Картографирование соровых понижений и солончаков на основе многолетних данных Landsat для совершенствования методов спутникового мониторинга процессов опустынивания

Соровые понижения (соры) и приуроченные к ним солончаки являются характерными элементами ландшафтов засушливой зоны и широко распространены на территории Прикаспийской низменности, юге Западной Сибири и в Средней Азии. Ландшафты полупустынной и пустынной зон подвержены процессам деградации из-за регулярных засух и неконтролируемого выпаса скота, поэтому проблема разделения естественных солончаков и лишенных растительного покрова участков из-за дефляции и чрезмерных пастбищных нагрузок при их спутниковом мониторинге актуальна. Для солончаков характерна крайне разреженная растительность или ее полное отсутствие в силу естественных причин, из-за чего они могут быть ошибочно отнесены к деградированным в результате антропогенного воздействия площадям при их картографировании по данным дистанционного зондирования. В последние годы на юге европейской части России интенсифицировалось опустынивание пастбищ под влиянием неблагоприятных гидротермических условий и чрезмерного выпаса домашнего скота, поэтому возникает необходимость спутникового мониторинга этих процессов. Соровые понижения и солончаки при этом должны картографироваться отдельно, поскольку отсутствие на них растительности является следствием их природных особенностей, а не антропогенного воздействия. Большинство исследований процессов опустынивания и динамики состояния растительности по данным дистанционного зондирования не учитывают наличие естественных солончаков без растительного покрова.

Имеющиеся работы по картографированию соровых понижений и солончаков опираются на методы экспертного дешифрирования спутниковых изображений высокого и сверхвысокого пространственного разрешения. Поскольку границы соров и солончаков имеют достаточно четкие дешифровочные признаки, а также слабо подвержены многолетним изменениям, то подобный подход оправдан. Единожды полученные границы на основе визуального дешифрирования спутниковых изображений могут потом использоваться в течение нескольких лет без существенной корректировки. Недостатком такого метода является его значительная трудоемкость, из-за чего расширение границ исследований сопряжено с большими временными затратами. В связи с этим возникает необходимость разработки метода, который позволил бы получить электронную карту соровых понижений и солончаков с меньшими трудозатратами.

Цель данного исследования заключается в разработке метода картографирования соров и солончаков и их последующее картографирование на российской части Северного Прикаспия для отделения от площадей, лишенных растительного покрова вследствие негативного воздействия природных и антропогенных факторов. Регион исследований включает Астраханскую область, Ставропольский край, Республики Дагестан и Калмыкия.

Общим для всех соров и солончаков признаком является практически полное отсутствие растительного покрова, поэтому их выделение возможно на основе анализа вегетационных индексов, например, NDVI. Наибольший контраст с покрытым растительностью окружающим пространством при этом может быть достигнут в весенний период, когда соры максимально заполнены водой, а окружающие ландшафты покрыты активно вегетирующими растениями. В условиях северных пустынь и опустыненных степей это май и первая половина. При этом возможно перепутывание соров с постоянными искусственными и естественными водоемами, а также открытыми песками и дефлированными территориями без растительного покрова. Отличительной особенностью соров по сравнению с постоянными водоемами является нерегулярное наполнение водой, а также значительно меньшие глубины. По сравнению с открытыми песками соры практически не зарастают растительностью в течение многих лет, тогда как на протяжении последних десятилетий очаги песков зарастали и появлялись вновь, меняя свое местоположение. Также периодическое заполнение соровых понижений водой или значительное увлажнение гидроморфных солончаков позволяют отделить их по спектрально-отражательным признакам от многолетних песков и дефлированных участков на основе водного индекса NDWI, рассчитываемого как нормализованная разность коэффициентов спектральной яркости в зеленом и ближнем инфракрасном диапазонах.
Таким образом, основой для картографирования соров могут стать многолетние спутниковые данные и полученные на их основе среднемноголетние значения NDVI и NDWI. Значения NDVI позволяют выделить участки без растительного покрова, а использование NDWI необходимо для разделения периодически заполняемых водой соров, приуроченных к ним гидроморфных солончаков, постоянных (ежегодно наполняемых) водоемов, открытых песков и дефлированных территорий без растительного покрова. В последние годы из-за пыльных бурь некоторые солончаки могли заноситься песком, по многолетним данным подобные объекты также идентифицируются как соры. Схема картографирования представлена на рисунке 1. Пороговые коэффициенты для значений NDVI и NDWI получены эмпирически путем сравнения результатов со спутниковыми изображениями высокого разрешения, а также электронными картами соровых понижений, озер-ильменей, открытых песков и дефлированных площадей для территории Черных земель в Калмыкии и Астраханской области.

