Изучение экологического состояния территории Большеземельской тундры с использованием методов дистанционного мониторинга - Экология - Скачать бесплатно
Министерство высшего образования
Сыктывкарский государственный университет
Курсовая Работа
по теме: Изучение экологического состояния территории Большеземельской
тундры с использованием методов дистанционного мониторинга
Работу выполнил:
студент III курса 234 группы
Шулепов Константин Алексеевич
Научные руководители:
Братцев Андрей Адольфович, к.г.н.,
зав.отделом геоинформационных и
учебных технологий СыктГУ.
Елсаков В.В., к.б.н., зав.отделом
экосистемного анализа и ГИС
технологий Института биологии Коми
НЦ УрО РАН
Сыктывкар 2004
Содержание: стр.
Введение 3
Краткая характеристика физико-географических
условий изучаемой территории 6
Материалы и методы исследований 8
Обсуждение результатов 13
Основные выводы 16
Литература 17
Введение
Географические информационные системы (ГИС) появились в 1960-х годах
как инструмент, позволяющий проводить изучение структурных и функциональных
особенностей природных объектов с учетом их пространственной
приуроченности. Существует две общераспространенные версии возникновения
первых ГИС [8]. Согласно первой, наиболее ранние ГИС были созданы
Гарвардском университете и Массачусетском технологическом институте США с
целью автоматизированной обработки географической информации. Согласно
альтернативной версии – первые ГИС были создана в Канаде и имели цель
картирования природных ресурсов (CGIS).
В настоящее время важной задачей, отводимой для использования ГИС,
является непосредственная характеристика состояния природной среды,
подвергающейся воздействию естественных и антропогенных факторов. Важнейшие
свойства отображаемых в ней показателей – их содержательная,
пространственная и временная локализация. При этом информация, используемая
в качестве релятивной базы данных ГИС всегда беднее исходной природной.
Поэтому для обеспечения объективности и репрезентативности результатов
необходимо соблюдение ряда требований, прежде всего затрагивающих способ
получения и пространственную достоверность данных.
Одним из важных источников для ГИС разных уровней (локальных и
региональных) являются методы дистанционного зондирования (ДЗ) природных
объектов, основанные на использовании электромагнитных излучений, исходящих
от предмета исследований и путем их регистрации без непосредственного
контакта с ним. Рассматривая ДЗ с позиций системного подхода, необходимо
определить входные и выходные элементы системы, ее внутреннюю структуру,
границы и окружающую среду. Входными элементами системы являются физические
поля, образуемые отражением и/или излучением земной поверхности и
естественными процессами в недрах Земли, а также поля техногенного
происхождения. Входными элементами системы являются также эмпирические и
теоретические закономерности связи физических полей с объектами природной
среды. Выходными элементами системы ДЗ следует считать компоненты
дистанционной основы карт природоресурсного содержания.
дистанционная основа (ДО) карт определена как оптимальная совокупность
материалов ДЗ, результатов их обработок и интерпретации, представленной в
цифровом и аналоговом виде. Она состоит из фактографической и
интерпретационной частей. Компонентами фактографической части ДО являются
нормализованные материалы ДЗ в цифровой и аналоговой формах, а также
результаты формализованных преобразований этих материалов.
Интерпретационная часть ДО (схемы дешифрирования и интерпретации
результатов дешифрирования) создается по результатам экспертного
интерактивного анализа изображений и другой информации (Перцов и др.,
2000). Наиболее естественным способом система ДЗ подразделяется на
следующие три подсистемы: сбор материалов ДЗ, обработка материалов ДЗ и их
тематическая интерпретация (Рис.1).
[pic]
Рис.1. Входные и выходные элементы системы ДЗ.
