстовых озер преобладает над их увеличением. Сокращение площади озер в среднем для всех проанализированных в 6 районах 39 эталонных участков составляет -2,9%, а увеличение - +1,2%. Уменьшение количества озер составляет -0,5%, а увеличение - +0,3%.

Наибольшее сокращение площади озер (рис. 13) отмечается на территории Западной Сибири, на Севере Восточной Сибири в пределах Колымской низменности и на Севере Дальнего Востока в пределах Анадырской низменности. Массовое сокращение площади озер на территории России обусловлено, главным образом, деятельностью водотоков, по которым осуществляется спуск озер, и зарастанием водоемов растительностью. Прямого влияния потепления климата на эти процессы не выявлено, можно судить лишь о возможном его косвенном влиянии на активизацию эрозионных и термоэрозионных процессов.

Увеличение площади озер, как по количеству увеличившихся озер (рис. 12), так и по приращению площади (рис. 13) существенно меньше сокращения и значительно преобладает над уменьшением лишь на территории Центральной Якутии, а также на Севере Восточной Сибири в пределах Яно-Индигирской низменности, и незначительно - на отдельных участках в зоне островного распространения мерзлоты на территории Западной Сибири и в котловинах Забайкалья. Локальное увеличение площади озер, однако, меньшее чем их уменьшение, также отмечается в зоне сплошного распространения мерзлоты на территории Западной Сибири - на полуостровах Ямал и Гыдан. Наблюдаемое в разных регионах увеличение площади озер объясняется целым рядом факторов и далеко не всегда связано с повышением температуры воздуха.

Во многих исследованных районах: на севере Европейской России в дельте реки Печоры, на территории Яно-Индигирской низменности в дельте реки Яны, на территории Колымской низменности в долине реки Алазея, а также в котловинах Забайкалья отмечается увеличение площади озер, обусловленное гидрологическими причинами - деятельностью соединяющих озера водотоков, по которым происходит наполнение озерных котловин. Увеличение площади озер в этих регионах, как правило, обусловлено изменчивостью водного режима и водного баланса рек и водотоков.

На территории Центральной Якутии, где отмечено наибольшее увеличение площади озер, оно четко связано с колебаниями количества осадков, имеющими цикличный характер с чередованием многоводных и маловодных периодов. Вслед за цикличностью многоводных и маловодных

периодов выявлены соответствующие цикличные межгодовые изменения (увеличение и уменьшение) площади озер.

На территории Яно-Индигирской и частично на территории Колымской низменности, а также на севере Западной Сибири (в отдельных районах полуострова Ямал и Гыдан) отмечается увеличение площади озер в виде узкой каймы по краю озерной котловины. Такое увеличение площади озер в районах сплошного распространения высокольдистых многолетнемерзлых пород может быть обусловлено развитием процессов термокарста и термоабразии в результате волновой деятельности. Это единственные районы, в которых можно предположить активизацию термокарстовых процессов с некоторым увеличением площади озер.

В районах разработки нефтегазовых месторождений - на юге Западной Сибири отмечается влияние антропогенной деятельности на увеличение площади озер; она проявляется в искусственном изменении гидрографической сети (при изъятии грунта, возведении насыпных площадок), изменении уровня грунтовых вод при закачке технологических растворов, непосредственном тепловом воздействии технических сооружений.

Таким образом, на территории криолитозоны нашей страны преобладает сокращение площади термокарстовых озер, обусловленное преимущественно эрозионной деятельностью рек и зарастанием водоемов. Увеличение площади озер, преобладающее лишь в ряде районов и локально встречающееся практически во всех рассмотренных районах, обусловлено, как правило, рядом факторов: деятельностью водотоков, количеством атмосферных осадков, возможной активизацией процессов термокарста в районах распространения высокольдистых многолетнемерзлых пород, влиянием техногенных процессов.

