Анализ восстановления растительного покрова в пределах Шуруповских карьеров на основе данных дистанционного зондирования

DOI:

Рассматриваемые карьеры расположены во Фроловском районе Волгоградской области, вблизи хутора Шуруповский. В тектоническом отношении они относятся к Донскому куполу Доно-Медведицких дислокаций – крупному антиклинальному сооружению, которое образовано мощной толщей скальных пород карбона, обнажающихся по правобережью Дона между станицами Перекопской и Сиротинской, и Арче-динско-Донских поднятий Доно-Медведицкого вала. Геоморфологический район – Арчединс-кое аккумулятивно-денудационное плато [6; 8].

В неоген-четвертичное время эта часть Доно-Медведицкого вала испытала интенсивное поднятие, размах которого составил до 600 м. Благодаря этому на поверхности обнажились карбонатные породы верхнего и среднего карбона, которые сформировали месторождения известняка [3; 4].

Шуруповский участок состоит из 5 известняковых карьеров. Разработка в карьерах началась в 1960 году. Суммарное время эксплуатации ≈43 года. Во избежание затопления жилых массивов города при разливе реки Арчеда, 10–15 апреля 2003 г. во время пропуска паводковых вод были затоплены отработанные и действующие забои Шуруповского карьера. К юго-западу от хутора Шуруповский расположен действующий карьер, а на севере – четыре отработанных и затопленных карьера, на северо-западе от хутора есть еще два карьера, которые были затоплены не полностью. Площадь карьеров ≈232 173 м2 и ≈149 282 м2. На данный момент в бортах карьерных выемок развиваются карстовые процессы с образованием форм карстового микрорельефа [5; 9; 12].

Целью настоящей работы является анализ восстановительных процессов растительного покрова в пределах полузатопленных карьеров хутора Шуруповский методом расчета показателей нормализованного вегетационного индекса растительности NDVI и трендов его изменения.

Материалы и методы исследования

Процессы моделирования данных для анализа проходили в двух программах – гео-информационной системе ArcGIS 10.3.1 и в программе для работы с электронными таблицами MS Excel.

Материалами для нашего исследования выступали разновременные снимки спутника Landsat 5 с сенсором ТМ (июль 2007 г.) и Landsat 8, 9 с сенсором OLI_TIRS (июль 2015, 2022 гг. соответственно), взятые с портала геологической службы США USGS (United States Geological Survey) в разделе EarthExplorer [13]. Пространственное разрешение полученных снимков – 30 метров. Данное разрешение нам подходит, так как охваты карьеров 504 м на 806 м и 452 м на 509 м.

Для векторизации объекта мы дешифрировали снимки в синтезе SWIR-NIR-RED (каналы 5-4-3 для Landsat 5, каналы 6-5-4 для Landsat 8, 9). Открытая порода в карьерах по добыче известняка имеет ярко-белый цвет [11]. Снимки были взяты за 2007 (закрытие карьера было в 2003 г. [9]), 2015 и 2022 годы.

Основным методом анализа восстановления растительного покрова стал расчет показателей нормализованного вегетационного индекса растительности NDVI, а также расчет трендов его изменения за представленные года. Работа со снимками проводилась в программном комплексе ArcGIS. Расчет индекса NDVI основан на спектральных свойствах растительности. Значения индекса находятся в пределах от –1 до 1. Для растительности характерны значения от 0,2 до 1. Значения близкие к нулю относятся к водным и антропогенным объектам [10].

Для расчета NDVI используется функционал ArcToolbox – набор инструментов «Spatial Analyst» – «Алгебра карт» – утилита «Калькулятор растра» и формула

NDVI = (NIR - RED), (NIR + RED)

где NIR – инфракрасный канал; RED – красный канал [1] (табл. 1).

Сопоставление значений вегетационного индекса за 2007, 2015 и 2022 гг. производилось при помощи утилиты «Калькулятор растра».

С помощью вычитания растров индекса NDVI ближайших годов мы смогли определить тенденции изменения его значений.

Для ранжирования полученных трендов использовалась следующая методика:

• а)    устойчивый негативный тренд (<0,005);

• б)    значимый негативный тренд (–0,005– (–0,0003));

• в)    тренд отсутствует (–0,0003–0,0003);

• г)    значимый позитивный тренд (0,0003– 0,005);

• д)    устойчивый позитивный тренд (>0,005) [2; 14].

Результаты и обсуждение

По результатам дешифрирования снимков за 2007, 2015 и 2022 гг. можно увидеть, как изменилась зона затопления карьеров с 2007 по 2022 г. (рис. 1). Добычные породы карьера дешифрируются как ярко-белый цвет, зона затопления – бордовым.

Оцифровав зону затопления за 2007, 2010 и 2022 гг., мы высчитали площади зон затопления. Далее внесли данные в таблицу MS Excel и рассчитали процент изменений площадей затопления с 2007 по 2015 г., с 2015 по 2022 г. и суммарный с 2007 по 2022 г. (см. табл. 2).