По способу получения первичных данных дистанционные методы
исследования подразделяются на пассивные, т.е. основанные на улавливании
излучений от естественных источников (солнца, Луны, звезд, земной
поверхности и самих изучаемых объектов), и активные, т.е. предполагающие
использование искусственных источников излучения (ламп накаливания,
газоразрядных ламп, лазеров). В общеупотребительном смысле термин ДЗ обычно
включает в себя регистрацию (запись) электромагнитных излучений посредством
различных камер, сканеров, микроволновых приемников, радиолокаторов и
других приборов такого рода. Наибольшее применение среди пассивных
дистанционных методов получили исследования в оптической области
электромагнитного спектра (фотографирование), в том числе различных
диапазонах. Достоинство этого метода состоит в том, что фотографические
материалы доступны для непосредственного зрительного восприятия и анализа
средств используемых в ГИС системах. Космические и аэрофотоснимки
обеспечивают территориально полное и непрерывное изучение больших площадей,
состояние которых зафиксировано на единый момент времени (Востокова и др,
1988).
В настоящее время методы ДЗ широко используется для сбора и записи
информации о поверхности Земли, морском дне, атмосфере, Солнечной системе и
др. объектах. Оно осуществляется с применением морских судов, самолетов,
космических летательных аппаратов и наземных телескопов. Данные ДЗ
используются для принятия решений в области многих научных и практических
задач, связанных с экономическим, социальным и экологическим развитием, как
отдельных регионов, так и страны.
Наибольшее распространение в настоящее время получили методы ДЗ,
основанные на анализе особенностей спектральных характеристик космических
снимков разного пространственного разрешения. В России в качестве носителей
аппаратуры используются космические аппараты гидрометеорологического (типа
«Метеор» и «Электро»), оперативного (типа «Ресурс-О1» и «Океан-О1») и
фотографического (типа «Ресурс-Ф») наблюдения [9]. Основными задачами
мониторинга, осуществляемого с применением данных средств, являются:
. контроль погодообразующих и климатообразующих факторов с целью
достоверного прогнозирования погоды и изменения климата, в том числе и
в околоземном космическом пространстве;
. контроль за состоянием источников загрязнения атмосферы, воды и почвы
с целью обеспечения природоохранных органов федерального и
регионального уровней информацией для принятия управленческих решений;
. оперативный контроль чрезвычайных ситуаций техногенного и природного
характера с целью эффективного планирования и своевременного
проведения мероприятий по ликвидации их последствий;
. информационное обеспечение проведения земельной реформы, рационального
землепользования и хозяйственной деятельности;
. создание динамической модели Земли как системы с целью прогнозирования
нарушений экологического баланса и разработки мероприятий по
сохранению среды обитания человека и животных
Цель настоящей работы: Изучение возможностей использования методов
дистанционного мониторинга для оценки экологического состояния модельных
участков территории Большеземельской тундры.
Для реализации поставленной цели были поставлены следующие задачи:
1. Дать характеристику физико-географических условий территории для
выявления основных факторов, влияющих на особенности пространственного
распределения основных компонентов экосистем в ландшафтах Большеземельской
тундры;
2. Собрать и подготовить серию снимков спутника LANDSAT и ASTER для
выявления закономерностей распределения спектральных характеристик района
исследований;
3. Выявить динамику нарушений растительного и почвенного покрова под
влиянием объектов добычи и транспортировки нефти на основании использования
разновременных снимков 1998-2000 гг. на участках испытывающих влияние
нефтегазового комплекса
4. Подготовить серию изображений, для проведения дешифрирования в
течении летнего полевого сезона 2004 г.
Краткая характеристика физико-географических условий изучаемой территории
Большеземельская тундра, холмистая моренная равнина, расположенная в
пределах междуречья рек Печора и Уса, Уралом и Пай-Хоем, в административном
отношении в пределах Ненецкого автономного округа (Архангельской области) и
республики Коми. Преобладающие высоты варьируют в пределах 100-150 м,
наибольшая 242 м. низменное, сильно заболоченное приморское побережье к югу
повышается террасами, сложенными морскими песками и глинами, и переходит в
сильно всхолмленную местность с довольно высокими грядами: Вангурей, Еней,
Лыммусюр и др. От Хайпудырской губы к устью Цильмы протягивается
возвышенность, называемая Большеземельский хребет, служащий водоразделом
рек, впадающих в Баренцево море и в реку.
Климат формируется преимущественно под воздействием арктических и
атлантических воздушных масс. Частая смена воздушных масс, перемещение
фронтов и связанных с ними циклонов обуславливают неустойчивую погоду.
