Экологические исследования методами ДЗЗ

Аннотация:

В этой статье мы расскажем вам об одном из самых современных методах экологических исследований – методеистанционного зондирования Земли.

Методы ДЗЗ позволяют получать информацию о состоянии и динамике экосистем, определять изменения в растительности, водных ресурсах, почве и других элементах окружающей среды. Они также способствуют оценке биоразнообразия и выявлению экологических угроз. Всё это позволяет лучше понять экологические процессы, выявлять тренды и принимать обоснованные решения в области охраны окружающей среды и устойчивого развития.

Введение

В современном мире экологические проблемы являются одним из основных вызовов, которые стоят перед человечеством. Для понимания и оценки состояния окружающей среды и ее изменений необходимы своевременные и эффективные методы исследования. В последние десятилетия дистанционное зондирование земли стало важным инструментом для экологических исследований, позволяющим получать ценные данные о состоянии экосистем и их изменениях с высокой пространственной и временной разрешающей способностью.

Основные цели экологических исследований:

• Наблюдение за состоянием окружающей среды;
• Формирование информационных данных о текущем состоянии внешней среды и степени ее загрязненности;
• Осуществление широкомасштабных наблюдений за факторами антропогенного воздействия;
• Составление прогноза тенденций изменения состояния природной среды;
• Определение источников влияния антропогенного характера и организация наблюдения за ними;
• Прогнозирование и контроль природных катастроф и техногенных аварий.

Причины для исследований

Сегодня наша планета сталкивается с множеством угроз окружающей среде, одни из них локальны, другие – общие для всех стран. Экологические исследования помогают предупредить и предотвратить их.

Оценка состояния окружающей среды: Экологические исследования позволяют изучать и анализировать состояние природных экосистем, включая землю, воду, воздух и биоразнообразие. Они помогают определить уровень загрязнения, изменения климата, деградацию природных ресурсов и другие аспекты, которые могут оказывать влияние на экосистемы.

Мониторинг и прогнозирование изменений: Экологические исследования позволяют отслеживать долгосрочные изменения в окружающей среде и ее компонентах. Это позволяет принимать меры по сохранению и устойчивому использованию природных ресурсов.

Определение экологического риска: Экологические исследования помогают оценить риски, связанные с определенными видами деятельности или загрязнителями.

Разработка и оценка экологических политик и программ: Экологические исследования обеспечивают научные основы для принятия решений, направленных на сбережение природных ресурсов, защиту биоразнообразия и снижение негативного воздействия на окружающую среду.

Управление и восстановление экосистем: Экологические исследования способствуют пониманию процессов, происходящих в природных экосистемах, и помогают разработать эффективные методы восстановления и охраны природной среды.

Таким образом, экологические исследования играют важную роль в оценке, понимании и сохранении окружающей среды, а также в разработке устойчивых подходов к ее использованию и управлению.

Рис.1. Мониторинг потери леса. Рондонии, Бразилия, сравниваются изображения 2000 и 2013 годов, и разница, указывающая на потерю леса, показана красным цветом на 3-й панели.

Направления получения экологических данных

Для исследования состояния экологии на любом участке Земли требуются следующие данные:

• Загрязнение или отклонения растительных, земельных, лесных и водных ресурсов, представляющих угрозу обитания человеку и животному миру.
• Атмосферные вредные химические молекулярные вещества, вносящие нарушения в здоровье человека и отрицательно влияющие на общее состояние биосферы Земли.
• Разница проживания в городах, крупных агломерациях или сельской местности, вышеуказанные данные, требуют отдельных подходов к оценке экосистемы и получения именно локализованных данных по месту проживания.
• Статистические, математические и индикационные показатели для принятия решения для восстановительных работ биосферы и биоразнообразия.
• Животный мир на земле, в воздухе и в воде. Микроорганизмы и сфера их воздействия.
• Индустриальное негативное воздействие человека.

Последствия

Отсутствие экологического мониторинга может иметь серьезные последствия для окружающей среды и человеческого благополучия:

Ухудшение качества окружающей среды: без мониторинга неконтролируемое загрязнение и деградация окружающей среды могут привести к ухудшению качества воздуха, воды и почвы. Это может негативно сказаться на здоровье людей, животных и растений, а также привести к утрате биоразнообразия.

Несбалансированное использование природных ресурсов: без мониторинга невозможно оценить и проконтролировать уровень их пользования. Это может привести к потере экосистем.

