Геоэкология призвана разрабатывать целостную систему пространственно-временного анализа экологической обстановки, а также причин возникновения и территориального распространения экологических проблем и ситуаций и вытекающие из такого анализа способы их классификации, оценки и картографирования. В целом геоэкологию можно рассматривать как своеобразную экодиагностику территории, заключающуюся в выявлении и изучении признаков, которые характеризуют современное и ожидаемое состояние окружающей среды и отдельных геосистем.
Реально существует несколько уровней потребительских требований к информационному обеспечению геоэкологического мониторинга, которые и определяют структуру hardware и software информационно-измерительной системы. По готовности данные мониторинга разделяются на шесть уровней: результаты измерений; откорректированные измерения; параметры и статистические характеристики; коэффициенты моделей; индефикаторы и знания. Под индефикаторами понимаются семантические информационные структуры, которые определяют для данного пространственного разрешения распределения элементов окружающей среды и являются инструментом управления информационными потоками при проведении исследований по определению и поиску априори определенных потребителем информации объектов.
Современный уровень развития аэрокосмических технологий предполагает решение большинства задач в рамках мониторинговых наблюдений за объектами и динамическими процессами, протекающими на исследуемых территориях. Снижение объема полевых работ за счет увеличения доли камеральных дает существенное повышение производительности работ и снижение их стоимости. Успешное решение данной задачи может быть обеспечено за счет перехода от трудоемких ручных (визуальных) методов работ к автоматизированным средствам получения и обработки первичной информации на основе комплексного использования наземных и аэрокосмических съемочных комплексов дистанционного зондирования. Учитывая, что абсолютно устойчивых объектов в природе не существует, приходиться допускать возможность изменения размеров, формы и положения любых объектов на местности и, следовательно, необходимость контроля положения опорных точек (объектов), если таковые имеются.
Объектом экологического мониторинга северных территорий России являются любые элементы топографии, их сочетания и изменения. Это обуславливает необходимость обработки значительно большего объема информации (пространственно-временной, 4-х мерной), чем это требуется при разовых констатациях состояний, и соответственно требует высокопроизводительных средств обработки данных, базирующихся на методах компьютерного анализа и синтеза.
Большую часть территорий северных районов занимает тундра — обширные безлесные пространства, расположенные в поясах холодного климата между полярной ледяной областью и зоной лесов. Общее количество осадков невелико, в среднем около 200-300 мм/год. Плохо защищенная тонким снежным покровом земля промерзает на большую глубину. В течение лета она успевает оттаять в среднем на глубину 0,5-1 м, а глубже лежит слой многолетнемерзлых грунтов (ММГ) (слой «вечной мерзлоты»). Он достигает мощности в десятки и сотни метров.
Там, где местность носит локальный низменный характер, вода, задерживаемая мерзлым слоем, застаивается на поверхности, что приводит к образованию болот и мерзлых озер. Реки питаются главным образом водой от таяния зимних снегов и отличаются сильными весенними разливами (в мае-июне). Наиболее сильное воздействие на ландшафт северных (субарктических) территорий оказывают криогенные процессы, интенсивность развития которых зависит от колебаний климата — от смены периодов потепления и похолодания. Данные мониторинга за последние 20-30 лет свидетельствуют о почти повсеместном потеплении многолетнемерзлых грунтов. Совокупность природных условий Севера дает основание полагать, что ММГ наиболее уязвимы при современных изменениях климата.
Оценка состояния устойчивости ландшафтов в области распространения многолетнемерзлых грунтов производится в основном исходя из потенциальной возможности эрозионно-просадочных деформаций. Главным результатом механического нарушения ландшафтов криолитозоны является оттаивание грунта. Поэтому анализируются в первую очередь те ландшафтообразующие факторы, которые в наибольшей степени влияют на этот процесс и таким образом определяют состояние и устойчивость ландшафтов. К таким факторам относятся: расчлененность рельефа; состав грунта; температура грунта; льдистость мерзлых грунтов; растительность; глубина сезонного протаивания; криогенные процессы на поверхности.