Помимо вышеупомянутых причин детальное исследование динамики термокарстовых озер на севере Яно-Индигирской низменности выявило также роль неотектоники в развитии термокарста, проявляющуюся через влияние на водный режим территории. Тектоническое поднятие способствует дренированности территории и не способствует образованию новых озер, а опускание, напротив, сопровождается обводнением поверхности и увеличением размеров и густоты сети озер. Наибольшее увеличение площади озер в виде узкой каймы по краю озерной котловины в этом районе как раз отмечается в областях тектонических опусканий.

В нашем исследовании, как и в работах американских и западносибирских ученых в зоне сплошного распространения мерзлоты в Западной Сибири выявлено некоторое увеличение площади озер. Однако по нашим данным процесс сокращения водоемов здесь протекает значительно интенсивнее (количество озер с уменьшением площади в 4,5 раза больше, чем с увеличением; уменьшение площади озер в 3,5 раза больше, чем ее увеличение). Это в очередной раз подтвердило расхождение с выводами (Smith et al, 2005;

Брыксина с соавт., 2009) относительно преобладающего увеличения площади озер в этом регионе под влиянием современного потепления климата. И хотя наблюдаемое нами увеличение по краям озерных котловин может быть связано с активизацией термокарста и термоабразией, преобладающее сокращение озер почти повсеместно обусловлено гидрологическими причинами, спуском озер и их зарастанием.

В сложном комплексе факторов, влияющих на изменение размеров озер, выделить влияние современного потепления климата практически не представляется возможным. Динамику термокарстовых озер нельзя рассматривать с точки зрения влияния одного фактора — потепления климата, необходимо учитывать комплекс факторов: гидрологических, метеорологических, антропогенных.

В заключении приведены основные научные и практические результаты диссертационной работы, состоящие в следующем:

1. Анализ имеющихся отечественных и зарубежных исследований динамики термокарстовых озер показал существенные расхождения в результатах исследований и недостаточную разработанность используемых методик.

2. В результате оценки надежности дешифрирования термокарстовых озер по космическим снимкам со спутника Ьапска!, проведенной при их сопоставлении со снимками сверхвысокого разрешения, установлено, что: на снимках ЕТМ+(ТМ)/Ьапёза1 полнота дешифрирования более 90% обеспечивается лишь для озер площадью более 0,5 га, а определение площади озер с погрешностью менее 10% лишь для озер площадью более 10 га; на снимках МЯБ/Ъапс^а! полнота дешифрирования более 90% обеспечивается для озер площадью более 3 га, а определение площади озер с погрешностью менее 10% лишь для озер площадью более 40 га. Поэтому использование космических снимков со спутника Ьапска! при изучении динамики термокарстовых озер должно учитывать ряд ограничений. Необходимо исключение из рассмотрения малых озер с полнотой дешифрирования менее 90% и учет погрешности определения площади озер.

3. Разработана методика исследования динамики термокарстовых озер по разновременным космическим снимкам. Сравнение разновременных снимков со спутника Ьапс^а! разного разрешения требует приведения их к одинаковой детальности путем исключения озер, не отображающихся на менее детальном снимке. Сравнение разновременных снимков одинакового разрешения также требует исключения из анализа малых озер, по-разному изображающихся на этих снимках из-за различий в их положении относительно сетки пикселов. Величины пороговых значений, обеспечивающих правомерность такого сравнения, определенные в результате сопоставления между собой единовременных космических снимков со спутника Ьапска):, составили: 0,4 га

для снимков ETM+(TM)/Landsat и 2 га для снимков MSS/Landsat. Исключение из анализа малых озер такой величины обеспечивает сопоставимость количества озер на сравниваемых снимках.

При изучении динамики термокарстовых озер по космическим снимкам со спутника Landsat из-за больших значений погрешности определения площади малых озер, по количеству преобладающих в большинстве районов, нецелесообразно определять изменение суммарной площади всех озер. Рекомендуется оценивать изменения площади отдельных озер с учетом значений погрешности определения площади озер (превышающие значения 1,64 сг, где о - среднеквадратическая погрешность), которые были получены в результате сопоставления между собой единовременных космических снимков со спутника Landsat.

