Использование гибридного метода совместного анализа данных спутникового зондирования Landsat и беспилотных летательных аппаратов для реконструкции уровней воды и объемов водной массы в водоемах (на примере оз. Арахлей Забайкальского края)

DOI: 10.35595/2414-9179-2022-1-28-368-382

Посмотреть или загрузить статью (Rus)

Об авторах

К.А. Курганович

Забайкальский государственный университет, Факультет строительства и экологии,
ул. Александро-Заводская, д. 30, 672039, Чита, Россия;
E-mail: naptheodor@mail.ru

Д.В. Кочев

Забайкальский государственный университет, Факультет строительства и экологии,
ул. Александро-Заводская, д. 30, 672039, Чита, Россия;
E-mail: denis.ko4ev@yandex.ru

М.А. Босов

Забайкальский государственный университет, Факультет строительства и экологии,
ул. Александро-Заводская, д. 30, 672039, Чита, Россия;
E-mail: max.bosov@mail.ru

Аннотация

Рассмотрено использование гибридного метода реконструкции уровней воды и объемов водной массы водоема на примере оз. Арахлей Забайкальского края. Метод позволяет получить срезы уровней воды по рельефу высокого пространственного разрешения на основании совместного анализа спутниковых снимков системы Landsat разных временных интервалов и снимков с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). В результате обработки спутниковых данных Landsat были получены значения площадей водного зеркала оз. Арахлей за период 1987–2018 гг., а по результатам съемки с БПЛА были извлечены уровни воды в озере по датам съемки, соответствующим площадям. Среднеквадратичная ошибка определения уровней воды (RMSE) по сравнению с режимными гидрологическими наблюдениями составила 0,23 м, что ниже, чем горизонтальное разрешение модели рельефа (0,3 м), полученной по данным БПЛА. Также были получены характеристики объема водной массы для изменяемой части объема озера за период 1987–2018 гг. Использование рассмотренного в статье гибридного метода позволит решить проблему недостаточности или полного отсутствия данных о многолетнем водном режиме неисследованных озер и водохранилищ за счет совместной обработки низкодетальной спутниковой информации и высокодетальных данных с БПЛА. Оценка возможностей применения данной технологии за счет сравнения с инструментально полученными характеристиками уровней воды на режимном пункте гидрологических наблюдений, показывает границы ее использования, преимущества и недостатки. При этом главным преимуществом можно признать возможность получить временные ряды изменения уровней и объемов за прошлые годы в тех озерах и водохранилищах, где режимных наземных наблюдений не было никогда. В случае установления зависимостей объемов водной массы от площадей водной поверхности появляется возможность производить оперативный гидрологический мониторинг водоемов, используя только спутниковые снимки Landsat.

Ключ. слова

морфометрические характеристики озер, беспилотные летательные аппарата, цифровая модель рельефа местности, спектральные водные индексы