Величина отношения приращений температур многолетнемерзлых грунтов и воздуха за многолетний период, используемая при рассмотренном методе прогнозирования, может различаться при разнообразии ландшафтов и основных литологических типов отложений в регионе на порядок. Поэтому приемлемая точность прогнозирования параметров ММГ региона обеспечивается лишь при охарактеризованности данными мониторинга основных ландшафтов, наиболее распространенных и притом значимых для практических целей. Следовательно, для достоверного мерзлотного прогнозирования требуется проведение многолетнего мониторинга на указанных основных ландшафтах наиболее специфичных в мерзлотном отношении регионов страны.
Примером подобного многолетнего мониторинга является работа на полигонах в центральной части Якутии, на которых измеряются температура грунтов, глубина сезонного протаивания, влажность грунтов деятельного слоя, а также проводятся наблюдения за динамикой микрорельефа и микроландшафтов. Участки расположения полигонов характеризуются широким развитием подземных льдов, присутствие которых в литогенной основе криогенных зон является главной причиной развития термокарста. На сильнольдистых участках термокарст не всегда развивается активно. Как известно, во времена потеплений климата в плейстоцене и голоцене около 80-85% территории Центральной Якутии сохранилось в первозданном виде. Только 10-20% территории было затронуто термокарстом и затем преобразовано в аласные ландшафты. Факторы и механизмы устойчивости таких ландшафтов в настоящее время изучены еще недостаточно.
Современная реакция нарушенных участков на сильнольдистых многолетнемерзлых породах прослежена на стационаре Нелегер. Выявлено, что криогенные процессы наиболее активны в первые пять-шесть лет после нарушения поверхностных условий, а после этого процессы стабилизируются, и создаются условия для восстановления мерзлотных ландшафтов. Если в это время происходит восстановление лесного покрова, то нарушенный участок практически выходит из зоны экологического риска.
Так, после сплошной вырубки в 1996 г. на участке Кыс-Алас (стационар Нелегер), сформированном сильнольдистыми отложениями, началось интенсивное развитие термокарста с просадками поверхности земли до 10-15 см, которые продолжались до 2001 г. Затем, в период до 2004 г., в связи с промерзанием протаявшего слоя, поверхность выпучилась, а ее отметки превысили даже первоначальные значения. В дальнейшем (2004–2007) наблюдалась относительно стабильная ситуация.
Современные изменения температуры воздуха и грунтов находят отражение в изменении мерзлотных ландшафтов. Наиболее чувствительны в этих условиях нарушенные ландшафты, в первую очередь те, где лесной покров сведен в результате хозяйственного использования территории (пашни, вырубки). Такие мерзлотные ландшафты наиболее ранимы и зависимы от флуктуаций метеорологических условий в период современного потепления климата.
Проведенный анализ литературных источников по использованию данных дистанционного зондирования в геокриологических исследованиях показал, что термокарстовые озёра, образующиеся в результате вытаивания подземных льдов различного генезиса, хорошо дешифрируются на космических изображениях и являются наиболее пригодными геоморфологическими индикаторами криогенных изменений поверхности в условиях потепления.
Динамика термокарстовых озер на северной территории России изучена на 11-ти тестовых участках, расположенных в разных зонах вечной мерзлоты и в различных геоботанических подзонах. Для исследования динамики термокарстовых озер на каждый тестовый участок подбирались разновременные космические снимки Landsat (с 1973 по 2006 гг.) наиболее крупных (более 20 га) термокарстовых озер. По результатам измерений площадей рассчитаны: суммарные площади термокарстовых озер, абсолютные и относительные величины изменений суммарной площади озер за период исследования. Величина относительного изменения площадей рассчитывалась путем деления величины абсолютного изменения на суммарную площадь озер, определенную по снимкам начального года исследования.