Количественную автоматизированную оценку изменений площади озер необходимо сочетать с составлением картографических материалов - схем динамики термокарстовых озер, обеспечивающих проверку выявленных изменений и визуальный пространственный географический анализ изменений.

4. В результате исследований динамики термокарстовых озер на 39 эталонных участках в районах Севера Европейской части России, Западной Сибири, Севера Восточной Сибири и Дальнего Востока, Центральной Якутии, котловинах Забайкалья, выполненных на основе разработанной методики, выявлены основные особенности и факторы, влияющие на изменение размеров озер.

Преобладающее уменьшение площади озер с 1970-х по 2000-е годы на территории криолитозоны в целом связано с повсеместной перераспределяющей деятельностью соединяющих озера водотоков, эрозией и зарастанием озер. Незначительное увеличение - с региональным действием термоабразии и термокарста в районах высокольдистых многолетнемерзлых пород, с ритмическим изменением количества атмосферных осадков и влиянием антропогенной деятельности. Помимо этого влияние этих факторов может осложняться новейшими тектоническими движениями. Решающего прямого влияния современного потепления климата на динамику термокарстовых озер не выявлено.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Тарасенко* Т.В. Межгодовая изменчивость площадей термокарстовых озер на территории Центральной Якутии // Водные ресурсы. - 2013. - т. 40. -№2,- С. 130-139

Tarasenko T.V. Interannual variations in the areas of thermokarst lakes in Central Yakutia//Water Resources. - 2013.-vol. 40. - №2,- P. 111-119

2. Кравцова В.И., Тарасенко T.B. Динамика термокарстовых озер Центральной Якутии при изменениях климата с 1950 г. // Криосфера Земли. -2011,- т. XV,- №3,- С. 31-42

в прочих изданиях:

3. Тарасенко Т.В. Изучение динамики термокарстовых озер на территории Западной Сибири по космическим снимкам [Электронный ресурс] // Материалы докладов XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов". - М. Изд-во МГУ, 2009. - режим доступа: CD-R

4. Кравцова В.И., Тарасенко Т.В. Изучение и картографирование динамики термокарстовых озер на территории Западной Сибири по разновременным космическим снимкам // Восьмое сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу. Материалы российской конференции 810 октября 2009 г. - Томск: "Аграф-Пресс", 2009. - С. 273-275

5. Кравцова В.И., Тарасенко Т.В. Изучение и картографирование динамики термокарстовых озер на территории Западной Сибири по разновременным космическим снимкам // Динамика окружающей среды и глобальные изменения климата. - Ханты-Мансийск: Изд-во Югорского государственного университета, 2010. - Т.1.1.- С. 88-93

6. Кравцова В.И., Тарасенко Т.В. Изучение динамики термокарстовых озер Центральной Якутии по разновременным снимкам // Материалы четвертой конференции геокриологов России. МГУ имени М.В. Ломоносова, 7-9 июня 2011 г. Т. 2. Часть 5. Региональная и историческая геокриология. Часть 6. Динамическая геокриология. - М: Университетская книга, 2011. - С. 254-261

7. Кравцова В.И., Тарасенко Т.В. Аэрокосмические методы изучения изменений термокарстовых озер на территории Центральной Якутии // Девятое сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу. Материалы российской конференции 3-6 октября 2011 г. - Томск: "Аграф-Пресс", 2011. -С. 268-269

8. Тарасенко Т.В., Кравцова В.И. Исследование изменений площадей термокарстовых озер на основе анализа космических снимков // Труды Десятой Международной конференции по мерзлотоведению TICOP. Салехард. 25-29 июня 2012 г. - Тюмень: ООО "Печатник", 2012. - т. 3 (статьи на русском языке).-С. 505-510

Tarasenko T.V., Kravtsova V.l. The study of surface area changes of thermokarst lakes on the basis of satellite images // Proceedings of the Tenth International Conference on Permafrost. Salekhard. June 25-29, 2012. - Salekhard: The Northern Publisher, 2012. - vol. 2 (translations of Russian contributions). - P. 439^444

