Метод дистанционного контроля нарушенности в процедурах обнаружения и мониторинга антропогенного воздействия на растительность

Антропогенное воздействие на окружающую среду в результате сельскохозяйственной, промышленной, военной и горнодобывающей деятельности формируют значительные, в том числе, глобальные экологические вызовы. Традиционные полевые и лабораторные методы обнаружения и мониторинга последствий такого воздействия включают, как правило, дорогостоящие и трудоемкие мероприятия. Полезной альтернативой для обнаружения антропогенного воздействия и устранения его последствий являются методы аэрокосмического мониторинга. Мультиспектральные системы наблюдения, установленные на аэрокосмических носителях, в настоящее время успешно используются для спектрального и морфологического анализа нарушенности растительного покрова, а гиперспектральные системы, наряду с этим, позволяют определять состав загрязнителей по их спектральным особенностям (Sloneker et al., 2010).
Растительность, произрастающая на антропогенно измененных территориях, как показано в работе (Косицин, Алексеева-Попова, 1983), как правило, характеризуется сильно выраженной внутривидовой дифференциацией по устойчивости к загрязнителям. Анализ результатов влияния загрязнителей на физиологические процессы растений позволяют выделить основные механизмы этого влияния (см., например, обзор (Титов и др., 2014)), в том числе на 1) рост, 2) развитие, 3) фотосинтез, 4) дыхание, 5) водный обмен. Эти факторы влияния формируют основные признаки нарушенности вегетационного покрова для данного вида растений.
Обнаружение признаков нарушенности растительного покрова по данным дистанционных спутниковых наблюдений является, как показывают результаты проведенных исследований (Горный и др., 2011; Горный и др., 2013; Толпин и др., 2014; Калабин и др., 2016; Крицук и др., 2016; Саворский и др., 2018; Захаров, 2018), установленным фактом. Однако, данные признаки в общем случае сложно выделить на фоне сезонных вариаций спектральных характеристик растительных покровов, вызванных естественной межгодовой температурно-влажностной изменчивостью условий роста и развития растений. В связи с этим целью данной работы является разработка методического подхода, обеспечивающего обнаружение и мониторинг по данным дистанционных наблюдений нарушенности растительного покрова, вызванных антропогенной активностью, на фоне естественной сезонной и межгодовой изменчивости его параметров является. Следует отметить, наряду с обнаружением нарушенности развиваемый подход позволяет также улучшить надежность обнаружения (различения) двух участков, занятых различной, но близкой по своим спектральным характеристикам, растительностью, что важно, в частности, для использования данного подхода в задачах выявления случаев незаконного земледелия
Основной мерой для повышения надежности регистрации признаков нарушенности в предлагаемом подходе является выбор опорного участка растительности, идентичной по своим таксономическим характеристикам растительности на контролируемом участке, произрастающим в сходных с погодно-климатических условиях и не подверженных (в отличие от контролируемого участка) воздействию вредного агента. Это условие выполняется при выборе опорного участка выше по потоку основного атмосферного переноса, т.е. выше по преимущественному направлению розы ветров, и выше по речному стоку относительно источника загрязнения. Кроме того, для повышения надежности разрабатываемый метод предполагает наряду с текущими оценками нарушенности по признакам отклонений в интенсивности фотосинтеза, дыхания и водного обмена (Горный и др., 2011; Горный и др., 2013), также оценивать их среднесезонный значения, а также применять сезонные фенологические профили (Саворский и др., 2018) и мультисезонные кумулятивные значения, в частности, для оценки общей биомассы наблюдаемого растительного покрова (Захаров, 2018).
При реализации развиваемого подхода максимально использованы и дополнены существующие ресурсов и разработаны новые информационные инструменты спутникового сервиса «ВЕГА» (Толпин и др., 2014; Лупян и др., 2015; Кашницкий и др., 2016), а именно:
1) база объектов контроля антропогенного влияния (карьеры, отвалы, хвостохранилища, регионы с необходимостью контроля незаконного растениеводства)
2) база объектов контроля районов возможного незаконного растениеводства,
3) описания опорных участков растительности с заданной (максимально чувствительной к загрязнителю) таксономией, не подверженных (в отличие от контролируемого участка) воздействию вредного агента, и гарантированным с учетом розы ветров в точках возможного антропогенного воздействия,
4) контролируемые участки растительности с заданной (максимально чувствительной к загрязнителю) таксономией, подвергаемых (предположительно) воздействию вредного агента
5) коллекция многолетних спутниковых наблюдений по контролируемом и опорным участкам
4) автоматизированные инструменты, обеспечивающие контроль роста, развития, фотосинтеза, дыхания, и водного обмена растительного покрова по данным дистанционного мониторинга
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 16-29-09615 офи_м, 18-29-24121 мк c использованием ресурсов ЦКП «ИКИ-Мониторинг» (Лупян и др., 2015, Лупян и др., 2019 )