Дистанционное зондирование экологии озера Байкал

Озеро Байкал является известным во всем мире объектом Всемирного наследия ЮНЕСКО. Из-за нынешней экологической ситуации данная экосистема уязвима перед лицом усугубляющихся угроз, с которыми человечеству необходимо вести борьбу для того, чтобы сохранить уникальную флору и фауну этого места.

Воды Байкала — это важнейший стратегический ресурс планеты, а в связи с перспективой роста дефицита пресной воды, именно водный фактор развития территории является ключевым. Воспроизводство и восполнение вод происходит на территории всего бассейна оз. Байкал, что предопределяет особое внимание здесь к охране природы и диктует запрет на многие виды производства, дабы не допустить изменений окружающей среды и сохранить байкальскую воду для человечества. В настоящее время необходимость природоохранной деятельности для поддержания неповторимого биологического и ландшафтного разнообразия бассейна озера возникла из-за активного использования природных ресурсов в различных его частях.

Первоочередной угрозой для Байкала является глобальный экологический кризис в прибрежной зоне, причиной которого является поступление загрязнённых стоков в озеро.

Требуется принять решения по модернизации и строительству современных очистных сооружений вблизи побережья, введению мониторинга прибрежной зоны озера Байкал, а также безотлагательному детальному и многоплановому исследованию причин и возможных последствий перестройки экосистемы мелководной зоны Байкала.

По этим направлениям дистанционное зондирование (спутниковое, авиационное, БПЛА, сенсорное подводное и наземное наблюдение) представляется современной технологией неотложного решения экологического мониторинга озера Байкал, дополняющей локальные полевые данные, с эффективностью по стоимости и временным затратам.

Методика ДЗЗ в экологической области хорошо разработана и апробирована. Накоплен определённый опыт, но, к сожалению, на примере озера Байкал не носит системного характера.

Существует тематический Атлас озера Байкал (http://bic.iwlearn.org/ru/atlas), который актуален по состоянию до 2015г. Его основа создана по космической съёмке LANDSAT.

За последние 10 лет появились определённые сдвиги в применении методов ДЗЗ по Байкалу, прежде всего в головах учёных и государственных чиновников.

Главное - отсутствие системного подхода к проблеме.

Целевая суть - формирование «Системы мониторинга прибрежной зоны озера Байкал». Существующие здравые предложения до сих пор не реализованы, а именно:

• разработка научно-обоснованных предложений по устранению причин кризиса в экосистеме озера Байкал;

• получение научной базы, позволяющей производить корректировку программы «Сохранение озера Байкал», с ранжированием приоритета выполнения мероприятий;

• разработка системы биоиндикаторов экологического и санитарно-эпидемиологического статуса мелководной зоны озера Байкал; формирование цифровой онлайн платформы мониторинга экосистемы озера Байкал и прилегающих территорий; научное обоснование экологических и рыбохозяйственных требований при регулировании уровня озера Байкал;

• обеспечение научно-методического сопровождения применения Нормативов допустимых воздействий на экосистему озера Байкал;

• обоснование внешних границ водоохранной зоны озера Байкал и функциональное водоохранное зонирование территорий населённых пунктов, расположенных в Центральной экологической зоне озера Байкал и оказывающих негативное воздействие на водные ресурсы и экосистему;

• обоснование решения гидрогеологических проблем в населённых пунктах центральной и буферной экологических зон БПТ.

• на основе реальных данных создание системы мониторинга экологической ситуации озера Байкал и прилегающей территории, ответственности чиновников за непринятия срочных соответствующих мер по улучшению обстановки.

Актуальные экологические проблемы озера Байкал:

• резкое понижение уровня оз. Байкал за счет аномально низкого годового притока (67% от нормы в 2014 году), около половины которого приходится на р. Селенга;

• аномальное снижение водного стока и объема наносов р. Селенга;

• эвтрофирование прибрежных вод озера за счет зарастания мелководья сине-зелеными водорослями и снижения содержания в воде кислорода;

• значительное увеличение в воде фосфора из промышленных и хозяйственно-бытовых стоков из-за отсутствия очистных сооружений у объектов бурно развивающегося туристско-рекреационного комплекса;

• повышение геодинамической активности недр с усилением их метановой дегазации;

• массовая несанкционированная застройка береговой зоны;

• как следствие – снижение численности рачка-эпишуры – главного фильтра байкальской воды и объекта питания омуля, составлявшего до 90% и более биомассы всех живых организмов прибрежной зоны; заражение байкальской губки (другого природного фильтра) цианобактериями с выделениями яда сакситоксина, распространение водоросли спирогиры (по мнению ученых, в совокупности все это указывает на экологический кризис экосистемы оз. Байкал).

