Методология оценки состояния и динамики наземных экосистем Арктики в условиях антропогенного воздействия по данным ДЗЗ (РФФИ)НИР

Methodology for assessing the state and dynamics of Arctic terrestrial ecosystems in the conditions of anthropogenic impact using remote sensing data

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 31 мая 2018 г.-31 декабря 2018 г. Методология оценки состояния и динамики наземных экосистем Арктики в условиях антропогенного воздействия по данным ДЗЗ
Результаты этапа: 1. Проведен анализ и систематизация имеющихся в распоряжении коллектива дистанционного и гидрометеорологического материалов на базовые регионы исследований в целом и на предварительно выбранные модельные территории (Михайлюкова П.Г., Петраков Д.А., Тутубалина О.В., Зимин М.В., Кизяков А.И., Балдина Е.А., Жданова Е.Ю., Голубева Е.И., Глухова Е.В., Кравцова В.И.). Обоснован выбор материалов космических радиолокационных съёмок и дополнительных источников (снимков оптического диапазона, топографических и тематических карт, схем, литературных источников, материалов наземных обследований) для модельных территорий (Балдина Е.А., Трошко К.А., Михайлюкова П.Г., Луговой Н.Н.). Проведена оценка модельных территорий на предмет обеспеченности материалом и репрезентативности (Зимин М.В., Голубева Е.И., Балдина Е.А., Кравцова В.И., Тутубалина О.В.). По модельным территориям осуществлен подбор и предварительная обработка космических снимков Sentinel-1 и 2 и Landsat-4-8, полученные данные внесены в ГИС-проекты (Михайлюкова П.Г., Трошко К.А., Кизяков А.И., Тутубалина О.В.). 2. Спланированы работы по наземному измерению альбедо поверхности снега на первой модельной территории в Мурманской области в весенний период. (Зимин М.В.). 3. Проведены работы по оценке достоверности определения современной динамики арктических берегов при использовании различных ЦМР для ортокоррекции ДДЗ (на примере побережья о. Колгуев) (Кизяков А.И., Зимин М.В.). 4. Проведены исследования динамики морского края дельты Лены по разновременным данным ДЗЗ. По материалам работы подготовлена статья (Кравцова В.И., Чалова Е.Р., Вахнина О.В.). 5. Проведены комплексные полевые работы (летние) (Тутубалина О.В., Зимин М.В., Голубева Е.И., Глухова Е.В., Луговой Н.Н.).
2 1 января 2019 г.-28 мая 2019 г. Методология оценки состояния и динамики наземных экосистем Арктики в условиях антропогенного воздействия по данным ДЗЗ (этап 2)
Результаты этапа: В первый год реализации поддержанного РФФИ научного проекта № 18-05-60221 для всех запланированных направлений исследований, был выполнен поиск и систематизация материалов дистанционного зондирования, полевых и фондовых материалов. данных. Проведены исследования по анализу наиболее информативных индикаторов состояния экосистем в Арктическом регионе, которые надёжно дешифрируются по ДДЗЗ, а именно: величина и динамика загрязнения снежного покрова, состояние многолетней мерзлоты и проявление криогенных процессов, динамика дельт северных рек и состояние растительности. На основе массива полевых и дистанционных данных, разработаны методики оценки состояния снежного покрова. Методики опробованы для территорий г. Мурманск и других географических районов России (снежный покров на горе Эльбрус и в городе Москва) и Киргизии (Алайский и Киргизский хребты, массив Ак-Шийрак). Впервые по снимкам Sentinel 2 MSI была составлена серия карт состояния снежного покрова территории г. Мурманск. Проведена оценка достоверности определения современной динамики арктических берегов при использовании различных цифровых моделей местности (ЦММ). Впервые была предложена методика реконструкции ЦММ для ортотрансформирования ретроспективных космических снимков с целью оценки динамики морских берегов. Исследование морского края дельты Лены по разновременным данным ДЗЗ позволило получить новые данные по ее структуре и динамике изменения. На большей части дельты изменения не были обнаружены, но для 3% протяжённости её морского края впервые выявлены его изменения и составлены карты динамики. Выявлена связь динамики морского края с водностью рукавов. Нигде не обнаружено выдвижение дельты. Для импактного района в зоне влияния комбината «Североникель», на основе серии космических снимков выявлена динамика развития растительного покрова, тесно связанная с его геохимическими и орографическими особенностями. Выявлены географические закономерности связи между оптическими и геохимическими свойствами листовой поверхности Betula pubescens Ehrh s.l. На примере центральной части Кольского полуострова (Мурманская область) впервые в России разработана методика изучения продуктивности лесов в ответ на изменение климата, характер и степень антропогенного воздействия на основе использования мультиплатформенных космических снимков и снимков БПЛА. На основе экспериментов по работе с разновременными амплитудными и поляриметрическими радиолокационными данными, с целью создания серий производных изображений, их визуального и автоматизированного дешифрирования для выделения форм, типов и динамики рельефа, разработана оригинальная методика обработки радиолокационных данных. В рамках первого года работ по проекту удалось достигнуть значительных результатов в области использования средств и методов дистанционного зондирования применительно к широкому кругу географических задач исследования состояния и динамики арктического региона. По различным направлениям исследований получены уникальные новые результаты.
