Кыргызский государственный университет строительства, транспорта и архитектуры им. Н.Исанова Институт строительства и технологий Кафедра: «Геодезия и геоинформатика» ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРОЕКТ На тему: «Применение данных дистанционного зондирование земли для водных объектов». На примере территории Токтогулского водохранилища. Выполнил: ст.гр. Гео-1-19м Ыманбеков К. Проверил: пр.каф. «ГиГ» Солпиева Ж. Бишкек 2020 г. Содержание Оглавление Введение......................................................................................................... 3 1.Территория исследования ......................................................................... 4 2.Методология исследования....................................................................... 4 2.1.Вычисление индексов NDVI .................................................................. 6 2.2.Нормализованный разностный индекс воды (NDWI) ......................... 8 2.3.Нормализованный разностный индекс снега (NDSI) ........................ 12 Заключение .................................................................................................. 13 2 Введение Токтогульское водохранилище - водохранилище на территории Токтогульского района Джалал-Абадской области. Площадь поверхности - 284 км². Образовано плотиной Токтогульской ГЭС на реке Нарын. Объём чаши ГЭС составляет 19,5 км³. На 22 июля 2010 года объём воды составлял 18 миллиардов 207 миллионов кубометров. В каскад Токтогульских ГЭС входит две станции - непосредственно Токтогульская мощностью 1200 МВт и Курпсайская мощностью 800 МВт. Строительство велось более десяти лет и было завершено к середине 1970-х годов. Заполнение началось в 1973 году. В зависимости от интенсивности таяния высокогорных снегов и темпов расхода воды из резервуара гидроагрегатами Токтогульской ГЭС его уровень сильно колеблется. При максимальном уровне воды в водохранилище - 19,5 миллиарда кубометров, нормальным считается уровень - 17,3 млрд кубических метров, полезный объём воды составляет 14 миллиардов, а «мертвый» (остановка ГЭС) - 5,5 млрд кубометров. Например, 22 мая 2019 года уровень воды снизился до «тревожных» 13,575 млрд кубов. Целью данной работы является исследование водного объекта Токтогульского водохранилища с сравнением изменений по площади за 2011-2018гг. и вычисление индексов NDVI, NDSI, NDWI. Задача: С применением данных ИСЗ и ПО получить результаты вычислений и сравнивать. 3 1. Территория исследования Объекты исследования находятся; Токтогульское водохранилище на территории Токтогульского района Джалал-Абадской области, фрагмент ледника – на западной части подстилающей горной системы Тянь-Шяна, на западе от района. 2. Методология исследования В настоящее время для получение данных методом дистанционного зондирования и оперативной обработки информацию о состоянии поверхности Земли служат современные технология и ГИС система. Для исследования территорий были использованы данные полученных со спутников: Landsat 8 за июль месяца 2018 года, Landsat 5 за август 2011 года. Предоставленные многозональные снимки формата GeoTIFF геологической службы соединённых штатов (USGS) через wepсервис EarthExplorer имеют геопривязку и охватывают большую территорию с разрешением 30х30м на пиксел. Landsat‑5 — спутник ДЗЗ геологической службы США USGS. Был запущен 1 марта 1984 года в рамках программы. Landsat-8 — американский спутник дистанционного зондирования Земли, восьмой в рамках программы Landsat (седьмой выведенный на орбиту). Для 4 обработки данных использовались ПО ArcMap 10.4.1 и QGIS 2.18 дополнительными модулями (QuickMapServices). Программы отличны для управления большими данными в разных форматах, широко используется при масштабных ГИС проектах и научных исследованиях. Рис. 1 Программный комплекс QGIS С изучением показателей количеств фотосинтетически активной биомассы и вычислением (NDVI-Normalized Difference Vegetation Index), по значениям и визуально можем оценивать состояния экосистемы, биомассы. Один из самых распространённых и используемых индексов для решения задач, использующих количественные оценки растительного покрова. Вычисляется по следующей формуле: NDVI =(NIR-RED) / (NIR+RED); NIR - отражение в ближней инфракрасной области спектра RED - отражение в красной области спектра Согласно этой формуле, плотность растительности (NDVI) в определённой точке изображения равна разнице интенсивностей отражённого света в красном и инфракрасном диапазоне, делённой на сумму их интенсивностей. Нормализованный разностный индекс воды (NDWI) - может относиться к одному из, по меньшей мере, двух показателей, полученных с помощью дистанционного зондирования, связанных с жидкой водой: 5 Один из них используется для мониторинга изменений в содержании воды в листьях с использованием длин волн ближнего инфракрасного (NIR) и коротковолнового инфракрасного (SWIR) , другой используется для мониторинга изменений, связанных с содержанием воды в водоёмах, с использованием длин волн зелёного и ближнего инфракрасного диапазонов. 