Остров Ольхон. Комбинация космических снимков среднего (Landsat-8, 13 сентября 2015) и сверхвысокого разрешения (Pleiades, 29 сентября 2015) фиксирует как общий характер и степень застройки северо-западного побережья острова, так и детальный план несанкционированных сооружений пос. Хужир

По КС сверхвысокого разрешения Pleiades фиксируется распространение сине-зеленых водорослей в заливах и вдоль антропогенно измененных берегов оз. Байкал

Разработаны методологические основы геоинформационного мониторинга процессов природопользования в бассейне озера Байкал, как стратегической концепции управления информационными потоками трансграничного региона в условиях экологических ограничений. В качестве базовой технологической единицы реализации этой стратегии принята Геоинформационная система мониторинга природопользования (ГИСМП). Основу информационной подсистемы составляют разновременные цифровые покрытия, карты, аэрокосмическая, статистическая, литературная информация и фотографические материалы. Информационная подсистема решает задачи накопления, структурирования, хранения и обновления первичной пространственно-временной информации на электронных носителях. Пространственной основой ГИС является универсальное рабочее покрытие (Transverse Merсator на эллипсоиде Красовского), созданное в результате совмещения топографической основы с тематическими цифровыми слоями: ландшафты, почвы, землепользование, административное деление.

Рис. 1 Структура ГИСМП

Главной функциональной задачей этой системы является однозначная идентификация каждого моделируемого объекта и его атрибута, обеспечивающая возможность эффективного поиска необходимых данных в информационном массиве. Есть основа, требуется её актуализация, пополнение и системный мониторинг.

Цифровая карта «Экосистем бассейна оз. Байкал» масштаба 1:500 000 составлена методом дешифрирования актуальных материалов космической съёмки с использованием ранее созданных разномасштабных материалов тематического картографирования отдельных территорий в границах бассейна и авторских полевых описаний экосистем и растительности. На карте отражены состав, структура и современное состояние наземных экосистем, показаны новые сильно расширившиеся по сравнению с картографическими данными прошлых лет площади антропогенных экосистем. Легенда карты включает 71 выдел экосистем, соответствующих ландшафтным единицам урочище/подурочище. Для отображения пространственной вариабельности природных компонентов экосистем были разработаны соответствующие цифровые слой-карты (объединённые ГИС): морфогенетических типов рельефа, почвенного покрова и растительности бассейна, разработанные на основе интерполяции различных опубликованных тематических данных и дополненные сведениями из архивов и материалов более чем 50-летнего полевого изучения почв и растительного покрова Совместной Российско-Монгольской комплексной биологической экспедицией Российской академии наук и Монгольской академии наук (СРМКБЭ). Созданная пространственная база данных объёмом 5.1 Гб представляет собой картографический Веб-сервис.

Рис. 2 Местоположение бассейна оз. Байкал

Разработанная БД представляет собой картографический веб-сервис, в который интегрированы все карты, поименованные выше. Любой пользователь имеет доступ ко всей БД сразу (все данные, интегрированные в веб-карту «Экосистемы бассейна оз. Байкал»), где он сможет просматривать и аннотировать данные, а также к отдельным картографическим единицам (папка «Карта экосистем бассейна оз. Байкал»).

Рис. 3 Физико-географическое положение бассейна озера Байкал

Построенная БД позволяет просматривать, анализировать и дополнять данные о ландшафтно-экологическом пространстве бассейна оз. Байкал, на разных уровнях организации.

Рис. 4 Расположение модельных полигонов и ключевых участков в бассейне оз. Байкал.

Рекреация на озере Байкал

Рекреация как важнейший вид человеческой деятельности отображается на карте как целостное явление. Степень территориального развития рекреационной деятельности отражена с помощью зонирования (природные и природно-социальные рекреационные зоны). Границы зон соответствуют изогипсе 1500 м. Контуры определяются природно-ландшафтной дифференциацией. Выделено пять уровней предельно допустимой плотности (чел/га/день).

Основным моментом является районное и поселковое зонирование рекреационных территорий (основных и дополнительных центров отдыха) с учётом типологии дестинаций и их специализации по формам и видам рекреационной деятельности.

Оценка прибрежных ландшафтов для рекреационной деятельности.