Рисунок — 1 Схема картографирования соровых понижений и солончаков

Соровые понижения и солончаки характеризуются большим диапазоном площадей, при этом множество данных объектов имеют площадь до 10–20 га, что накладывает ограничения на пространственное разрешение используемых спутниковых данных. Достаточным пространственным разрешением среди открытых спутниковых данных обладают только системы Landsat и Sentinel-2. Спутниковые изображения Landsat имеют достаточно большую глубину архива, так как данные разрешения 30 м/пиксель доступны с 1984 г., что является существенным преимуществом перед данными Sentinel-2, которые имеют более высокое пространственное разрешение, но доступны только с 2015 г. Глубина архива важна для картографирования соров в регионе исследований, поскольку значительная часть открытых песчаных массивов, существующих сейчас, была образована только в последние несколько лет. Также большая часть очагов опустынивания середины 80-х годов прошлого века в настоящее время восстановилась благодаря организации системы особо охраняемых природных территорий и проведению фитомелиоративных мероприятий, в то время как соры и солончаки не имели растительного покрова на протяжении всего практически сорокалетнего периода, на который доступны спутниковые изображения Landsat-5, 7–9. Использовались спутниковые данные Landsat за период 1984–2022 гг. с интервалом 5–7 лет, прошедшие процедуры коррекции атмосферных искажений и радиометрической калибровки. Учитывались только объекты площадью более трех пикселей Landsat.

Результат картографирования соров, солончаков и водоемов показан на рисунке 2 Хорошо заметно, что открытые пески, появившиеся к 2022 г., но отсутствовавшие в 2013 г., не были выделены. Идентифицировано около 53 тыс. объектов площадью более трех пикселей Landsat. Общая площадь соровых понижений, в том числе с временными водоемами, составила 245 тыс. га, еще 95 тыс. га занимают постоянные, в том числе пресные, водоемы. Суммарно эти категории составляют всего около 2,3 % площади территории изучаемых регионов. Тем не менее, площадь соров и солончаков превышает площадь подвижных песков и дефлированных территорий до периода интенсификации процессов опустынивания в 2019–2021 гг. Около половины солончаков расположено в Калмыкии (101,4 тыс. га солончаков, 25,1 тыс. га постоянных и временных водоемов), также значительные площади в Астраханской области (61,8 тыс. га солончаков, 57,1 тыс. га водоемов) и Дагестане (63,8 тыс. га солончаков, 2,5 тыс. га водоемов). В Ставропольском крае зафиксировано 18,1 тыс. га солончаков и 10,2 тыс. га постоянных и временных водоемов.

Пороговые значения среднемноголетних NDVI и NDWI, предложенные для юго-востока европейской части России, могут не подойти для других территорий (например, Средней Азии), так как по мере нарастания аридности биомасса растительности снижается, соответственно различия NDVI между сорами и окружающим пространством будут уменьшаться. Также будет изменяться наполняемость соровых понижений водой и влажность гидроморфных солончаков, из-за чего неизбежны и различия значений NDWI. Использование пороговых значений, подобранных экспертным методом, позволяет осуществлять картографирование без опорной выборки. При наличии информации для обучения алгоритмов классификации можно для картографирования солончаков и соров использовать набор данных дистанционного зондирования, включающий как отдельные спектральные каналы, так и среднемноголетние значения NDVI и NDWI. Это направление требует дальнейшей проработки.

Разработанный метод позволяет достаточно эффективно картографировать соровые понижения и сопряженные с ними солончаки на основе многолетних данных NDVI и NDWI. Сравнение полученных данных с результатами экспертного дешифрирования показало, что около половины выделенных вручную контуров солончаков и соров регулярно зарастает растительностью, что также согласуется с проанализированными информационными продуктами типов земного покрова сопоставимого пространственного разрешения.

В результате исследования выявлено, что площадь соров и солончаков превышает площадь подвижных песков и дефлированных территорий до периода интенсификации процессов опустынивания в 2019–2021 гг. Общая площадь соровых понижений с временными водоемами составила 245 тыс. га, еще 95 тыс. га занимают постоянные, в том числе пресные, водоемы. Около половины солончаков расположено в Калмыкии, также значительны их площади в Астраханской области и Дагестане. Таким образом, эта категория земель должна учитываться при спутниковом мониторинге процессов опустынивания и оценке их экологических последствий.

Рисунок 2 — Результат картографирования соровых понижений и солончаков
(I — государственная граница, II — границы регионов, III — тайлы Landsat,
IV — населенные пункты, V — постоянные водоемы, VI — соры и солончаки,
VII — соры, преимущественно покрытые водой и соленые озера)

Поскольку основное отличие соров и гидроморфных солончаков от открытых песков и других лишенных растительного покрова территорий заключается в больших среднемноголетних значениях NDWI, то отделение соров от опустыненных территорий при картографировании последних возможно с использованием только NDWI. Для этого значения NDWI могут быть использованы в качестве признаков при классификации открытых песков и других участков без растительности. Если же анализируется только динамика площадей опустынивания, начиная с некоторого начального отрезка времени, то соры и солончаки существенно на изменение этих площадей не повлияют, т.к. их границы относительно стабильны.

Разделение подвижных песков и дефлированных территорий, лишенных растительного покрова в результате воздействия антропогенных нагрузок и неблагоприятных гидротермических условий, соров и приуроченных к ним гидроморфных солончаков, растительность на которых отсутствует в силу естественных причин, возможно на основе среднемноголетних значений водного индекса NDWI.