Угроза биоразнообразию: без мониторинга невозможно отслеживать изменения в биоразнообразии и сохранять уязвимые виды и экосистемы. Потеря биоразнообразия вызовет нарушения экологического равновесия, ухудшит экосистемные условия и приведет к потере ценных природных ресурсов.

Риск экологических катастроф: без систематического мониторинга трудно обнаружить и прогнозировать возможные экологические катастрофы.

Отсутствие научной основы для принятия решений: Экологический мониторинг обеспечивает научные данные, необходимые для принятия обоснованных решений в области охраны окружающей среды, разработки политик и программ.

Рис.2. Прогнозы роста мидий (левая панель) в заливе Маунт-Сен-Мишель, Франция, с использованием хлорофилла-а мкг/л, с использованием данных Sea-WIFS температуры поверхности моря в качестве входных данных для биоэнергетической модели, предсказывающей закономерности роста (правая панель)

Поэтому экологический мониторинг является важным инструментом для оценки и контроля состояния окружающей среды, поддержания ее устойчивости и принятия эффективных мер по охране природы и сохранению биоразнообразия.

Почему удалённые сенсоры (датчики) сегодня на переднем крае экологических исследований?

Мощным и масштабируемым способом получения данных для понимания, управления и мониторинга восстановления экосистемы являются методы дистанционного зондирования.

Дистанционное зондирование получает информацию за счёт использования электромагнитного излучения, отражённого или испущенного земной поверхностью и атмосферой, либо аппараты сами испускают электромагнитное излучение и регистрируют отраженный сигнал – это активный метод зондирования. Прямое использование дистанционного зондирования для оценки фенологии растительности (изучение периодических событий жизненного цикла растений по отношению к окружающей среде) проводится уже много лет.

Преимущества дистанционных методов в отличие от традиционных:

• Объемная информация и широкий охват территорий. Космические аппараты (КА) захватывают территории на десятки и сотни километров, обладая высоким пространственным и спектральным разрешением.
• Возможность мониторинга на различных временных шкалах. Большой объем архивных данных позволяет проводить исследования затрагивающие недели или годы, а также наблюдать краткосрочные эволюционные процессы.
• Неконтактный характер исследований. ДЗЗ не требует непосредственного контакта с исследуемыми объектами или экосистемами.
• Многоспектральные данные для анализа различных аспектов экосистем. Дистанционное зондирование позволяет собирать данные в различных спектральных диапазонах, включая видимый, инфракрасный и микроволновый спектры.
• Возможность обнаружения изменений и трендов.

Недостатки дистанционных методов:

• Отсутствие прямой земной информации или подтверждения.
• Ограничения в разрешении и точности данных. Хоть многие КА обладают высоким пространственным разрешением в 1 м, в некоторых случаях, особенно при изучении мелкомасштабных объектов, могут возникать ограничения и необходимость дополнительного анализа.
• Необходимость тщательной калибровки и проверки данных.

Также важно понимать, что экологические мониторинг и исследования вещи одновременно близкие и разные. Относительно разницы между экологическим мониторингом и экологическими исследованиями:

• Экологический мониторинг охватывает длительное и систематическое наблюдение за экологическими параметрами, установление долгосрочных трендов и мониторинг состояния природных ресурсов. Также мониторинг чаще всего проводится уже после происшествия различного экологического ущерба в целях выявить масштаб и объем исправительных работ.
• Экологические исследования включают в себя более узкую область исследования, направленную на получение новых знаний о конкретных аспектах экосистем, процессах или воздействиях. Основными целями исследований же будет предупреждение грядущих катастроф.

Рис.3. Мониторинг разлива нефти в мексиканском заливе спустя месяц после взрыва на нефтяной платформе «Deepwater Horizon». Фрагмент изображения MODIS Terra (композит 1, 4, 3 каналов). Изображение получено 17.05.2010г в 16:40 UTC, с разрешением 250 м. Зона солнечного блика. Отлично видно, как «струя» под действием, скорее всего течения, устремилась на юго-восток в сторону Кубы.

Методы

Некоторые из основных методов дистанционного зондирования Земли, используемых в экологических исследованиях, включают:

Мультиспектральное зондирование:

Мультиспектральный метод зондирования захватывает данные изображения в определенных диапазонах длин волн электромагнитного спектра. Длины волн могут быть разделены фильтрами или обнаружены с использованием приборов, чувствительных к определенным длинам волн, включая свет с частотами за пределами диапазона видимого света, т. е. инфракрасного и ультрафиолетового. Это может позволить извлекать дополнительную информацию, которую человеческий глаз не может уловить с помощью своих видимых рецепторов для красного, зеленого и синего цветов.