3 27 июня 2019 г.-31 декабря 2019 г. Методология оценки состояния и динамики наземных экосистем Арктики в условиях антропогенного воздействия по данным ДЗЗ (этап 3)
Результаты этапа: 1. Подготовлена статья по исследованию альбедо снежного покрова наземным и космическим данным. 2. Выявлена динамика загрязнения снежного покрова г. Мурманска за последние 5 лет, по итогам исследований готовиться статья. 3. Проведены работы по оценке динамики берегов модельных территорий острова Колгуев с совместным развитием термоабразии и термоденудации при вытаивании пластовых льдов. Готовиться статья. 4. Проведены работы по поиску диагностических признаков обнаружения бугров-предшественников воронок газового выброса с использованием различных ЦМР на модельных территориях полуостровов Ямал и Гыдан. Написано программное решение, на основе реализации которого будет проведена оценка достоверности выделенных диагностических признаков. На следующем этапе работ будет подготовлена статья. 3. Продолжены работы по исследованию динамики дельт северных рек. За отчетный период издано три статьи.
4 1 января 2020 г.-28 мая 2020 г. Методология оценки состояния и динамики наземных экосистем Арктики в условиях антропогенного воздействия по данным ДЗЗ (этап 4)
Результаты этапа: На основе массива полевых и дистанционных данных, разработаны методики оценки состояния снежного покрова. Методики опробованы для территорий г. Мурманск и других географических районов России (снежный покров на горе Эльбрус и в городе Москва) и Киргизии (Алайский и Киргизский хребты, массив Ак-Шийрак). Впервые по снимкам Sentinel 2 MSI была составлена серия карт состояния снежного покрова территории г. Мурманск. Проведена оценка достоверности определения современной динамики арктических берегов при использовании различных цифровых моделей местности (ЦММ). Впервые была предложена методика реконструкции ЦММ для ортотрансформирования ретроспективных космических снимков с целью оценки динамики морских берегов. Исследование морского края дельты Лены по разновременным данным ДЗЗ позволило получить новые данные по ее структуре и динамике изменения. На большей части дельты изменения не были обнаружены, но для 3% протяжённости её морского края впервые выявлены его изменения и составлены карты динамики. Выявлена связь динамики морского края с водностью рукавов. Нигде не обнаружено выдвижение дельты. Для импактного района в зоне влияния комбината «Североникель», на основе серии космических снимков выявлена динамика развития растительного покрова, тесно связанная с его геохимическими и орографическими особенностями. Выявлены географические закономерности связи между оптическими и геохимическими свойствами листовой поверхности Betula pubescens Ehrh s.l. На примере центральной части Кольского полуострова (Мурманская область) впервые в России разработана методика изучения продуктивности лесов в ответ на изменение климата, характер и степень антропогенного воздействия на основе использования мультиплатформенных космических снимков и снимков БПЛА. На основе экспериментов по работе с разновременными амплитудными и поляриметрическими радиолокационными данными, с целью создания серий производных изображений, их визуального и автоматизированного дешифрирования для выделения форм, типов и динамики рельефа, разработана оригинальная методика обработки радиолокационных данных. На основе серии проведенных подспутниковых наблюдений выполнен ретроспективный анализ изменений альбедо поверхности снежного покрова на одной из модельных территорий - в г. Мурманске. Изучение взаимосвязи значений альбедо по спутниковым и подспутниковым измерениям показывает высокую точность расчётов значений альбедо по данным космической съемки со спутника Sentinel-2 MSI, что позволяет провести картографирование снежного покрова, на основе которого определяется степень его загрязнения в результате антропогенного воздействия. В результате развития рельефообразующих деструктивных процессов, связанных с вытаиванием пластовых льдов, формируются специфические формы – термоцирки и термотеррасы Для изучения скоростей роста этих форм организуются мониторинговые наблюдения. Применяются как полевые методы, включающие регулярные измерения на стационарных площадках, так и дистанционные, основанные на анализе материалов разновременных аэрофото- и космических съёмок. Нами разработана методика мониторинговых исследованийо методическое предложение по проведению этих работ с использованием реконструированных цифровых моделей рельефа для ортокоррекции используемых разновременных снимков, она апробирована на модельной территории (остров Колгуев). Особое внимание при исследовании береговой динамики арктических островов, уделено проблеме влияния гидрометеорологических факторов. Районами исследования послужили побережье о.