Список литературы

  1. Голятина М.А. Оценка изменения морфометрических характеристик степных озер Юго-востока Забайкалья с использованием данных дистанционного зондирования земли. Записки Забайкальского отделения Русского географического общества. Чита: ЗабГУ, 2016. С. 68–75.
  2. Голятина М.А., Курганович К.А. Оценка изменения площадей водной поверхности Ивано-Арахлейских озер Забайкалья по данным дистанционного зондирования. Вестник Забайкальского государственного университета, 2017. Т. 23. № 6. С. 4–12.
  3. Им С.Т., Харук В.И., Ракитянская Н.М., Гоюков А.С. Климатогенная динамика озер в экотоне лесостепи Забайкалья. Сибирский экологический журнал, 2015. Т. 22. № 6. С. 823–831.
  4. Колмакова М.В., Захарова Е.А., Кураев А.В., Земцов В.А., Кирпотин С.Н. Временная изменчивость климата и обводненности территории Западной Сибири по данным метеорологических станций, модельного реанализа и спутниковой альтиметрии. Вестник Томского государственного университета, 2012. № 364. С. 173–180.
  5. Курганович К.А., Босов М.А. Использование гибридного метода анализа данных спутникового мониторинга и беспилотных летательных аппаратов для выделения зон затопления населённых пунктов. Образование в области безопасности жизнедеятельности и новых технологий: проблемы и перспективы развития. Материалы III Всероссийской научно-практической конференции. Чита: Забайкальский государственный университет, 2018. С. 66–69.
  6. Курганович К.А., Носкова Е.В. Использование водных индексов для оценки изменения площадей водного зеркала степных содовых озер Юго-Востока Забайкалья, по данным дистанционного зондирования. Вестник Забайкальского государственного университета, 2015. № 6 (121). С. 16–24.
  7. Курганович К.А., Шаликовский А.В., Босов М.А., Кочев Д.В. Использование беспилотных летательных аппаратов для мониторинга состояния бесхозяйных противопаводковых гидротехнических сооружений Забайкальского края. Гидросфера. Опасные процессы и явления, 2020. Т. 2. № 1. С. 32–43.
  8. Лебедев С.А. Динамика Каспийского моря по данным спутниковой альтиметрии. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2015. Т. 12. № 4. С. 72–85.
  9. Лебедев С.А. Спутниковая альтиметрия в науках о Земле. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2013. Т. 10. № 3. С. 33–49.
  10. Манилюк Т.А., Маслова А.В. Исследование водных поверхностей озер путем использования водных индексов по данным дистанционного зондирования. Вестник Забайкальского государственного университета, 2017. Т. 23. № 3. С. 4–11.
  11. Обязов В.А. Гидрологический режим озер Забайкалья в условиях меняющегося климата (на примере Ивано-Арахлейских озер). Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление, 2011. № 3. С. 4–14.
  12. Троицкая Ю.И., Рыбушкина Г.В., Соустова И.А., Баландина Г.Н., Лебедев С.А., Костяной А.Г., Панютин А.А., Филина Л.В. Спутниковая альтиметрия внутренних водоемов. Водные ресурсы, 2012. Т. 39. № 2. С. 169.
  13. Шаликовский А.В., Заслоновский В.Н., Курганович К.А., Босов М.А., Солодухин А.А., Шаликовский Д.А. Современная ситуация на пограничном участке реки Аргунь. Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление, 2018. № 2. С. 4–18.
  14. Chipman J.W. A multisensor approach to satellite monitoring of trends in lake area, water level, and volume. Remote Sensing, 2019. No. 11 (2). P. 158. DOI: 10.3390/rs11020158.
  15. Evangelidis G.D., Psarakis E.Z. Parametric Image Alignment using Enhanced Correlation Coefficient Maximization. IEEE Transaction on Pattern Analysis & Machine Intelligence, 2008. V. 30. No. 10. P. 1858–1865.
  16. Feyisa G.L., Meilby H., Fensholt R., Proud S.R. Automated Water Extraction Index: A new technique for surface water mapping using Landsat imagery. Remote Sensing of Environment, 2014, 140. P. 23–35.
  17. Gao B.C. NDWI—A normalized difference water index for remote sensing of vegetation liquid water from space. Remote Sensing of Environment, 1996. No. 58. P. 257–266.
  18. Ji L., Zhang L., Wylie B. Analysis of dynamic thresholds for the normalized difference water index. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 2009. No. 75. P. 1307–1317.
  19. Lacaux J.P., Tourre Y.M., Vignolles C., Ndione J.A., Lafaye M. Classification of Ponds from High-Spatial Resolution Remote Sensing: Application to Rift Valley Fever Epidemics in Senegal. Remote Sensing of Environment, 2006. No. 106 (1). P. 66–74. DOI: 10.1016/j.rse.2006.07.012.
  20. Morriss B., Hawley R., Chipman J., Andrews L., Catania G., Hoffman M., Lüthi P., Neumann T. A ten-year record of supraglacial lake evolution and rapid drainage in West Greenland using an automated processing algorithm for multispectral imagery. Cryosphere, 2013. No. 7. P. 1869–1877.
  21. Nan Xu, Yue Ma, Wenhao Zhang, Xiao Hua Wang, Fanlin Yang, Dianpeng Su. Monitoring Annual Changes of Lake Water Levelsand Volumes over 1984–2018 Using Landsat Imageryand ICESat-2 Data. Remote Sensing, 2020. No. 12. P. 4004. DOI: :10.3390/rs1223400.
  22. Wang X., Cheng X., Gong P., Huang H., Li Z., Li X. Earth science applications of ICESat/GLAS: A review. International Journal of Remote Sensing, 2011. No. 32. P. 8837–8864.
  23. Westoby M.J., Brasington J., Glasser N.F., Hambrey M.J., Reynolds J.M. “Structure-from-Motion” photogrammetry: A low-cost, effective tool for geoscience applications. Geomorphology, 2012. V. 179. P. 300–314. DOI: 10.1016/j.geomorph.2012.08.021.
  24. Xu H. Modification of normalised difference water index (NDWI) to enhance open water features in remotely sensed imagery. International Journal of Remote Sensing, 2006. No. 27. P. 3025–3033.

Для цитирования: Курганович К.А., Кочев Д.В., Босов М.А. Использование гибридного метода совместного анализа данных спутникового зондирования Landsat и беспилотных летательных аппаратов для реконструкции уровней воды и объемов водной массы в водоемах (на примере оз. Арахлей Забайкальского края). ИнтерКарто. ИнтерГИС. Геоинформационное обеспечение устойчивого развития территорий: Материалы Междунар. конф. M: Географический факультет МГУ, 2022. Т. 28. Ч. 1. С. 368–382 DOI: 10.35595/2414-9179-2022-1-28-368-382

For citation: Kurganovich K.A., Kochev D.V., Bosov M.A. The hybrid method of water levels and volumes reconstructing in the Arakhley lake (Trans-Baikal territory) according to Landsat remote sensing data with unmanned aerial vehicles images fusion. InterCarto. InterGIS. GI support of sustainable development of territories: Proceedings of the International conference. Moscow: MSU, Faculty of Geography, 2022. V. 28. Part 1. P. 368–382. DOI: 10.35595/2414-9179-2022-1-28-368-382 (in Russian)