𝑁𝐷𝑊𝐼 = 𝐵𝑛𝑖𝑟 − 𝐵𝑠𝑤𝑖𝑟 𝐵𝑔𝑟𝑒𝑒𝑛 − 𝐵𝑛𝑖𝑟 ; 2) 𝑁𝐷𝑊𝐼 = 𝐵𝑛𝑖𝑟 + 𝐵𝑠𝑤𝑖𝑟 𝐵𝑔𝑟𝑒𝑒𝑛 + 𝐵𝑛𝑖𝑟 Нормализованный разностный индекс снега (NDSI)- это мера относительной величины разности отражательной способности между видимой (зеленой) и коротковолновой инфракрасной (SWIR). Он контролирует дисперсию двух полос (одна в ближней инфракрасной или коротковолновой инфракрасной области спектра, а другая - в видимых частях спектра). Это полезно для картирования снега. NDSI= 𝐵3−𝐵6 𝐵3+𝐵6 B3-green, B6-SWIR1 2.1. Вычисление индексов NDVI Расчёт NDVI базируется на двух наиболее стабильных (не зависящих от прочих факторов) участках спектральной кривой отражения сосудистых растений. В красной области спектра (0,6-0,7 мкм) лежит максимум поглощения солнечной радиации хлорофиллом высших сосудистых растений, а в инфракрасной области (0,7-1,0 мкм) находится область максимального отражения клеточных структур листа. То есть высокая фотосинтетическая активность (связанная, как правило, с густой растительностью) ведёт к меньшему отражению в красной области спектра и большему в инфракрасной. Отношение этих показателей друг к другу позволяет чётко отделять и анализировать растительные от прочих природных объектов. Для отображения индекса используется шкала, показывающая значения в диапазоне от -1 до 1. 6 Анализ и расчёт относительного вегетационного индекса на 2011 г. был выполнен с применением каналов 3-красный, 4-ближний инфракрасный со спутника Landsat 5. Состояние активной биомассы за 2011г. август При изучении состояний на 2018 г. июль использован изображение Landsat 8. 7 для вычисление индекса выбраны каналы оптического диапазона 5ближний инфракрасный, 4-красный. 2.2. Нормализованный разностный индекс воды (NDWI) Визуальная или цифровая интерпретация создаваемого выходного изображения: -1 до 0 - светлая поверхность без растительности и содержания воды +1 - представляет содержание воды Для второго варианта NDWI другой порог также можно найти в , который позволяет избежать ложных срабатываний в городских районах: <0,3 - без воды > = 0,3 - Вода. Для вычисление «нормализованный разностный индекс воды» использовался 2-формула. Каналы 2-зелёный, инфракрасный для Landsat 5. 8 5-коротковолновый Таким же алгоритмом вычисления для Landsat 8 использовались 3зелённый, 7-коротковолновый инфракрасный Если можно дать оценки то в зависимости от интенсивности таяния высокогорных снегов и темпов расхода воды из резервуара гидроагрегатами Токтогульской ГЭС его уровень сильно колеблется. Анализ гидрологических данных и балансовое гидрологическое моделирование с учётом снеготаяния указывают на ряд особенностей водного режима бассейнов р. Нарын и Токтогульского водохранилища. С использованием инструментов ArcToolBox можно обрезать нужную участок территорий, классифицировать, конвертировать в вектор и т. д., нескольким способом можем анализировать, сравнивать состояний нескольких объектов. 9 10 Схема расположения исследуемого фрагмента ледника входит в горную систему Тянь-Шаня. Для комбинации каналов естественных светов снимков: 2011г. Landsat 5 RGB -3,2,; 2018 г. Landsat-8 RGB 4,3,2. С использованием инструмента «обработка растра», «объединить каналы». 11 2.3. Нормализованный разностный индекс снега (NDSI) Изменения гидрографий, летние паводки объясняется многим образом, вызываемые таянием снегов и ледников в горах. Landsat 8; NDSI= Landsat 5; NDSI= 𝐵3−𝐵6 𝐵3+𝐵6 𝐵2−𝐵5 𝐵2+𝐵5 B3-green, B6-SWIR1 (снимок 2018г.) B2-green, B5-SWIR1 (снимок 2011г.) видимый зелёный, 0,53 - 0,61 микрометра коротковолновый инфракрасный, 1,55 - 1,75 микрометра Снег является не только очень отражающим в видимых частях электромагнитного спектра, но также обладает высокой поглощающей способностью в ближней инфракрасной области или в коротковолновой инфракрасной части спектра, в то время как большая отражательная способность облаков остаётся высокой в тех же частях спектра, это позволяет хорошее разделение большинства облаков и снега. 12 Заключение Таким образом были проведены все необходимые процессы обработки и вычислены площади объекта на определённый интервал с 2011 по 2018 и можно видеть существенное изменение по площади. 2011 год 11 августа составляла 298,7487кв.км, 2018 год08 июль 283кв.км. За 7 лет площадь Токтогульского водохранилище уменшилась на 15,7487кв.км. За 2011 год общая площадь ледникового покрова составляет 3,6126 кв. км, за 2018 год 12,699 кв. км. Визуально по границам ледника видно на сколько возрос площадь. Снежный покров важно для прогноза погоды и гидрологии. Увеличение границы ледника в значительном мере влияет на будущее состояние живых организмов, через водных оросительных систем, в целом водного хозяйство. 13