Колгуев в Баренцевом море и побережья о. Визе и о.Ушакова в Карском море. Получены уникальные данные раскрывающие особенности береговой динамики изучаемых территорий. Выполнен сбор и анализ существующих данных по морфологическим характеристикам бугров-предшественников и воронок газового выброса (ВГВ), расположенным на севере Западной Сибири. В результате анализа дистанционных данных по Сеяхинской ВГВ установлено, что жизненный цикл, включающий возникновение бугра-предшественника и дальнейший газовый взрыв с образованием воронки может быть чрезвычайно коротким – 3-5 лет. Выполнен анализ потенциальной применимости цифровой модели рельефа ArcticDEM для поиска бугров-предшественников ВГВ. Разработан уникальный автоматизированный алгоритм поиска бугров и воронок. Текущее состояние разработки находится на стадии экспертной оценки полученных результатов. На архипелаге Шпицберген проведено изучение особенностей распространения форм мерзлотного рельефа с использованием беспилотных средств. На участках архипелага свободных от покровного оледенения широко проявляются мерзлотные процессы и явления. Сделаны предварительные выводы о связи изменчивости морфологических характеристик пятен медальонов и каменных кругов с гранулометрическим составом поверхностных отложений на различных ярусах рельефа. Исследования динамики дельт северных рек при потеплении климата продолжены на модельной территории – дельты Енисея. Составлена карта динамики дельты масштабе 1:200 000, отражающая интенсивность процессов размыва и аккумуляции, определяемую по среднегодовой скорости смещения береговой линии, составляющей здесь от 1 до 5 м/год. Проведены исследования по оценке изменений структуры растительного покрова и динамики границ высотной поясности горного массива Мончетундра, произошедших за период интенсивного техногенного освоения региона и воздействием непосредственно комбината «Североникель» (г. Мончегорск) в сравнении с фоновым доиндустриальным периодом. На основе исследования содержания загрязняющих веществ в почве и снежном покрове, содержания пигментов, определяющих эффективность фотосинтеза в листьях берёзы (Betula pubescens ssp. czerepanovii (N.I.Orlova)Hamet-Ahti), и наземного спектрометрирования растительности, а также материалов космической съемки проведен анализ восстановления растительного покрова на современном этапе 2008-2020 гг. Выполнено предварительное исследование истории и современных тенденций динамики экосистем в районе Норильска и анализ обеспеченности данными дистанционного зондирования. На основании проведенных на местности обследований и выполненной беспилотной съёмки выбраны модельные территории для последующего их анализа с привлечением спутниковых радиолокационных и оптических данных: о. Визе, о. Ушакова, архипелаг Северная Земля. Впервые оценена эффективность применения многовременных радиолокационных композитных снимков совместно с метеорологической информацией для целей тематического картографирования применительно к арктическому региону. Мониторинг изменения показателей, характеризующих состояние и развитие растительных сообществ при фитомелиорации на Терском побережье Белого моря, позволили выделить стадии формирования сосновых лесов. Для современного этапа изучения восстановления лесов были использованы материалы аэрофотосъёмки, полученные с помощью беспилотного летательного аппарата. Результаты исследований позволяют считать, что восстановление растительности в результате фитомелиорации на деградированных землях идет успешно. В дополнение к ранее обозначенным задачам проекта по ходу его реализации были сформированы следующие перспективные поисковые направления: - оценка толщины снежного покрова в арктических районах по радиолокационным данным. С точки зрения изучения