9. Тарасенко Т.В., Кравцова В.И., Пижанкова Е.И., Гаврилов A.B. Динамика термокарстовых озер приморской части Яно-Индигирской низменности по дистанционным данным [Электронный ресурс] // Тезисы конференции "Геокриологическое картографирование: проблемы и перспективы". Москва. 5-6 июня 2013 г. - 2013. - режим доступа: CD-R. -номер государственной регистрации обязательного электронного издания -0321302405

10. Тарасенко Т.В. Оценка возможностей использования снимков со спутника Landsat для изучения динамики термокарстовых озер [Электронный ресурс] // Тезисы конференции "Геокриологическое картографирование: проблемы и перспективы". Москва. 5-6 июня 2013 г. - 2013. - режим доступа: CD-R. - номер государственной регистрации обязательного электронного издания-0321302405

* Тарасенко - девичья фамилия автора

Заказ № ЗЗ-Р/01/2014 Подписано в печать 21.01.14 Тираж 150 экз. Усл. п.л. 1,2

000 "Цифровичок", тел. (495) 797-75-76 VV V'/' www.cfr.ru ; e-mail:info@cfr.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Родионова, Татьяна Васильевна, Москва

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

географический факультет

кафедра картографии и геоинформатики

на правах рукописи

04201456410

Родионова Татьяна Васильевна

Исследование динамики термокарстовых озер в различных районах криолитозоны России по космическим снимкам

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 25.00.33 - картография

Научный руководитель: в. н. е., д. г. н. Кравцова В. И.

Москва 2014

Оглавление

Введение................................................................................................................3

1. Термокарстовые озера как объект исследования................................................8

1.1. Причины образования и особенности развития термокарста......................................8

1.2. История развития термокарстового рельефа........................................................15

1.3. Состояние исследований динамики термокарстовых озер.......................................18

1.4. Выводы.....................................................................................................32

2. Методика исследования динамики термокарстовых озер.................................34

2.1. Общая методическая схема исследования динамики термокарстовых озер................34

2.2. Характеристика основных материалов исследования............................................36

2.3. Выбор и предварительная обработка материалов.................................................39

2.4. Этап дешифрирования водных объектов............................................................43

2.5. Оценка надежности дешифрирования термокарстовых озер....................................48

2.6. Оценка возможностей взаимного сопоставления космических снимков со спутника Landsat одинакового и разного разрешения........................................................64

2.7. Этап выявления изменений площади термокарстовых озер....................................69

2.8. Анализ выявленных изменений.......................................................................74

2.9. Выводы.....................................................................................................76

3. Результаты исследований динамики термокарстовых озер в различных районах России...........................................................................................................79

3.1. Выбор районов исследования.........................................................................79

3.2. Север Европейской России............................................................................84

3.3. Западная Сибирь.........................................................................................94

3.4. Север Восточной Сибири и Дальнего Востока...................................................116

3.5. Центральная Якутия....................................................................................143

3.6. Котловины Забайкалья.................................................................................158

3.7. Сопоставление результатов региональных исследований.....................................168

3.8. Выводы....................................................................................................172

Заключение..........................................................................................................174

Список использованной литературы.........................................................................177

Список иллюстративного материала..........................................................................188

Приложение (отдельный том): Схемы динамики термокарстовых озер, составленные по разновременным космическим снимкам на фрагменты эталонных участков в пределах различных районов криолитозоны России...............................................................1-123

Введение

Актуальность темы исследования. Характерную черту криолитозоны, занимающей 65% территории России, составляет развитие процессов термокарста и предопределяемые ими формы рельефа - термокарстовые котловины и термокарстовые озера. В условиях потепления климата проявляется большой интерес к исследованию процессов развития термокарста как реакции криолитозоны на повышение температуры воздуха. Однако труднодоступность территории многолетней мерзлоты, высокая степень ее заболоченности не позволяют проводить такие исследования на местности, особенно в пределах больших территорий. В настоящее время стало возможно выполнять их с внедрением дистанционного зондирования Земли. Изменение площади хорошо дешифрируемых на аэрокосмических снимках термокарстовых озер - их динамика - используется как показатель активизации термокарстовых процессов и деградации мерзлоты.