Мультиспектральные спутники собирают данные в 5–20 диапазонах спектра. Чаще всего изображение состоит из трех основных цветов и нескольких инфракрасных частей спектра. Это делает их более экономически эффективными.

Преимущества данного метода это, широкий спектральный охват, что позволяет получить информацию о различных характеристиках поверхности Земли. Сравнительно низкая стоимость данных и их доступность, благодаря наличию спутниковых систем массового производства. Большой объем данных и возможность проводить масштабные исследования.

Рис.4. Пример мультиспектрального зондирования полей с помощью БПЛА DJI Phantom 4 Multispectral

Гиперспектральное зондирование

Гиперспектральное дистанционное зондирование, отличается от классических оптических мультиспектральных подходов количеством и шириной спектральных полос, регистрируемых датчиком. Хотя мультиспектральные датчики измеряют оптическую часть электромагнитного спектра в нескольких (< 10) относительно широких полосах (шириной около 40–100 нм), гиперспектральные датчики измеряют оптическую часть электромагнитного спектра во многих (> 50, но часто во многих больше), регулярно расположенные узкие полосы шириной примерно от 5 до 10 нм. Благодаря этому гиперспектральные данные позволяют с высокой степенью детализации отбирать все спектральные характеристики отражения, которые можно использовать для количественной оценки различных биологических, геологических и химических свойств земной поверхности.

Интересно отметить, что классические мультиспектральные сенсорные системы также все чаще используют узкие спектральные полосы для измерения конкретных свойств растительности. Мультиспектральные приборы на борту Sentinel-2a и Sentinel-2b, например, имеют три узкие полосы в области ближнего красного спектра, а также узкую полосу в ближней инфракрасной области, что позволяет более детально охарактеризовать свойства растительности.

Рис.5. Пример набора гиперспектральных данных, полученных с помощью датчика HySpex с 416 узкими спектральными полосами в диапазоне от ~ 400 до ~ 2500 нм. Верхнее изображение показывает коэффициент отражения красным/зеленым/синим цветом, тогда как нижнее изображение показывает первые три основных компонента, полученные из всех 416 каналов, что дает подробное представление о переменных типах земного покрова.

В настоящее время доступно несколько космических гиперспектральных датчиков (например, Hyperion на борту EO-1 или компактный спектрометр для формирования изображений высокого разрешения на борту PROBA-1). Эти космические гиперспектральные датчики помогут лучше понять глобальную пространственную и временную изменчивость биогеохимических свойств экосистем.

Лидарное сканирование

Оптическое дистанционное зондирование ограничено изучением растительного покрова из-за непроникновения солнечного света сквозь кроны деревьев и другой растительности, появился новый тип активного датчика - LiDAR. Он позволяет более точно и детально изучать структуру растительности. Датчики LiDAR используют лазерные лучи для измерения времени, необходимого для преломления и отражения лазерного луча обратно к датчику. По полученным данным можно определить высоту над землей. Создавая трехмерное облако точек из отраженных лазерных лучей, можно выявить максимальные значения высоты и преобразовать их в цифровую модель поверхности - регулярную сетку ячеек, отражающую высоту растительного покрова.

Однако, несмотря на возможности воздушного LiDAR для понимания пространственной (и пространственно-временной) динамики экосистем, он остается дорогостоящим инструментом из-за высокой стоимости эксплуатации платформ, таких как БПЛА, самолеты и вертолеты, особенно на больших пространственных участках. Таким образом, анализ часто ограничивается областями существующих данных или небольшими областями и отдельными измерениями. Этот пробел может быть заполнен новыми космическими данными LiDAR из системы Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI), который обеспечивает «LiDAR-графики» диаметром 25 м на регулярной сетке 60 × 600 м. Путем слияния GEDI с оптическими спутниковыми данными в будущем могут быть созданы глобальные карты ключевых особенностей растительности, например, глобальная высота деревьев.

Рис.6. Примеры облака точек LiDAR для исследовательского участка леса площадью 500 м ² (левый участок) с отдельными деревьями, сегментированными для получения структурных показателей на основе деревьев (например, высота; средний участок). Данные были собраны с вертолета в 2021 году и обработаны с помощью пакета lidR с открытым исходным кодом. На правом графике показана модель высоты полога, полученная из облака точек при пространственном зерне 1 м².