характеристик снежного покрова, спутниковые радиолокационные данные позволяют определять его физические и структурные свойства, такие как влагосодержание и высота. Поскольку наземные измерения продолжаются, то на текущем этапе были сделаны пробные статистические оценки связи спутниковых и полевых данных; - оценки современного состояния лесного покрова арктических и северных районов по радиолокационным данным. Применение радиолокационных данных для изучения растительности привносит новую информацию о структурных и физических свойствах лесного покрова, особенно в тех районах, где происходит его восстановление. Это обусловлено прежде всего спецификой выполнения радиолокационной съемки, при которой на интенсивность отражения сигнала сильное влияние оказывает структура объекта. Исследование проводится на примере анализа восстановления лесной растительности в местах лесных пожаров. В рамках текущих исследований по проекту удалось достигнуть значительных результатов в области использования средств и методов дистанционного зондирования применительно к широкому кругу географических задач исследования состояния и динамики арктического региона. По различным направлениям исследований, получены уникальные данные не опубликованные ранее. Начаты работы по перспективным направлениям использования аэрокосмических методов. Работа выполнена при поддержке проектов поддержке проектов РФФИ 18-05-60221 Арктика «Методология оценки состояния и динамики наземных экосистем Арктики в условиях антропогенного воздействия по данным ДЗЗ»
5 12 сентября 2020 г.-31 декабря 2020 г. Методология оценки состояния и динамики наземных экосистем Арктики в условиях антропогенного воздействия по данным ДЗЗ (этап 5)
Результаты этапа: 1. Составлены карты альбедо поверхности снега на основе спутниковых данных на примере г. Мурманска 2. Подготовлены материалов для альбома/БД дешифровочных признаков проявления криогенных процессов по результатам выполненных работ на модельных территориях Российской Арктики. Разработаны легенды и системы условных обозначений для серий карт криогенного рельефа. 3. Обобщены результаты исследования динамики дельт северных рек.
6 1 января 2021 г.-30 сентября 2021 г. Методология оценки состояния и динамики наземных экосистем Арктики в условиях антропогенного воздействия по данным ДЗЗ (этап 5)
Результаты этапа: Проект направлен на диагностику состояния экосистем в сфере антропогенного воздействия, являющуюся научной основой обеспечения экологической безопасности и устойчивого регионального развития Арктики. Актуальность исследования обусловлена необходимостью выбора наиболее информативных индикаторов состояния уязвимых экосистем в Арктике в сфере антропогенного воздействия, надежно дешифрируемых по данным дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) на репрезентативных модельных территориях. Новизна проекта заключается в широкомасштабном и комплексном использовании открытых оптических и радиолокационных данных ДЗЗ наряду с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и подспутниковых наблюдений, что позволило исследовать современное состояние и динамику арктических экосистем с беспрецедентной частотой и детальностью. Важно учесть, что в условиях климатических изменений в Арктике в последние десятилетия, деградационные процессы в экосистемах в сфере антропогенного воздействия могут протекать существенно быстрее и иметь более глубокие последствия. В качестве индикаторов в проекте рассматриваются состояние и динамика загрязнения снежного покрова, состояние многолетней мерзлоты и проявление криогенных процессов, динамика дельт северных рек и состояние растительности. Разработанные и апробированные на нескольких модельных территориях методики картографирования и мониторинга состояния различных объектов на основе данных ДЗЗ разных спектральных диапазонов могут быть использованы при исследовании других арктических территорий. За три года реализации проекта были получены следующие основные результаты. Совместное использование доступных для научных исследований дистанционных данных разного пространственного охвата и временной периодичности позволило существенно расширить получаемый диапазон сведений о малоизученных и труднодоступных арктических островах Карского моря (о. Визе и о. Ушакова), а