Нетронутые деятельностью человека природные ландшафты непосредственно и комплексно удовлетворяют потребности физиологически необходимой рекреации (бессознательно-рефлекторной), такой как созерцание, утешение, расслабление и др. Эти ландшафты (группы ландшафтов) должны быть защищены. Наиболее доступная часть побережья Байкала демонстрирует определённую степень трансформации окружающей среды. В рекреационной деятельности на этих территориях преобладают социально-специфические (целенаправленные и сознательные) формы отдыха. Накопление проблем, связанных с антропогенным воздействием, приводит к дигрессии ландшафтов и даже к потере ландшафтного разнообразия и полной бесполезности территории с точки зрения удовлетворения потребностей рекреации.

На карте показаны типы и подтипы природных ландшафтов в пределах Центральной экологической зоны озера Байкал. На ней также показаны зоны природопользования, где должны быть достигнуты комплексные цели ландшафтного и территориального планирования (сохранение, улучшение, развитие), а также территории, подлежащие охране и рекультивации.

Рис. 5 Карта зон отдыха на берегу озера Байкал

Цифровой мониторинг Байкальской природной территории

Цель проекта – создание пилотной сети станций цифрового мониторинга гидрологической и гидрохимической обстановки озера Байкал и впадающих водотоков. Для этого в 2020г был организован автоматический мониторинг уровня воды в низовье и верховье реки Слюдянка автоматизированными станциями на базе гидростатических датчиков уровня. В 2021г установлены автоматические гидрометеорологические станции на реках: Иркут, Селенга и Баргузин.

Рис. 6 Установка радарного датчика уровня и солнечной панели на железнодорожном мосту

Так была реализована система онлайн мониторинга гидрофизических, гидрологических и метеорологических параметров Байкальской экологической зоны состоящая из двух станций, размещённых в двух районах с различной степенью антропогенной нагрузки.

В 2021г проведены мониторинговые исследования единственного стока озера Байкал – истока реки Ангары, который является отражением суммарного химического состава воды озера Байкал.

Рис. 7 Карта-схема отбора проб истока р. Ангара и Иркутского водохранилища

Для изучения состояния водных объектов р. Селенга и трансформации веществ в водных экосистемах был определён химический состав поверхностных вод и донных осадков проток и озёр дельты р. Селенга.

Рис. 8 Содержание тяжёлых металлов в донных отложениях р. Селенга, протоках и озёрах дельты в 2021г

Таким образом, благодаря началу установки наземных дистанционных датчиков в сложных экологических водных районов озера Байкал, положено начало созданию системы регулярного наблюдения за обстановкой.

Опыт использования БПЛА

В последние годы начали использоваться и хорошо зарекомендовали себя в визуализации быстро меняющейся природной и антропогенной среды беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Они способны фиксировать изменения береговой линии при снижении уровня озера Байкал, выполнять мониторинг оврагообразования, пожарной и постпожарной обстановки в лесу и торфяниках, проводить съёмки небольших солёных озёр, дюн, барханов, заснеженных полей, жилищной застройки, сельскохозяйственных полей, оросительных систем, дорог, археологических объектов, карьеров и т.д.

С помощью специальных программ (например, Agisoft) создаются трёхмерные модели и ортофотопланы. Далее эти модели экспортируются в картографические программы (ArcGIS и др) и там уже работать с ними как с полноценным картографическим продуктом – создавать подробные топопланы.

Рис. 9 Восемь древних береговых террас озера Зун-Торей и ландшафтный профиль в районе кордона Тэли

Очевидны преимущества БПЛА в рентабельности, оперативном получении снимков высокого разрешения; – ортофотопланы, полученные с помощью БПЛА, являются хорошим аналогом космическим снимкам на небольшие территории (площадью до нескольких квадратных километров). Перспективно использование БПЛА с другими приборами: эхолотами, 3D наземной лазерной сканирующей станцией Leica ScanStationC10, электронными тахеометрами и т.д.

Природный комплекс посёлка Листвянка и его окружения значительно изменены хозяйственной деятельностью людей.

Цель исследования – оценка изменений природных комплексов посёлка и его окружения по данным наземных методов и исследований с применением беспилотных летательных аппаратов.

Объекты и методы исследований. Объектами детального исследования являются почвенный и снежный покров, поверхностные и подземные воды в посёлке и на акватории оз. Байкал, в зоне влияния населённого пункта. Отбор проб почвы, снега, воды и химико-аналитические работы проводились по стандартизованным и общепринятым методикам.

Таким образом, использование традиционных (наземных) физико-химических методов в сочетании с использованием беспилотных летательных аппаратов в мониторинговых исследованиях природных комплексов позволяет расширить понимание происходящих процессов и явлений. Работы с применением БПЛА возможны в природно-ландшафтных условиях любой степени сложности.

