Построение сетей космических гидропостов для организации спутникового мониторинга Амударьи

В настоящее время спутниковый мониторинг водных ресурсов Центральной Азии – комплексная и многогранная задача. Большая часть поверхностного стока представлена трансграничными водами, в число которых входит также река Амударья, самая полноводная в регионе. С одной стороны, потребителями вод Амударьи и её притоков являются 4 страны: Таджикистан, Узбекистан, Афганистан, Туркменистан, с другой – данные функционирующих гидропостов и измерительных станций часто представлены в недоступных для ряда исследований источниках. Эти факторы служат предпосылками для развития и внедрения методик и алгоритмов в процесс организации спутникового мониторинга водного потенциала реки.
Исследование посвящено описанию возможностей и результатов проведённых экспериментов применения космических гидропостов (КГП) для оценки состояния русла Амударьи. КГП представляет собой произвольный полигон, в пределах которого производится сбор данных о площади водного зеркала, рассчитываемого по индексу MNDWI (modified normalized difference water index). При этом используются спутниковые изображения сканирующих систем MSI (Sentinel-2A, -2B), OLI, TIRS (Landsat-8), ETM+ (Landsat-7), TM (Landsat-4, -5). Эмпирически выявленная корреляция суточных стоков с площадью водного зеркала на КГП в непосредственной близости от наземной физической станции позволят перейти от наземных показателей к спутниковым, тем самым исключая необходимость наличия временных рядов суточных стоков с высокой частотой на русле. Таким образом, спутниковые измерения на ближайшем к физической станции КГП можно применить для построения линейной модели с нормированным параметром суточного стока (Мухамеджанов и др., 2020). Было установлено, что коэффициент корреляции (Пирсона) достигает значения 0.97. Следующие за ближайшим к станции КГП связываются друг за другом, при чем выбор наиболее подходящего полигона производится согласно эмпирически сформированным правилам. Цепь взаимосвязанных КГП продолжается до тех пор, пока отношение дисперсий (результат теста Фишера) для нормированных временных рядов площади водного зеркала двух последовательных КГП не будет превышать значение 2.2 (выбрано эмпирически). Подход был опробован на временных рядах суточных стоков наземной станции Керки (Туркменистан). Данные, полученные за 2014, 2016 и 2018 гг., были использованы для выбора подходящих космических гидропостов. В сеть КГП были включены полигоны, установленные выше по течению от Керки на Амударье. Проведённые экспериментов показали, что использование эмпирически сформированных правил выбора полигонов в сочетании с полиномиальной моделью регрессии позволяет продолжить сеть КГП до тех пор, пока система притоков реки остаётся неизменной (не появляется отводов и каналов). По результатам исследований было установлено, что качество подобранной сети снижается на расстоянии 22 км выше по течению от Керки, где берет начало канал из Амударьи на север, в Узбекистан. Согласно полученным диаграммам рассеяния нормированных временных рядов MNDWI, с удалением от станции Керки наблюдается рост отклонения от модели по годам, что может означать разницу гидрологического режима.
Разработанная методика была автоматизирована и была внедрена в виде инструмента анализа временных рядов в систему EcoSatMS (http://suvo.geosmis.ru), функционирующей на базе Центра коллективного пользования «ИКИ-Мониторинг» (http://ckp.geosmis.ru/) (Лупян и др., 2019, Mukhamedjanov et al., 2020).
Результаты исследований, представленных в работе, служат основой для дальнейшего развития технологии космических гидропостов, включения новых параметров в модель для повышения её устойчивости в межгодовом аспекте в условиях изменчивой морфологии русла рек. Кроме того, одним из важных шагов является автоматизация процесса построения сетей КГП для минимизации рутинной работы оператора.
Функционирование системы EcoSatMS осуществляется на основе ресурсов Центра коллективного пользования "ИКИ-Мониторинг" (Лупян и др., 2015), развиваемого и поддерживаемого в рамках темы «Мониторинг» (госрегистрация № 01.20.0.2.00164).
Разработка специализированных инструментов анализа спутниковых данных для решения задач мониторинга водных ресурсов проводилась при поддержке проекта РФФИ - проект № 19-37-90114.