Радарное зондирование

Радар — это еще один тип активного сбора данных, использующий излучаемые системой микроволны для определения дальности, угла и физических свойств объектов на поверхности Земли. Активный датчик радар не зависит от солнечного света как источника излучения и поэтому может работать даже ночью и в облачных условиях. Хотя радиолокационные методы сами по себе не новы и исторически применялись для топографической съемки, радиолокационные данные стали играть все более заметную роль в исследованиях динамики экосистем из-за появления космических радиолокационных систем открытого доступа, таких как спутник ESA Sentinel-1, высокого пространственного разрешения современных радиолокационных систем (<10 м) и способности радара преодолевать облачный покров.

Недавние исследования проверили способность радара отслеживать фенологию растительности, нарушения лесов, вызванные короедом и пожарами, а также вырубку лесов в тропиках, где способность видеть сквозь облака значительно расширила возможности мониторинга. В зависимости от поляризации радар может проникать сквозь растительность и, таким образом, оценивать структуру растительности. Радар также применялся для изучения водно-болотных угодий и городских районов, и поэтому его полезность выходит за рамки более классических приложений в лесных экосистемах.

Хотя необходимы дополнительные исследования, радар имеет большие перспективы для анализа структуры растительности в пространстве и времени, независимо от облачного покрова. Таким образом, будущие радиолокационные системы специально разработаны для глобального мониторинга динамики биомассы.

Рис.7. Пример бесшовного набора радиолокационных данных, полученного над Европейскими Альпами от Sentinel-1. Красный/зеленый/синий цвета показывают разные поляризации сигнала радара, усредненные за лето 2021г.

Тепловое зондирование:

Тепловые камеры, установленные на дронах или спутниках, регистрируют инфракрасное излучение, которое является отражением теплового излучения объектов на поверхности Земли. Тепловое зондирование позволяет исследователям изучать тепловые характеристики экосистем, включая тепловые аномалии, изменения температуры водных ресурсов и распределение тепла в городских районах.

Использование теплового излучения для изучения процессов, связанных с тепловым балансом в экосистемах. Обнаружение тепловых аномалий и идентификация источников тепла. Использование для изучения изменений климата и мониторинга теплового состояния водных ресурсов.

Рис.8. – Растры полуденных температур земной поверхности ТЗП °C и вегетационного индекса NDVI для сезонов 2011 г. Май (а), Сентябрь (б).

Эти методы дистанционного зондирования земли обладают уникальными возможностями для получения данных о поверхности Земли и ее состоянии. Исследователи могут использовать эти данные для мониторинга экосистем, определения изменений в окружающей среде и принятия обоснованных решений в области охраны окружающей среды.

Применение методов ДЗЗ в экологических исследованиях

Картирование распределения леса. Применение дистанционного зондирования в управлении лесами и сохранении биоразнообразия.

Изображения, а на его основе последующее картирование широко используются в экологии леса и планах по его восстановлению. Кроме того, исследователи полагаются на данные удалённых сенсоров для оценки биофизических и биохимических свойств, вплоть до отдельных деревьев, растущих в лесу. В настоящее время биоразнообразие необходимо охранять в первую очередь для поддержания механизмов функционирования живой природы в лесах и экосистемах; поддерживать способность противостоять изменениям окружающей среды, а также открывать и использовать новые возможности, которые могут способствовать развитию и гарантировать выживание будущих поколений. Эволюция инструментов дистанционного зондирования позволяет совершенствовать существующие подходы и разрабатывать новые инновационные подходы для лучшей оценки реакции биоразнообразия на управление природными экосистемами и их сохранение.

Рис.9. Картирование леса на основе изображений вплоть до дерева

Информация о землепользовании

В экологии исследователи пытаются понять взаимосвязь между живыми организмами и их физическим участием. Для этого они должны изучить растительный покров и его использование. Для этого есть «тысячи» способов, но один из самых удобных и надёжных — дистанционные сенсоры. Удалённые сенсоры создают изображения, необходимые для анализа того, как используется земля, а продвинутая технология LULC представляет детальные индексы её состава и критические изменения в сторону ухудшения. На изображениях также хорошо видна поверхность земли, которая классически картируется для анализа экологической обстановки (в том числе нанесения индексов состава земли) и позволяет понять масштаб возможного экологического ущерба.

Рис.10. Картирование экологических изменений землепользования

В целом, на Земле темпы деградации земель сегодня все ещё выше, чем темпы восстановления земель. Несмотря на потенциал смягчения последствий изменения климата посредством глобального восстановления деревьев, существует настоятельная необходимость в действиях. Реабилитация 12 миллионов гектаров деградировавших земель в год может помочь сократить разрыв в уровне выбросов до 25% к 2030 году.