Оказалось, что на широтах выше 67° с.ш. (зона сплошной вечной мерзлоты) наблюдается увеличение площадей термокарстовых озер. На широтах 66° с.ш. и ниже (зона прерывистой вечной мерзлоты) площади термокарстовых озер значительно сокращаются. Изменение характера геокриологических процессов (переход от сокращения площадей озер к их росту) наблюдается в интервале широт 66°–67° с.ш., приблизительно совпадающем с границей зон сплошного и прерывистого типов распространения многолетнемерзлых пород. Таким образом, наблюдая за динамикой термокарстовых озер, можно отслеживать и прогнозировать смещение границы между зонами ММГ и оценивать в этом районе экологический риск для инфраструктуры нефтегазового комплекса, дорог и др.
Зоны развития ММГ характеризуются активным проявлением процессов термоденудации, связанных с широким распространением залежеобразующих подземных льдов. Одним из примеров исследований подобного рода являются работы по изучению термодинамики на побережье Карского моря. Экспедиционные работы проводились в Карском регионе на ключевых участках на морском побережье и в глубине суши (Центральный Ямал) в 2005-2008 гг. Все ключевые участки находятся в одной природной подзоне типичных тундр и, соответственно, обладают схожими климатическими условиями и характером почвенно-растительного покрова. Однако из-за разного положения ключевых участков относительно побережья, прослеживаются довольно значительные различия как в ландшафтном отношении, так и в условиях проявления криогенных процессов. На Центральном Ямале динамику криогенных процессов определяют климатические факторы (температура воздуха, летние осадки, ветер), а также термоэрозия и нивация, способствующие вскрытию пластовых льдов. На побережье Югорского п-ова к перечисленным факторам добавляется влияние моря (волнение, штормовая активность, ледовый режим).
На побережье Югорского п-ова в непосредственной близости от моря, выступающего базисом эрозии, происходит формирование обширных термоцирков с обнажающимися пластовыми льдами. Ключевой участок на Центральном Ямале является представительным для изучения взаимодействия ландшафтов и криогенного оползания с формированием отдельных криогенных оползней и оползневых цирков. Ведущийся здесь мониторинг сезонного протаивания позволяет изучать его корреляции с характеристиками растительного покрова.
Результаты изучения развития берегов морей, озер, водохранилищ и рек криолитозоны позволили сделать ряд важных выводов, использованных для обоснования и разработки универсальной методики прогнозирования термоабразии берегов. Сформулированные принципы прогнозирования термоабразионного процесса связаны с влиянием мерзлого состояния отложений на его развитие, которое проявляется особенно, когда льдистость превышает пористость в талом состоянии, и определяют выбор методики прогноза в зависимости от величины осадки при оттаивании пород, слагающих берега. В частности, для берегов, сложенных избыточно льдистыми породами, рекомендуется учитывать уменьшение объема этих пород при размыве и углублении водоема вследствие протаивания и осадки дна.
Многочисленные лесные пожары, строительство автодорог, вызывающее подтопление и усыхание лесных массивов, незаконные вырубки лесных массивов и отклонения от строительных проектов, биологическое повреждение и усыхание лесных насаждений в результате химического загрязнения почв и атмосферного воздуха причиняют значительный ущерб лесному хозяйству северных регионов.
Актуальным вопросом стала организация оперативного мониторинга лесов. Были разработаны методические вопросы использования космических снимков для мониторинга леса в условиях воздействия антропогенных и природных факторов на примере территории Ханты-Мансийского автономного округа. В качестве антропогенного воздействия на лесной фонд рассматривались, прежде всего, нарушение правил использования лесов, самовольное использование лесов, уничтожение лесных ресурсов, незаконная рубка, невыполнение правил использования лесов при строительстве, реконструкции, эксплуатации линейных объектов. Были определены требования к выбору спектрального диапазона и пространственного разрешения данных ДЗЗ при поиске антропогенных нарушений. Анализ показал, что новые объекты в лесу контрастно выделяются в диапазоне 0,6-0,7 мкм, в диапазоне 0,5-0,6 мкм объекты менее различимы, а в диапазоне 0,8–0,9 мкм плохо различимы. При этом космические снимки с разрешением 3-30 м целесообразно использовать для картографирования объектов на лесных территориях и для контроля за соблюдением проектных решений на этапе строительства и эксплуатации объекта. Для получения количественных характеристик объектов предпочтительны снимки с разрешением 0,4-3 м.