также о-ве Котельный, провести мониторинг сезонных (на основе радиолокационных съемок) и многолетних (на основе оптических снимков) изменений, обусловленных изменениями климата. Исследование и анализ динамики снежно-ледовых объектов в Хибинах за последние 50 лет показало, что малые формы оледенения площадью менее 0,05 кв. км. не могут считаться индикаторами изменения климата, потому что оказываются более устойчивыми, чем крупные ледники. Они сохраняют свой стабильный режим – периодически сокращаясь до малых размеров, когда сходит весь накопленный за предыдущие годы снег, фирн и частично лед, а затем в следующем году восстанавливая свои размеры. Тенденция их развития зависит от сочетания количества твердых осадков и среднелетних температур. Исследования процессов эоловых трансформаций ландшафтов Терского берега Белого моря, оцениваемых как чрезвычайно опасные, показало хороший рост и продолжающее активное восстановление растительности на деградированных землях. Результаты исследований демонстрируют возможность их использования для оценки состояния насаждений и могут служить основой для мониторинга эффективности процессов восстановления земель на схожих территориях. Изучение современного состояния растительного покрова арктических экосистем и воздействие на них антропогенных факторов в индустриальных регионах показало высокий потенциал использования дистанционных методов. Комплексная оценка состояния растительного покрова экосистем, основанная на использовании наземных и дистанционных данных, позволила наиболее точно описать современное состояние, а также динамику в структуре растительных сообществ, как индикаторов антропогенного воздействия. Предложен алгоритм предварительной подготовки космических снимков для получения достоверных данных о динамике морских берегов. Арктические берега разрушаются в результате совместного развития термоабразии и термоденудации. На участках распространения пластовых льдов, с их вытаиванием связано образование специфических форм с высокими темпами роста – термоцирков и термотеррас. Для изучения скоростей роста этих форм организуются мониторинговые наблюдения. Применяются как полевые методы, включающие регулярные измерения на стационарных площадках, так и дистанционные методы, основанные на анализе материалов разновременных аэрофото- и космических съёмок. Получены новые данные по морфологии и динамике бугров-предшественников и воронок газового выброса (ВГВ) на севере западной Сибири. Для выявления изменений в рельефе, связанных с образованием ВГВ, необходимо построение и анализ разновременных ЦМР, характеризующих состояние поверхности «до» и «после» образования воронок. Ввиду отсутствия регулярно обновляемых топографических карт возникает задача построения цифровых моделей поверхности с плотностью узлов не менее чем 1/м. Подобные модели могут быть получены по результатам обработки данных воздушного лазерного сканирования, либо при использовании методов плотного стереоотождествления по стереопарам цифровой кадровой съёмки субметрового разрешения или сканерной съёмки. Разработан уникальный автоматизированный алгоритм поиска бугров и воронок газового выброса, основывающийся на оценке форм рельефа, рассматриваемых в качестве отдельных объектов. При рассмотрении большого числа объектов рельефа, выделяемых на ЦМР, были оценены значения признаков, исключающие часть объектов из дальнейшего рассмотрения. Таким образом, основанный на принципе поиска методом исключения алгоритм помогает сузить область поиска до минимально возможного при таком подходе количества объектов, среди которых будут и искомые бугры и воронки. Получены морфометрические характеристики форм мерзлотного рельефа на архипелаге Шпицберген и на севере Якутии. Сделаны предварительные выводы о связи изменчивости морфологических характеристик пятен медальонов и каменных кругов с гранулометрическим составом поверхностных отложений на различных ярусах рельефа (Шпицберген). Съемка с БПЛА дополнила материалы криолитологических работ - опробования сложно построенной толщи, вскрывающейся в 50-метровых стенках (Батагайский термоцирк). В направлении анализа альбедо поверхности снега на основе спутниковых данных на примере нескольких районов техногенного воздействия (Мурманск, Воркута, Норильск) были получены следующие важнейшие результаты: 1. Подтверждена точность и достоверность значений альбедо, рассчитанных по спутниковым данным Sentinel-2/MSI. Оценка точности выполнена на основе подспутниковых измерений альбедо снежного покрова естественных и городских ландшафтов. 