Учитывая необходимость ускоренных действий в масштабе, землеустроителям, политикам и другим заинтересованным сторонам нужны наилучшие доступные данные для понимания, планирования и управления восстановлением экосистем и точного расчёта связывания углерода в этих экосистемах.

Химия растительности и влажность

При исследовании растительности и влажности растений используют различные инструменты. Химический состав растительность решающий показатель экологического содержания их состояния. Мультиспектральные инструменты с высоким и грубым пространственным разрешением, которые представляют собой дистанционные сенсоры, творят чудеса при изучении химического состава растительности и влажности. Ботаники полагаются на этот сенсор (датчик) как на основной источник экологических данных. На основе синтеза различных мультиспектральных каналов можно получит информацию о состоянии растительности.

Рис.11. Полосы поглощения хлорофилла растениями

Рис.12. - Спектры отражения при разном уровне содержания хлорофилла в листе

Инвентаризация углерода

Для инвентаризации углерода требуются оценки запасов биомассы, а дистанционное зондирование помогает в получении информации или данных, необходимых для таких оценок или для проверки оценок, сделанных другими способами. Оценки запаса биомассы основаны на характеристиках растительности, таких как покрытие и полог.

Одним из важнейших вопросов при использовании данных дистанционного зондирования является точность оценок. Обеспокоенность также распространяется на оценку запасов углерода. Точность 80–95% достижима при использовании изображений с высоким разрешением (1-10м) при различении лесных и нелесных территорий. Однако для определения биомассы и, следовательно, содержания углерода такой высокой точности добиться гораздо труднее – наиболее надёжными оценками запасов углерода являются оценки, основанные на БПЛА и полевых измерениях.

Углерод является основным компонентом растительной биомассы и невидим. Поэтому для оценки запасов углерода необходимо ориентироваться на особенности растительности. Этими характеристиками могут быть возраст растительности, диаметр дерева, интенсивность активности хлорофилла или плотность биомассы.

Рис.13. Взаимосвязь полевой оценки надземной биомассы, оценённой в полевых условиях, с индексами растительности, полученными с помощью Sentinel-2, такими как NDVI и MSAVI для каждого участка.

Рис.14. Карта запасов углерода кустарников в западном пустынном регионе Монголии. Площадь пикселя 100 м².

Средний запас углерода составляет 5,1 кг/пиксель в этом регионе.

Рис.15. Концентрация CO2 выделены цветом.

Рис.16. Пример графика спектральной отражательной способности сфагнума – биомасса углерода.

Видимый и ближний ИК диапазоны соответствуют длинам волн, используемым Landsat (синий 450–515 нм; зелёный 525–600 нм; красный 630–680 нм; NIR 845-885 нм). Добавляются пики флуоресценции растительности (690 и 740 нм) и впадина отражения воды (950–970 нм, используется WI). Образец был взят из заповедника Forsinard Flows RSPB, а отражательная способность была получена в лаборатории с помощью спектрометра Ger3700. Стоит отметить, что отражательная способность сфагнума-углерода сильно зависит от содержания воды, отбеливания и увеличения отражательной способности во всех длинах волн по мере высыхания.

Заключение

С точки зрения учёного и экологического практиканта, занимающегося дистанционным зондированием, экологические ландшафты состоят из пикселей, иногда скрывающих сложность реального мира. Поэтому важно, чтобы люди, работающие в основном с данными дистанционного зондирования, также выезжали на места и оценивали сложность экологических систем в полевых условиях.

Дистанционное зондирование позволит лучше количественно оценить неоднородность экосистемы (то есть пространственные и временные вариации экологических процессов) и, таким образом, существенно улучшить понимание устойчивости экосистемы.

Например, последовательное отслеживание индексов растительности в пространстве и времени позволяет обнаруживать сигналы раннего предупреждения, такие как усиление временной автокорреляции, которые могут указывать на резкое изменение состояния экосистемы. В связи с этим способность дистанционного зондирования отслеживать пространственные закономерности во времени (например, фрагментацию леса) или состав и конфигурацию участков нарушений открывает новые направления в количественной оценке устойчивости экосистемы помимо традиционных мер.

Дистанционное зондирование также может помочь в прямой количественной оценке устойчивости экосистемы, например, путём картирования скорости её восстановления после нарушений.

Существенен вклад дистанционного зондирования в точное картирование микроклимата, что улучшило последующие прогностические модели.

С учётом этих направлений исследований и лучшего образования экологов в области данных и анализа данных дистанционными методами можно утвердительно отметить, что ДЗЗ стала важным инструментом для исследования состояний экосистем по всей Земли.