Сорокин Д.А., Руководитель Регионального Информационно-вычислительного Центра НИЦ МКВК, г. Ташкент, Узбекистан, e-mail: sda@icwc-aral.uz, Web: http://sic.icwc-aral.uz/
Strengthening of Water Cooperation on Small Transboundary Rivers in Central Asia
Текущая ситуация, сложившаяся на малых трансграничных реках в связи с распределением воды между странами Центральной Азии, привела к необходимости разработки информационных систем, в том числе – баз данных ГИС. В рамках проекта создана информационная система для бассейнов рек Угам (Казахстан, Узбекистан), Аспара (Кыргызстан, Казахстан) и Исфара (Кыргызстан, Таджикистан). Данная статья основана на материалах отчета по бассейну реки Угам.
Научно-информационный центр Межгосударственной координационной водохозяйственной комиссии (НИЦ МКВК) Центральной Азии (ЦА) основан в 1993 году. Центр является аналитическим и информационным органом в разработке принципов и путей перспективного развития, водного хозяйства, совершенствования управления и улучшения экологической ситуации в данном регионе. НИЦ МКВК осуществляет свою деятельность совместно с сетью научных и проектных организаций пяти стран ЦА. МКВК и ее подразделения, включая НИЦ МКВК, входят в состав Международного Фонда спасения Арала (МФСА) и имеют статус международных организаций. НИЦ МКВК занимается координацией международных проектов, а также участвует в их экспертизе и в качестве соисполнителя в проведении научных исследований. Далее дано описание одного из проектов Центра по бассейну реки Угам (длина реки 68,5 км, площадь ее бассейна 869 кв.км), протекающей по территории Казахстана и Узбекистана.
Рис. 1. Административно-территориальное деление
Цели проекта (ГИС направление)
В ходе выполнения проекта с использованием ГИС и космоснимков решались следующие основные задачи:
- предварительное обследование, включающее сбор первичных материалов, создание БД ГИС бассейна, анализ первичных материалов, построение маршрутов экспедиций;
- проведение полевых работ (с использованием GPS), сбор недостающей картографической информации;
- исследования, включающие выбор, обработку космических снимков, их классификацию, уточнение контуров по материалам экспедиций, оценку достоверности информации;
- построение карт землепользования, гидрологических, социально-экономических и другой тематики.
Рис. 2. Карта уклонов местности
Этапы работ
Для достижения поставленных целей был выполнен комплекс мероприятий, разбитых на ряд этапов:
- Предварительные работы – подбор методической литературы, выбор программного обеспечения; сбор первичных картографических материалов и их анализ; разработка методики исследований; выбор базовой классификации покрытий (типов поверхности), определение временных периодов, когда изучаемые параметры могут быть идентифицированы наилучшим образом;
- Выбор и первичная обработка космических снимков, определение на базовых снимках одного года участков с известными типами покрытий; дешифрирование и анализ результатов, выявление участков, требующих уточнения данных (с помощью полевые исследований, с учетом особенностей высотного расположения отдельных видов растительности);
- Построение карт для проведения полевых исследований с отображением на них маршрутов экспедиций;
- Выбор и обработка космических снимков других временных периодов с целью построения ГИС покрытий бассейна в динамике – для выявления и отслеживания влияния естественных и антропогенных факторов (изменение лесного покрова, деградация земель, рост площади орошаемых земель, прирост жилых построек);
- Корректировка карт по данным полевых исследований, учет особенностей высотного расположения растительности, внесение контуров по данным GPS;
- Оценка достоверности ГИС данных, построение тематических карт и разработка атласа карт, являющего составной частью отчетных материалов (www.cawater-info.net/download/Maps%20Ugam%20-%20new.pdf).
Рис. 3. Поверхностные водные ресурсы
ГИС моделирование
Для определения насыщенности вегетационного покрова бассейна были использованы космические снимки Landsat (glovis.usgs.gov/) за май, июль, август, сентябрь 1998 и 2010 годов, с разрешением 30 метров. Для определения высот местности скачаны снимки SRTM (srtm.csi.cgiar.org/) с разрешением 90 метров. Из картографической базы данных были подобраны топографические карты масштаба 1:100 000 и проведена их географическая привязка в программе ArcGIS. Почвенное покрытие бассейна реки Угам было изучено на основании материалов земельного кадастра, почвенных карт и картограмм, почвенно-мелиоративной карты Южно-Казахстанской области, а также по описаниям сотрудников Угамского лесхоза.
Работа по картографированию предполагала: постановку задачи картографирования, разработку схемы и описание процесса дешифрирования (приемов извлечения информации со снимков) – выбор материалов съемки (Landsat), учет требований к материалам съемки (отсутствие облачности и др.), проведение классификации, оформление результатов дешифрирования (создание тематических карт), оценку достоверности ГИС данных.
Рис. 4. Почвенная карта бассейна р. Уграм
Используя программу ERDAS IMAGINE была проведена геометрическая обработка и радиометрическая корректировка снимков LandsatTM и Landsat +ETM. Далее была разработана цифровая модель высот местности (DEM) и смоделированы образы:
- FillDEM – заполнение отсутствующих пикселей, сглаживание (геометрическая обработка и радиометрическая коррекция);
- Flowdirection – расчет направлений потоков по руслам на основе модели высот местности;
- Streamorder – расчет и определение иерархии потоков по их уровням (порядок: сверху — вниз);
- Flowaccumulation – расчет водосборной территории (бассейн);
- Создан контур (граница) бассейна реки Угам с использованием снимков SRTMDEM.