Климат субарктический, с продолжительной холодной зимой (средняя
температура января от -16°С на Северо-Западе до -20°С на Юго-Востоке) и
коротким прохладным летом (средняя температура июля от +8 до +12°С); в
летние месяцы возможны заморозки, средне годовая температура отрицательна.
Осадков в год от 450 мм на Юге до 250 мм на Севере. минимум осадков
наблюдается, как правило, в феврале, максимум – в августе – сентябре. Не
менее 30 % осадков выпадает в виде снега. Избыточное увлажнение,
обусловленное низким термическим уровнем в сочетании с равнинным рельефом,
слабоводопроницаемыми и многолетнемерзлыми грунтами, определяет обилие
поверхностных вод, способствует широкому распространению болот. Часты
туманы, от 37 до 72 дней в году. Летом и весной преобладают ветры северных
направлений, зимой и осенью – южных. Средняя скорость ветра составляет
около 48 м/с. Для климата округа характерны метели до 60 дней в году.
Мощность многолетнемерзлые породы (ММП) в Большеземельской тундре
изменяется в широком диапазоне и достигает 500 м. Температура ММП в подзоне
сплошного распространения изменяется от -5 °С до -2 °С; в местах с не
сплошным распространением температура пород выше.
Вегетационный период со среднесуточными температурами свыше +5 °С
составляет на юге 95 – 110 дней, на севере 72 – 94 дня. Сумма положительных
температур колеблется от 400 градусов на севере до 1100 градусов на юге.
Почвообразовательный процесс обусловлен низкими температурами,
коротким летом, широким распространением ММП, переувлажненностью и
развивается по глеево-болотному типу. Химическое выветривание протекает
слабо, при этом высвобождающиеся основания вымываются из почвы, и она
обеднена кальцием, натрием, калием, но обогащена железом и алюминием.
Недостаток кислорода и избыточная влага затрудняют разложение растительных
остатков, которые медленно накапливаются в виде торфа. Все типы тундровых
почв, за исключением тундровых поверхностно-глеевых и дерновых,
морфологически слабо выражены, маломощные, кислые, слабо гумуфицированные с
низким плодородием. Дерновые почвы обладают достаточно высоким естественным
плодородием.
моховой и лишайниковый покров сомкнуты, появляются заросли из
карликовых берез, низкорослых видов ив. Значительные площади занимают
травяно-осоковые болота, в долинах рек и ручьев встречаются ивняки и
тундровые луговины с обильным многовидовым разнотравьем и злаками.
Реки – большей частью притоки Печоры и Усы - в верховьях текут в узких
долинах, ниже долины их расширяются и течение становится спокойным. В
верховьях главных рек (Шапкина, Колва, Адзьва и др.) много озёр (Вашуткины,
Шапкинские и др.) (Атлас Арктики, 1985; Ненецкий автономный…, 2001; Большая
Советская…, 1988).
Широко развито оленеводство, пушной промысел и молочное
животноводство. В пределах территории находится часть Печорского угольного
бассейна, Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции; здесь открыты
месторождения нефти и газа. недостаточная геологическая изученность
территории, слабая разведанность проявлений рудного и нерудного
минерального сырья позволяют выделять в качестве наиболее значимых
ограниченный круг полезных ископаемых: нефть, некоторые виды
стройматериалов. Другие виды полезных ископаемых требуют дополнительной
разведки и изучения для оценки их перспективности.
Восточноевропейские тундры на сегодняшний день в значительной мере
сохранили естественный облик вследствие слабого освоения и признаны
эталоном равнинных тундр Европы. Тем не менее, на большинстве площадей
региона отмечены изменения структуры и состава растительного покрова,
связанные с влиянием хозяйственной деятельности различной интенсивности.
Среди основных факторов влияния выделим – не всегда контролируемое
оленеводство, ведущее к перевыпасу и изменению состава доминирующих видов
растений и интенсивное развитие топливно-энергетического комплекса (ТЭК),
особо возросшее в последние десятилетия.
Материалы и методы исследований
Модельным участком была выбрана территория, представленная
естественными и антропогенно трансформированными сообществами – выпас
оленей различной интенсивности (ПСК «Ижемский оленевод»), деятельность
объектов нефте– и газодобычи (Средне–Харьягинское месторождение) (рис.1).