Начиная с начала 2000-х годов зарубежными и отечественными учеными выполнены многочисленные исследования динамики термокарстовых озер, основанные на анализе разновременных космических снимков. В некоторых из них указывается на прямую взаимосвязь между изменением площади озер и потеплением климата, в других такая связь не прослеживается. При этом в пределах одной и той же территории у разных исследователей наблюдаются противоречивые результаты, что обусловлено недостаточной разработанностью методик аэрокосмических исследований динамики термокарстовых озер в имеющихся работах.

Поэтому актуальна разработка надежной методики исследований динамики термокарстовых озер по космическим снимкам, а экспериментальные исследования в различных районах криолитозоны России, проведенные на основе общей для всех районов разработанной методики, позволят выявить причины изменений и ответить на вопрос - могут ли термокарстовые озера служить индикаторами реакции криолитозоны на современное потепление климата, что является не менее актуальной задачей.

Цель диссертации — разработка методики исследований динамики термокарстовых озер по космическим снимкам, обеспечивающей достоверные результаты, и на ее основе - анализ динамики термокарстовых озер в различных географических районах, что позволит выявить особенности этой динамики и факторы, влияющие на изменение площади озер, а также определить возможность использования термокарстовых озер в качестве индикатора состояния криолитозоны при современном потеплении климата.

Для достижения поставленной цели потребовалось:

■ проанализировать состояние имеющихся исследований динамики термокарстовых озер, выявить их особенности и недостатки;

■ оценить надежность дешифрирования термокарстовых озер по космическим снимкам со спутника Landsat;

■ разработать методику исследований динамики термокарстовых озер по космическим снимкам, обеспечивающую достоверное сопоставление разновременных снимков, надежность их дешифрирования, учет погрешности определения площади озер по ним;

■ выявить основные особенности и факторы, определяющие динамику термокарстовых озер в различных районах криолитозоны России.

Методы исследования. Работа основана на исследованиях динамики термокарстовых озер, проводившихся автором путем сопоставления разновременных аэрокосмических снимков и выполненных за период 2009 - 2013 гг. При разработке методики и выявлении основных особенностей динамики термокарстовых озер в различных районах криолитозоны были применены аэрокосмические, геоинформационные, картографические, картометрические и статистические методы.

Исследование опиралось на разработанные в лаборатории аэрокосмических методов классические приемы изучения динамики географических объектов по разновременным аэрокосмическим снимкам (Ю.Ф. Книжников, В.И. Кравцова, И.А. Лабутина, Е.А. Балдина); методы оценки надежности аэрокосмического картографирования (J1.E. Смирнов, Б.Б. Серапинас); научно-методические принципы тематического картографирования (К.А. Салищев, И.П. Заруцкая); современные методы геоинформационного картографирования (A.M. Берлянт, И.К. Лурье, B.C. Тикунов, Е.Г. Капралов, A.B. Кошкарев); теоретические основы и труды в области мерзлотоведения (В.А. Кудрявцев, H.H. Романовский, Э.Д. Ершов, А.И. Попов, В.Н. Конищев, H.A. Шполянская, Н.В. Тумель); исследования, посвященные изучению термокарста (С.П. Качурин, В.Л. Суходровский, Е.М. Катасонов, Ю.Л. Шур, Н.П. Босиков); современные исследования динамики термокарстовых озер (В. Riordan, К. Hinkel, L. Smith, B.B. Елсаков, Ю.М. Полищук, H.A. Брыксина, С.Н. Кирпотин, G. Grosse, A. Mongenstern, В.И. Кравцова).

Использованные материалы. В качестве основных материалов для изучения динамики термокарстовых озер использованы: космические снимки со спутника Landsat и разведывательного спутника Corona (камера KeyHole), распространяемые Геологической службой США, аэрофотоснимки масштаба 1:25 ООО и 1:60 ООО, предоставленные ПНИИИС; космические снимки сверхвысокого и очень высокого пространственного разрешения со спутников WorldView-1, GeoEye, IRS-P5 (Cartosat), SPOT-5, предоставленные ИТЦ "СКАНЭКС".

