Разработка подходов к организации дистанционного мониторинга динамики речных стоков

При использовании наземных методов контроля речного стока существует ряд факторов, препятствующих объективной оценке этого показателя. Наиболее значимыми из них являются сложность получения информации с достаточно высокой пространственной периодичностью вдоль всего русла наблюдаемых рек. Это связано в первую очередь с высокой стоимостью организации и поддержкой измерительных гидропостов. В такой ситуации технологии ДЗЗ позволяют дополнить, а в некоторых случаях и заменить недостающие наземные измерения показателями, рассчитанными по спутниковым наблюдениям.

В рамках темы «Мониторинг» в настоящее время развивается новый подход для решения данной проблемы. Подход основан на использовании технологии космических гидропостов, или КГП, которые представляют собой полигоны произвольной формы около водных объектов. Как правило, для мониторинга рек необходимо устанавливать такие полигоны в виде нешироких полос перпендикулярно векторам частичных стоков реки. В пределах границ таких полигонов по спутниковым данным могут быть рассчитаны различные показатели, в данном случае — площадь водного зеркала, рассчитанная по индексу MNDWI (modified normalized difference water index), что фактически выражает показатель ширины реки.

В 2021 г. данный подход отрабатывался на примере оценки возможности мониторинга речного стока реки Амударьи. В качестве тестового полигона был выбран район гидропоста Керки, данные с которого были обработаны в совокупности с величинами площади водного зеркала около измерительного пункта. При этом использовались спутниковые изображения сканирующей аппаратуры MSI (Sentinel-2A, -2B), OLI, TIRS (Landsat-8), ETM+ (Landsat-7). Эмпирически установлено, что в непосредственной близости выше по течению от станции Керки наблюдается линейная зависимость суточных стоков и площади водной поверхности. При этом также был исследован вопрос о том, может ли подобная зависимость быть сохранена в каком-либо виде и как работают КГП различной формы и ориентации относительно расположения русла на некотором удалении от Керки. Последовательность полигонов, расположенных выше (как в данной работе) или ниже по течению реки от наземного измерительного пункта в контексте текущего исследования носит названия «сети КГП». Измерения суточного стока, полученные с Керки за 2014, 2016 и 2018 гг., были проанализированы при построении моделей на каждом шаге построения такой сети совместно с временными рядами площади водного зеркала на виртуальных полигонах за те же временные отрезки.

Модель линейной регрессии позволяет определить связь между показателями суточного стока и интегральными показателями площади водного зеркала около Керки. На каждом следующем шаге полиномиальная модель, построенная по показателям площади водной поверхности, нормированных на площадь полигона при удалении от станции, выражает устойчивость всей сети КГП в совокупности. Для межгодовой устойчивости моделей все наблюдения были разделены случайным образом на тренировочное и тестовое множества. В работе также проведены эксперименты по выявлению оптимальной формы гидропостов на каждом шаге формирования сетей КГП согласно сформированным правилам. Каждый следующий гидропост в сети выбирался из группы полигонов различной площади и ориентации, после чего по одинаковой схеме были рассчитаны показатели для каждого КГП. На основе рассчитанных показателей были сформированы требования и правила по установке виртуальных полигонов на реках.

Результаты проведённых в работе исследований позволили установить зависимость межгодовой изменчивости морфологии участков русла Амударьи и качества модели для выявления взаимосвязи двух временных рядов. Изменение гидрографической сети реки напрямую влияет на работу сети КГП, а сдвиг русла и обмеление некоторой его части заметно ухудшает качество модели, что требует либо включения параметров, нивелирующих влияние таких факторов, либо формирование более жёстких требований к выбору космических гидропостов.
Технология КГП автоматизирована и интегрирована в виде ряда онлайн-инструментов анализа в специализированном сервисе спутникового мониторинга EcoSatMS (http://suvo.geosmis.ru), функционирующей на базе Центра коллективного пользования «ИКИ-Мониторинг» (http://ckp.geosmis.ru).