Для обнаружения новых объектов невозможно использовать зимние снимки, так как безлесные объекты, например, вырубки, неотличимы от покрытых снегом заболоченных открытых участков местности и участков пойм рек. Для сравнительного анализа снимков разных лет необходимо подбирать снимки одного и того же сезона. Одной из задач мониторинга воздействий антропогенного характера на лесные территории является выявление несоответствий и расхождений проектной документации с фактическим состоянием объектов на территории лесного фонда.
Основным фактором природного отрицательного воздействия, требующим разработки методики дешифрирования с целью оценки последствий, являются лесные пожары. Обычно используется методика оценки последствий лесных пожаров на основе обнаружения и картирования выгоревшего участка леса (гари), которая реализуется средствами ГИС путем наложения контура отдешифрированной гари на цифровую карту породного состава леса, определения площадей леса разного породного состава на выгоревшем участке леса и последующего расчета ущерба. Установлено, что для надежного обнаружения и выделения лесных гарей следует выбирать спектральный диапазон 0,7-0,8 мкм. Однако с течением времени спектральный коэффициент яркости гари меняется (гарь зарастает подростом) и выделить ее в этом случае сложнее.
В качестве выхода из положения предлагается использовать для синтеза цветного изображения радиолокационный снимок и два канала оптического диапазона. В результате многочисленных экспериментов выяснено, что наилучшей RGB-комбинацией является та, которая получается расположением каналов в следующей последовательности: красный — радиолокационный, зеленый — 0,8-0,9 мкм, синий — 0,5-0,6 мкм. При такой комбинации каналов лесные гари, имеющие на радиолокационном снимке более высокую яркость, будут усилены благодаря эффекту синергизма сигналами оптических каналов и станут красными. Участки снимка, соответствующие нетронутому пожаром лесу, будут зеленые лесные гари, которые в этом случае хорошо распознаются на зеленом фоне.
Другим вариантом использования радиолокационных снимков является получение RGB-композита из разновременных радиолокационных снимков. Такой подход позволяет достаточно хорошо выделить элементы лесной растительности за счет различной яркости объектов на разновременных снимках. Цветовая палитра созданного цветосинтезированного снимка существенно зависит от комбинации каналов. Предпочтительнее располагать радиолокационные снимки в хронологическом порядке.
Благодаря такой комбинации упрощено временное ранжирование гарей по цвету. При этом более светлые гари соответствуют старым гарям, так как они присутствуют во всех трех каналах с повышенной яркостью. Возможность съемки поверхности Земли, экранированной облачностью или дымовыми шлейфами от пожаров, и независимость от условий освещенности Солнцем также являются существенными достоинствами радиолокационных снимков.
В последние годы в северных регионах, и особенно на севере России, повышается угроза наводнений. Это связано с несколькими факторами, в особенности с климатическими изменениями в истоках трех основных сибирских рек — Оби, Енисея и Лены. Так, в республике Саха (Якутия) на реке Лена за короткий временной отрезок произошли два самых катастрофических паводка за последние 100 лет. Ежегодные наводнения в весенний период представляют значительную угрозу и для части населения, проживающей на Западно-Сибирской равнине на берегах крупных рек Обь, Иртыш, Тобол, Ишим и др. Во время таяния снега объем стока этих рек резко возрастает, иногда более чем в 1000 раз. Реки выходят из берегов и под водой оказываются большие территории. В частности, в 2002 г. в Ханты-Мансийском автономном округе на реке Иртыш вода поднялась на 8 м выше ординара. Подтоплению подверглись населенные пункты, мосты, дороги, линии электропередач, посевные площади, пастбища.
Ущерб от весенне-летнего паводка по округу составил около 150 млн руб. Избежать масштабных затоплений можно благодаря оперативному мониторингу и прогнозированию паводковой ситуации, своевременному проведению мероприятий по строительству и укреплению водозащитных дамб. Схожие проблемы беспокоят и жителей зарубежных северных территорий — Канады (провинции Юкон и Альберта), США (штат Аляска).