Рис. 10 Крестовка устье: съёмка в сторону посёлка фотография (а) и с квадрокоптера (б) Phantom 3 Advenced (высота 54 м); впадение в Байкал: фотография (в) и съёмка с квадрокоптера (г) (высота 240 м).

Рис. 11 Вынос загрязнений р. Мысовка (а), вынос взвешенного вещества р. Крестовка (б), отстойники БЦБК (в).

Рис. 12 Формирование свалки мусора на отстойниках БЦБК (а), загрязнение поймы и русла р. Ушаковка (б).

Важнейшими параметрами, определяющими состояние экосистемы озера, являются температура поверхности воды и характеристики ледяного покрова. Учитывая большую площадь акватории Байкала (31,7 тыс. км²), вполне логично использовать данные дистанционного спутникового зондирования для определения характеристик ледово-термического режима озера.

Целью данного исследования являлось изучение особенностей пространственно-временного распределения параметров ледово-термического режима оз. Байкал с применением данных радиометра AVHRR (AdvancedVeryHighResolutionRadiometer) за 1998–2016г.

Существует описание разработанной методики картирования этапов стаивания и разрушения снежно-ледяного покрова на озере Байкал в весенний период и подхода к картированию температуры поверхности воды озера в безледоставный период по данным AVHRR. Приводятся образцы составленных карт-схем ледовой обстановки и распределения температуры на поверхности. По полученным материалам была изучена специфика очищения от льда акваторий Южной, Центральной и Северной котловин оз. Байкал и было установлено, что межгодовые колебания сроков очищения от льда указанных акваторий находятся в противофазе с межгодовыми колебаниям величины индекса Арктической осцилляции. По полученным полям температуры воды изучена внутригодовая и межгодовая изменчивость в распределении температуры поверхности озера Байкал и выявлено, что наибольшая межгодовая изменчивость температуры на его поверхности наблюдается в августе, который характеризуется наибольшим прогревом поверхности данного водоёма. Дана оценка вклада ряда значимых факторов в формирование температурных полей на поверхности озера Байкал.

Рис. 13 Состояние снежно-ледяного покрова озера Байкал по степени стаивания и разрушения: а – 10.05.2010г, б –17.05.2010г, в – 25.05.2010г, г – 4.05.201 г, д –14.05.2012г, е – 21.05.2012г

В рамках проведённого исследования с применением данных AVHRR были составлены электронные карты-схемы температуры поверхности воды озера Байкал в безледоставный период, а также карты-схемы состояния снежно-ледяного покрова озера в весенний период. По полученным материалам изучены региональные особенности очищения ото льда акваторий Южной, Центральной и Северной котловин оз. Байкал. Исследованы связи сроков полного очищения котловин озера Байкал ото льда со значениями индексов атмосферной циркуляции и установлено, что межгодовые колебания сроков очищения ото льда указанных акваторий находятся в противофазе к межгодовым колебаниям значений индекса AO. Также результаты данного исследования, проведённого с применением данных радиометра AVHRR, позволили более детально изучить особенности распределения температуры воды на поверхности оз. Байкал и оценить вклад ряда значимых факторов в формирование температурных полей и углубить знания об особенностях температурного режима данного водоёма.

Созданная информационная система включает следующие программные средства: ГИС-пакеты Quantum GIS, MapWindowGIS, GRASS GIS; серверы баз данных PostgreSQL с расширением PostGIS, картографические серверы на основе Geoserver. Для создания картографических материалов использовались пространственные данные из открытых источников: штурманская карта оз. Байкал 1991 г (М 1:200000), лоция Иркутского водохранилища, Атлас озера Байкал 2001г., данные дистанционного зондирования Земли радиометром Landsat-7, данные рельефа AsterGDEM и SRTMv4, WMS-слои карт Генштаба M l: 100 000, пространственные материалы OpenStreetMaps.org, Microsoft.com/maps.

Данная работа решает задачу совершенствования системы мониторинга водной среды озера, используемой подразделениями Федерального агентства водных ресурсов. Как и прочие виды мониторинга, этот характеризуется рядом недостатков. К примеру, действующие в настоящий момент требования к качеству воды и нормы допустимых воздействий на водную среду совершенно неприменимы для Байкала, поскольку установленные значения ПДК несопоставимы с концентрациями растворенных веществ, характерными для природной среды (далее именуемыми фоновыми). Данный факт является причиной существования диаметрально противоположных мнений, как о современном качестве воды, так и о некоторых гидрохимических свойствах озера. Вовлечёнными в программу мониторинга источниками отмечались и другие проблемы, требующие скорейшего решения: несвоевременное получение результатов мониторинга, неинформативный набора определяемых показателей, спорное качество получаемых данных и необоснованные критерии выявления аномальных состояний природной среды, не позволяющие получать адекватные выводы о состоянии водной среды озера.