В качестве дополнительных материалов для выявления причин и основных особенностей динамики термокарстовых озер были использованы метеорологические данные (величины

атмосферных осадков и температуры воздуха) ВНИИГМИ-МЦД; топографические карты масштаба 1:100 ООО и 1:200 ООО, а также разнообразные тематические карты разных масштабов.

Основные защищаемые положения.

1. Разработана методика исследования динамики термокарстовых озер по аэрокосмическим снимкам, предусматривающая при автоматизированном определении изменений озер учет разрешения сравниваемых снимков, исключение из анализа малых озер с недостаточной полнотой дешифрирования и количественную оценку изменений площади отдельных озер с учетом погрешности их определения.

2. Количественная автоматизированная оценка изменений площади озер должна сочетаться с составлением картографических материалов — схем динамики озер, обеспечивающих визуальный пространственный географический анализ.

3. Динамика термокарстовых озер определяется сложным комплексом факторов. Преобладающее уменьшение их площади по территории криолитозоны в целом связано с повсеместной перераспределяющей деятельностью соединяющих озера водотоков, эрозией и зарастанием озер. Незначительное локальное увеличение вызвано действием термоабразии и термокарста в районах высокольдистых многолетнемерзлых пород. Влияние этих факторов может также осложняться новейшими тектоническими движениями. Значительные периодические изменения площади озер обусловлены колебаниями количества атмосферных осадков. В районах интенсивного освоения разнонаправленные изменения вызваны антропогенной деятельностью. Прямого влияния современного потепления климата на динамику термокарстовых озер не выявлено.

Научная новизна. В разработанной автором методике для обеспечения надежного определения изменений площади термокарстовых озер введены ограничения по площади анализируемых озер (пороги), впервые экспериментально обоснованные.

Новизной характеризуется предложение о необходимости составления картографических материалов - схем динамики термокарстовых озер для обеспечения визуального пространственного анализа в сочетании с автоматизированным определением и количественным анализом показателей изменений.

Впервые получены однотипные количественные данные об изменении площади термокарстовых озер по широкому спектру районов криолитозоны и выявлено, наряду с повсеместным влиянием на динамику термокарстовых озер гидрологических процессов (перераспределяющей роли водотоков и эрозионной деятельности рек) и зарастания озер, влияние колебания атмосферных осадков. Выявлена опосредованная роль современных тектонических движений в динамике озер, проявляющаяся во влиянии на перераспределяющую деятельность водотоков.

Неоднократно высказывавшееся положение об индикационной роли изменений термокарстовых озер как показателей деградации вечной мерзлоты впервые поставлено под сомнение.

Практическая значимость. Предложенная методика исследования динамики термокарстовых озер по космическим снимкам со спутника Ьапёза1, разработанная на эталонных участках, может быть использована при более широком территориальном анализе изменений площади термокарстовых озер (сезонных, межгодовых, многолетних) в различных районах распространения термокарстовых озер.

Предложенные в разработанной автором методике ограничения по площади анализируемых озер (пороги) при использовании снимков разного пространственного разрешения могут быть определены и учтены в аэрокосмических исследованиях динамики других географических объектов.

Выявленные автором факторы, оказывающие влияние на изменение площади термокарстовых озер, рекомендуется учитывать при анализе динамики термокарстовых озер, чтобы минимизировать вероятность ошибочных выводов о причинах наблюдаемых изменений площади озер.

Внедрение. Отдельные результаты исследования реализованы в рамках государственного контракта НОЦ 14.740.11.0200 ("Картография, геоинформатика и аэрокосмическое зондирование в географии", 2010-2012 гг.), гранта РФФИ 10-05-00267 ("Учение об аэрокосмической стереомодели местности", 2012 г.) и программы НШ 3405.2010.5 ("Разработка методологических основ интеграции картографических, геоинформационных и аэрокосмических технологий для исследований в области геоэкологии, рационального природопользования и создания образовательных ресурсов", 2010 г.).