[pic]
Рис. 1. Расположение модельного участка (1) в пределах
Большеземельской тундры. Показаны основные месторождения углеводородов
ТПНГП, границы ПСК «Ижемский оленевод» и пространственно привязанное
изображение снимка landsat ETM+
В качестве основы для выполнения работы была подобрана серию снимков
спутников ASTER (6.18.2001, 16_009) и landsat ETM+ за период с 1995 по 2001
года. Характеристика снимков спутника Landsat приведена в табл.1.
Таблица 1. Характеристики использованных снимков landsat ETM+.
| |Path_row |Дата |
|1 |173_12 |2.08.1987 |
|2 |170_12 |11.07.1988|
|3 |172_13 |02.08.1988|
|4 |171_13 |03.08.1988|
|5 |171_13 |01.06.2000|
|6 |171_13 |19.07.2000|
Aster - усовершенственный космический тепловой эмиссионный и
отражательный радиометр (advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflector
Radiometer). Датчик установлен на искусственном спутнике Terra, который
запущен в декабре 1999 года. ASTER используется, чтобы получить детальные
карты температуры поверхности земли, коэфициента излучения, отражательной
способности и превышения. Радиометр был построен в Японии для Министерства
экономики, торговли и промышленности (Ministry of Economy Trade and
Industry – METI). Из всех датчиков, установленных на спутнике TERRA, ASTER
– единственный радиометр с высоким пространственным разрешением. Он
воспринимает излучения в видимом, ближнем, среднем ИК (или тепловом)
диапазонах, размер сцены 60х60 км.
Американский спутник Landsat–7 (спроектирован и создан компанией
Lockheed Martin Missiles and Space) был успешно выведен на
солнечно–синхронную орбиту с временем нисходящего пересечения экватора 10ч.
00 мин. 15 апреля 1999 г. и имеет расчетный срок эксплуатации 5 лет.
Спутник продолжает серию природно–ресурсных спутников Landsat (первый
аппарат этой серии был запущен в 1972г.). Миссия Landsat-7 является
совместным проектом трех крупнейших американских правительственных
организаций: NASA, NOAA и USGS, и призвана обеспечивать национальных и
зарубежных потребителей спутниковой информацией высокого разрешения.
Установленная на спутнике съемочная аппаратура – сканирующий радиометр ETM+
(Enhanced Thematic Mapper Plus), обеспечивает съемку земной поверхности в
шести каналах с разрешением 30 м, в одном ИК канале – с разрешением 60 м и
одновременную панхроматическую съемку с разрешением 15 м при ширине полосы
обзора для всех каналов около 185 км. Основные параметры орбиты:
Номинальная высота: 705 км;
Периодичность повторения трассы: 16 сут.;
Наклонение: 98.2 град.
Сканирующий радиометр ETM+ создан по контракту NASA компанией Hughes
Santa Barbara Remote Sensing. Этот прибор является усовершенствованным
вариантом хорошо зарекомендовавших себя сканеров TM (Thematic Mapper),
которые работали на борту предыдущих спутников серии Landsat. От
предшественников его отличают следующие важные свойства:
. наличие панхроматического канала высокого (15м) разрешения
. наличие теплового ИК-канала
. погрешность абсолютной калибровки – 5%
Представленные радиометры различаются количеством каналов,
пространственным разрешением и спектральными диапазонами. Характеристики
последних представлены в табл. 2.
Таблица 2. Характеристики спектральных диапазонов радиометров ASTER и
ETM+.
|Наименование |№ канала |Пространственное |Спектральные |Полоса обзора,|
|сканера | |разрешение, м |диапазоны, мкм|км |
| |1 |15 |0.51 - 0.60 | |
| | | | | |
| | | | | |
| | | | | |
| | | | | |
| | | | | |
| | | | | |
|ASTER | | | | |
| | | | |60 |
| |2 |15 |0.63 - 0.69 | |
| |3 |15 |0.76 - 0.86 | |
| |Стерео |15 |0.76 - 0.86 | |
| |4 |30 |1.60 - 1.70 | |
| |5 |30 |2.145 - 2.185 | |
| |6 |30 |2.185 - 2.225 | |
| |7 |30
|