Рис. 14 Проведение геолого-геофизических работ на озере Байкал

Создана многокомпонентная распределённая геоинформационная система, обеспечивающая весь цикл работы с данными при ведении государственного мониторинга водной среды. Система разработана на основе полученного опыта ведения экологического мониторинга в конкретных региональных внешних условиях, учитывает требования действующего природоохранного законодательства и организована в соответствии с современным уровнем развития информационных технологий. Получены новые данные о химическом составе поверхностного слоя вод всей акватории озера Байкал. Изучены особенности распределения концентраций нормируемых программой наблюдений веществ, характерные для различных котловин озера Байкал. Эти данные позволяют внести поправки в существующую схему мониторинга.

Усовершенствованная классификация водно-болотных угодий с использованием восьмидиапазонных спутниковых изображений высокого разрешения и гибридного подхода

Технология дистанционного зондирования уже давно используется для инвентаризации и мониторинга водно-болотных угодий, точность и уровень детализации карт водно-болотных угодий, полученных с помощью изображений среднего разрешения и традиционных методов, были ограниченными и часто неудовлетворительными. Была проведена оценка полезности недавно запущенной восьмидиапазонной спутниковой системы высокого разрешения (Worldview-2; WV2) для идентификации и классификации пресноводной дельтовой водно-болотной растительности и водных местообитаний в дельте реки Селенги на озере Байкал, с использованием гибридный подход и новое применение индикаторного анализа видов (ISA). Была достигнута общая точность классификации 86,5% (коэффициент Каппа: 0,85) для 22 классов водных и водно-болотных местообитаний и обнаружили, что дополнительные показатели, такие как нормализованный разностный индекс растительности и текстура изображения, были ценны для повышения общей точности классификации и, в частности, для различения определённых классов местообитаний. Анализ показал, что включение четырёх спектральных диапазонов WV2 из частей спектра, менее часто используемых в анализе дистанционного зондирования, наряду с более традиционными полосами пропускания способствовало повышению общей точности классификации примерно на 4% в целом, но со значительным увеличением нашей точности способность различать определённые сообщества.

Рис. 15 Расположение полигона изучения дельты реки Селенги в Кабанском районе Байкальского природного заповедника на фоне каналов 7, 4 и 3 со снимка WorldView-2 (WV2).

Рис. 16 Соседние мультиспектральные изображения WorldView-2 (составное изображение каналов 7, 5 и 3 в ближнем инфракрасном диапазоне в искусственных цветах) с наземными контрольными точками и наземными точками.

Рис. 17 Классификация водных и водно-болотных местообитаний по роду и сообществу на уровне 5.

Из-за колебаний уровня воды большие и неоднородные системы водно-болотных угодий, вероятно, являются одними из самых сложных систем для инвентаризации. Данные дистанционного зондирования и все более эффективный анализ предоставляют информативные исходные данные для учёных и управляющих ресурсами для изучения последствий изменения климата, изменённой гидрологии и других возмущений, а также методов адаптивного управления для систем водно-болотных угодий.

Для успешного решения проблем, стоящих перед озером Байкал, необходимо:

• признать экологические проблемы озера Байкал в качестве приоритетных задач национального масштаба и обеспечить соответствующее финансирование, причём наилучший подход может быть использован на уровне национальных проектов с широкой методикой дистанционного зондирования, создание полноценной, работающей экологической системы; объединить несогласованные ведомственные наблюдательные сети и данные их наблюдений и создать систему комплексного мониторинга;

• устранить правовые "лакуны" путём системной корректировки документов на федеральном и региональном уровнях, включая нормативные показатели с учётом актуальных природных характеристик озера;

• выбрать подходящие (для озера Байкала) экологически эффективные и экономически доступные технологии очистки сточных вод, утилизации твёрдых отходов и т.д;

• организовать хозяйственную и рекреационную деятельность в районах вокруг озера Байкала;

• осуществлять территориальное планирование территорий, окружающих Байкал, на основе принципов ландшафтного планирования, включая корректировку границ водоохранной зоны в населённых пунктах методами ДЗЗ;

• продолжить научные исследования экосистем озера Байкал и прилегающих к нему территорий на основе новейших международных методик и инструментального обеспечения ДЗЗ.

Комплексные экологические атласы Байкальского региона могут стать основой - БД для решения экологических проблем Байкальского региона.