Апробация работы. Результаты исследования докладывались на российских и международных научных конференциях и совещаниях: на XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов" (г. Москва) в апреле 2009 г.; на российских конференциях "Восьмое сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу" и "Девятое сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу " (г. Томск) в октябре 2009 и октябре 2010 г.; на Четвертой конференции геокриологов России (г. Москва) в июне 2011 г.; на X Международной конференции по мерзлотоведению Т1СОР (г. Салехард) в июне 2012 г.; на конференции "Геокриологическое картографирование: проблемы и перспективы" (г. Москва) в июне 2013 г.; на 6-ой Международной конференции "Земля из космоса - наиболее эффективные решения" (г. Москва) в октябре 2013 г.

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из которых 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю д.г.н. В.И. Кравцовой за помощь в проведении исследования и написании работы; заведующему лабораторией аэрокосмических методов, д.г.н, профессору Ю.Ф. Книжникову, к.г.н. И.А. Лабутиной, к.г.н. Е.А. Балдиной, к.г.н. Тутубалиной и всем сотрудникам лаборатории аэрокосмических методов за обсуждение работы на семинарах; Б.Б. Серапинасу за консультации в области оценки надежности результатов исследования; Н.В. Тумель, В.Л. Суходровскому, А.Б. Чижову за обсуждение промежуточных результатов и предоставление консультаций в области мерзлотоведения; Е.И. Пижанковой, A.B. Гаврилову за помощь в проведении исследования на территории Яно-Индигирской низменности; Инженерно-Технологическому Центру "СКАНЭКС" за предоставление для работы космических снимков сверхвысокого пространственного разрешения; производственному и научно-исследовательскому институту по инженерным изысканиям для строительства (ПНИИИС) за предоставление для работы аэрофотоснимков; а также всем сотрудникам кафедры картографии и геоинформатики за поддержку при работе над диссертацией.

1. Термокарстовые озера как объект исследования 1.1. Причины образования и особенности развития термокарста

Огромная площадь территории нашей страны и разнообразие ее географических условий определяют разнородность и многообразие распространенных на ней явлений природы. Одно из своеобразных явлений природы на территории нашей страны - это многолетнемерзлые горные породы, которые занимают 65% ее площади (рисунок 1.1). Они развиты в северных, северо-восточных и восточных районах страны. Образование их, как и наземных оледенений, обусловлено космическими и планетарными причинами, но поддерживаются они современными климатическими условиями. Территория, на которой развиты многолетнемерзлые породы, называется криолитозоной.

Рисунок 1.1. Уменьшенная копия карты вечной мерзлоты 1:15 ООО ООО (Национальный атлас России, 2007)

По мерзлотно-температурному режиму выделяют несколько зон многолетней мерзлоты. Южная граница многолетней мерзлоты оконтуривает зону ее островного распространения, где имеются отдельные острова многолетнемерзлых пород мощностью до 25 м; севернее следует зона несплошной (разделенной таликами) многолетней мерзлоты максимальной мощностью до 100 м; и, наконец, большую часть территории севера и северо-востока страны занимает зона сплошной многолетней мерзлоты мощностью от 100-500 до 1000 м и более (рисунок 1.1). Для горных районов в распространении различных типов многолетней мерзлоты наблюдается вертикальная поясность - с увеличением высоты растет мощность многолетнемерзлых пород.

В областях распространения многолетней мерзлоты развиты мерзлотные формы рельефа, образование и развитие которых обусловлено криогенными процессами. К одному из таких криогенных процессов относят процесс термокарста (понятие термокарст было введено М.М. Ермолаевым в 1932 году при проведении экспедиционных работ на Ляховских островах). Сущность процесса термокарста заключается в вытаивании подземных льдов и сопровождающих его осадках земли, что, в свою очередь, обусловливает появление просадочных форм рельефа или микрорельефа (Кач