Проведенный спектральный анализ снимков выявил характерные спектры для последующей классификации. Выполнена супервайз-классификация для двух лет (1998 и 2010 гг.) с разбивкой на 20 диапазонов, на базе которой было смоделировано десять классов: 7 по вегетационному индексу, 3 для обнаженной почвы, снега и водной поверхности.
Классификация по NDVI
Процедура вычисления вегетационных индексов (NDVI) заключаются в выделении зеленой растительности с помощью простого арифметического преобразования и относится к полностью автоматизированным методам, в которых участие пользователя ограничивается лишь одним последним этапом – идентификацией выделенных объектов.
Из проведенного нами анализа очевидно, что территория бассейна реки Угам находится в аридной зоне, имеет как преобладающий растительный покров (85% площади), так и голую, скалистую местность с зонами деградированных земель, не пригодных для культивации и/или выпаса скота.
Рис. 5. Гидрография: а) густота речной сети, б) бассейны притоков
Обобщенные результаты анализа изменений типов поверхности на территории бассейна приведены в таблице 1.
Таблица замещения классов.
Дадим краткие пояснения к приведенной в этой таблице информации. Так, уменьшение площадей альпийской и субальпийской зон в бассейне реки Угам, скорее всего, произошло благодаря потеплению климата, наблюдающемуся в последние годы, и связанному с этим перемещению высотных зон вверх по абсолютным высотам. Граница пояса хвойного леса переместилась выше, и он занял часть пояса субальпийских трав, а тот, в свою очередь, занял часть пояса альпийской зоны. Нижняя же часть пояса хвойного леса осталась в прежних границах, так как лес из-за длительности жизни деревьев может смещаться вверх только через длительное время. Уменьшение площадей альпийской и субальпийской зон произошло также из-за возросшего в последние годы количества скота в узбекской части бассейна. Чрезмерный выпас привёл к деградации пастбищ и переводу части их в непокрытые травой оголённые из-за водной эрозии склоны.
Рис. 6. Общая классификация типов поверхности бассейна: а) 1998 г., б) 2010 г.
Прибавление площади хвойного леса произошло как по этой причине, так и за счёт того, что к этому классу территорий относится не только сам лес, но и субальпийская и луговая травянистая растительность, занимающая площади, где лес отсутствует. Прекращение выпаса скота на казахской территории (из-за забоя на мясо в 90-ые годы) привело к разрастанию травянистой растительности и увеличению площади этого класса территории.
Снижение площадей, занятых луговыми и степными травами произошло за счёт площадей, занятых кустарниковой растительностью. Прекращение выпаса скота на казахской части привело к разрастанию высокого, выше 1,0 – 1,5 м, травостоя, который вытеснил кустарники, особенно низкорослые.
Рис. 7. Динамика суммарных площадей выделенных типов поверхности по годам
Увеличение в альпийской зоне скал произошло как за счёт упомянутого выше увеличения выпаса скота в узбекской части, так и за счёт уменьшение площади снежников вследствие потепления климата.
Уменьшение площади лиственных лесов, произрастающих, в основном, в узбекской части, произошло из-за вырубки их на дрова местным населением.
Увеличение площадей оголённой эродированной почвы произошло в узбекской части за счёт перевыпаса скота, а в казахской части – за счёт снижения покрытия травянистой растительностью крутых, плохо обеспеченных осадками склонов хребта Каржантау из-за повышения летних температур воздуха. Снижение травяного покрытия привело к переводу этих земель в класс оголённых земель с каменистыми склонами.
Точность классификации
Был также проведен анализ (сопоставление) точности смоделированной информации. Имея всю необходимую информацию, включая данные полевых исследований с описанием ботаника проекта; скаченные снимки и полученные из них с помощью моделирования классификации вегетационной и других поверхностей; онлайн анализ поверхности с помощью GooglePlanet, была составлена сводная таблица, показывающая точность моделирования по 900 характерным точкам.Среднее значение схожести по всем точкам равно 91,1%, что на 6,1% больше, чем минимальное допустимое значение по стандартам классификации в ГИС.
Заключение
В результате выполненных ГИС-работ и обобщения экспедиционных и научных исследований разработаны тематические карты, являющиеся основой атласа бассейна реки Угам (примеры карт приведены на рисунках). Совмещение карт с графиками и диаграммами позволяет комплексно, в динамике оценить природно-климатические, гидрологические условия бассейна, дать характеристику антропогенного воздействия на водохозяйственную, экологическую и социально-экономическую ситуации. Результаты исследований позволяют лучше представить, насколько истощены водные ресурсы, насколько окружающая среда бассейна реки Угам подвержена воздействию естественных и антропогенных факторов на территории Казахстана и Узбекистана, проследить тенденции в застройках территории, росте сельскохозяйственных земель, изменении площадей лесных массивов и т.д. На их основе легче принимать обоснованные решения по стабилизации экологического состояния бассейна, по контролю качества воды и управлению водными ресурсами.