2. Проведена оценка возможности использования ДДЗ при мониторинге загрязнения снежного покрова, для всех исследуемых объектов выделены ведущие факторы, влияющие на распространение загрязнителей. По материалам ДЗЗ, на основе анализа трендов спектральных индексов, проведена оценка изменений растительности Норильского промышленного района. Выявлено, что растительность Норильского промышленного района, деградировавшая на значительных площадях под воздействием аэротехногенного загрязнения, варьировавшего на разных этапах деятельности металлургического комбината, испытывает влияние потепления климата, в связи с чем наблюдается позитивная тенденция - возобновление устойчивых к загрязнению видов – злаков, хвощей, ивы. Исследование динамики дельт северных рек показало следующие результаты: 1. Дельта р. Лены. В результате анализа разновременных снимков на 97% протяженности морского края дельты изменения не были обнаружены, но для 3% выявлены изменения и составлены карты динамики для отдельных участков. Нигде не отмечен рост дельты. 2. Дельта р. Енисей. Анализ составленных карт показывает, что дельта Енисея на рубеже веков перешла от медленного выдвижения в Енисейский залив, наблюдавшегося во второй половине XX века, к преобладанию процессов размыва морского края и берегов рукавов; в исследуемый период площади размыва в 9 раз превысили площади аккумуляции отложений. 3. Дельта р. Северная Двина. Активизация морских процессов при потеплении климата отразилась в появлении участков размыва на островах морского края со стороны Двинского залива, где береговая линия отступила до 200 м, т. е. со скоростью до 5 м/год. Исследование динамики дельты за 1977-2020 гг. показало, что в период потепления климата, на фоне продолжающихся преобладающих процессов аккумуляции и нарастания площади островов дельты, выявлены начавшиеся процессы размыва мористых берегов на островах морского края дельты. В исследовании береговой динамики использованы БПЛА, что позволило с высокой точностью определять разнонаправленные изменения. Использование рядов ДДЗ, начиная с 60-х годов, позволило определить скорости отступания берегов на разных участках Белого моря, а также спрогнозировать ряд разрушений социально-экономических объектов на ближайшие 10-25 лет. Особое внимание в проекте было уделено исследованию влияния гидрометеорологических факторов на динамику береговой линии арктических островов. Районами исследования послужили побережье о. Колгуев в Баренцевом море и побережья о. Визе и о. Ушакова в Карском море, побережье Югорского полуострова в районе поселка Амдерма. Факторами изменения береговой линии являются таяние мерзлых грунтов под влиянием изменения температурного режима и механическое разрушение берегов, которое происходит за счет волновой активности при изменении продолжительности залегания ледового покрова. Сокращение площади морского льда приводит к усилению береговой эрозии, что связано с более длительным периодом открытой воды, это усиливает воздействие волн на берег, а также с нагреванием воды, что способствует термической эрозии берегов с многолетней мерзлотой. Результаты всех исследований обобщены в пространственную базу данных дешифровочных признаков состояния и динамики экосистем российской Арктики и предполагаются к открытому опубликованию через сеть интернет в виде геопортала. В основе результатов по различным направлениям проекта лежат комплексные полевые материалы, полученные в ходе мультисезонных, многолетних экспедиций, проведенных коллективом проекта. Апробация результатов проекта проведена на основе участия авторского коллектива в более чем 40 российских и международных конференциях. Результаты исследований опубликованы в ведущих международных и российских научных изданиях (более 80 публикаций). Результаты исследований соответствуют международному уровню, а в отдельных случаях превышают его. По различным направлениям исследований, получены уникальные данные, не опубликованные ранее.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".