На обширных и труднодоступных северных территориях большие потенциальные возможности имеет космический мониторинг наводнений. Приток воды в русловую сеть с ландшафтно-гидрологических районов прогнозируется с использованием космических снимков. Космические снимки позволяют рассчитать площадь заснеженности территории бассейна реки и её распределение по высотным зонам. Для этого необходимо провести классификацию изображения для разделения его на области, покрытые снегом, растительностью и облаками. Классификация многоспектральных данных оптического диапазона позволяет выделить на реках лед, тающий лед, разрушенный лед, воду на льду, открытую воду. Детальное дешифрирование ледовой обстановки на реках дает возможность не только обнаруживать места заторов льда, но и прогнозировать их возникновение. Оно позволяет получить оценку таких важных параметров затоплений речных пойм, как последовательность затопления поймы, характер затопления различных частей поймы, площадь затопления при разных уровнях воды, уровень воды, соответствующий началу затопления различных народно-хозяйственных объектов, границу наибольшего разлива.
Территория Севера находится в условиях высокой техногенной нагрузки. Интенсивное воздействие на окружающую среду оказывают промышленные разработки запасов нефти и газа и трубопроводный транспорт углеводородного сырья. Разработка нефтегазовых месторождений и лесных ресурсов сопровождается сокращением площадей, занятых лесами, интенсивным загрязнением рек и озер, подземных вод, атмосферного воздуха, почвы. Как следствие, активизируются негативные процессы — оползни, просадки, термокарст, эрозия почв, подтопление, заболачивание, деградация мхов и земель в результате нефтяного загрязнение почв, пожаров и др.
Аварии и разливы нефти сопровождаются не только эколого-экономическими ущербами, но и большими экономическими потерями для нефтяных компаний, что вызывает настоятельную необходимость проведения мониторинга в зонах деятельности нефтяных компаний с использованием разновременных космических изображений высокого и среднего пространственного разрешения. Экологические изыскания осуществляются на основе мультивременного анализа текущих и ретроспективных данных дистанционного зондирования и наземных обследований с использованием ГИС-технологий с целью выявления направленности и интенсивности изменений состояния земных покровов. Изображения высокого разрешения позволяют объективно оценить суммарные многолетние изменения природных комплексов и техногенных объектов, исключить субъективный фактор.
Обследование основных видов нарушений поверхности, их последствий и оценка нарушенности территорий осуществляются в четыре этапа:
- типизация и контурное дешифрирование материалов аэрокосмосъемки на основе разработанных региональных схем типизации ландшафтов;
- в пределах каждого ландшафта выделяются площади с нарушенным растительным и гумусовым горизонтом;
- количественно оценивается степень нарушенности ландшафтов на основе коэффициента площадной нарушенности ландшафтов, определяемого отношением площади нарушений к общей площади данного типа ландшафта;
- по данным количественных измерений осуществляется типизация нарушенности по степени механической деградации первичных ландшафтов с выделением категорий нарушенности в зависимости от результатов статистической обработки расчетных данных.
Предупреждение природных и природно-техногенных аварий должно опираться на новые методологические разработки в изучении функционирования природно-техногенных систем (ПТС), которые позволяют придать исследованиям прогнозно-оценочный характер. Среди этих новых разработок геоэкологический анализ совместно с техническим контролем инженерных сооружений обеспечивает наполнение базы данных для оценки устойчивости ПТС и принятия управленческих решений по ее стабилизации.
Геоэкологический анализ с использованием материалов дистанционного зондирования поверхности Земли применим на всех стадиях создания и функционирования инженерных сооружений для обоснования природоохранных мероприятий и выработки рекомендаций по обеспечению устойчивости ПТС и окружающей среды при разработке ОВОС (оценка воздействия на окружающую среду), природоохранных разделов проектов, схем инженерной защиты сооружений, мониторинга ПТС.
Космический геоэкологический мониторинг совместно с наземными исследованиями наполняет базу данных ГИС численной информацией о параметрах форм и масштабов взаимовлияния всех факторов в системе взаимодействия природы и техногенеза в процессе изысканий, строительства и эксплуатации сооружений.