Таблица 1

Расчет вегетационного индекса NDVI для спутников Landsat 5, 8, 9

Индекс	Landsat 5	Landsat 8, 9
NIR	Band 4	Band 5
RED	Band 3	Band 4
NDVI	(Band 4— Band3) (Band 4 + Band3)	(BandS — Band 4) (BandS + Band 4)

Рис. 1. Результаты дешифрирования снимков за 2007, 2015 и 2022 гг.

С 2007 по 2015 г. сильных изменений на снимках не наблюдается. Можно заметить, что в карьере № 1 площадь зоны затопления незначительно уменьшается с 58 626 м2 до 56 367 м2 (–3,8%). В карьере № 2 площадь зоны затопления значительно сократилась с 30 032 м2 до 20 450 м2 (–31,9%) и вблизи начинает образовываться растительность.

С 2015 по 2022 г. происходят сильные изменения. В карьере № 1 зона затопления значительно уменьшается до 11 023 м2 (–80,4%), а в карьере № 2 полностью исчезает. Карьер № 2 уже не дешифрируется как карьер, яркобелый цвет добычных пород сменяется окраской растительного покрова.

Суммарно с 2007 до 2022 г. покрытие зоны затопления карьера № 1 уменьшилась с 25,25 до 4,75 %, то есть площадь сократилась на 81,2%. Покрытие зоны затопления карьера № 2 уменьшилась с 20,12 до 0 %, то есть площадь сократилась на 100 %.

Так как значения коэффициента для растительности определяется в диапазоне от 0,2 до 1, для удобства мы выделили диапазон от –0,1 до 0,2 белым цветом. Значения меньше –0,1 интерпретируется как водный объект. Значения NDVI в пределах Шуруповских карьеров не превышает 0,6 (рис. 2).

В динамике видно, что в карьере № 1 с 2007 по 2015 г. появляется растительность

Таблица 2

Расчет изменения площадей затопления Шуруповских карьеров за 2007, 2015, 2022 гг.

Показатель	Карьер № 1 ( S к =232 173 м2)		Карьер № 2 ( S к =149 282 м2)
	S з , м2	S з от S к , %	S з , м2	S з от S к , %
Площадь: 2007 г.	58 626	25,25	30 032	20,12
2015 г.	56 367	24,28	20 450	13,7
2022 г.	11 023	4,75	0	0
Изменение площади, %: с 2007 по 2015 г.	–3,8		–31,9
с 2015 по 2022 г.	–80,4		–100
с 2007 по 2022 г.	–81,2		–100

Рис. 2. Значения NDVI Шуруповских карьеров за 2007, 2015 и 2022 гг.

(NDVI 0,2–0,3) в центральной части карьера, на северо-востоке и юго-западе. К 2022 г. растительность пропадает на юго-западе, но появляется на западе карьера. Также видно увеличение площади растительного покрова в центральной и северо-восточной части.

В карьере № 2 мы видим значительные изменения. С 2007 по 2015 г. происходит увеличение площади и изменение формы растительного покрова в центральной и увеличение площади южной части карьера. С 2015 по 2022 г. практически всю территорию карьера занимает растительный покров (NDVI 0,2–05).

По картам трендов изменения значений NDVI карьера № 1 можно отметить, что тренд за 2007–2015 гг. носит позитивный характер на всей территории карьера, то есть наблюдается увеличение индекса на более 0,005. Территория, примыкающая к карьеру, наоборот имеет устойчивый негативный тренд вегетативного индекса. Тренд за 2015–2022 гг. получился неоднозначный. В северной, центральной и выборочно южной части карьера тренд негативный. В основном в южной час- ти карьера тренд устойчиво позитивный. Для удобства на карту были добавлены изолинии значений индекса NDVI и изолинии растительного покрова (NDVI > 0,2). В зонах появления растительного покрова виден позитивный тренд. В северной и центральной части на зону растительности попадает негативный тренд из-за изменения формы растительного покрова. На юго-западной части мы видим исчезновение растительного покрова к 2022 г. и, соответственно, устойчивый негативный тренд. Эти изменения можно отследить, сравнивая изолинии за 2015 и 2022 гг. (рис. 3).

По картам изменения значений NDVI карьера № 2 можно отметить, что тренд за 2007– 2015 гг. носит в основе устойчивый позитивный характер на всей территории карьера. Устойчивый негативный тренд наблюдается в центральной части карьера. Территория, примыкающая к карьеру, также имеет устойчивый негативный тренд индекса NDVI, как и карьер № 1. Тренд за 2015–2022 гг. имеет устойчивый позитивный тренд, за исключением южной части карьера. В зонах растительного покрова виден устойчи-

Рис. 3. Тренды изменений значения NDVI Шуруповского карьера № 1 за 2007–2015 и 2015–2022 гг.

вый позитивный тренд. В северной части карьера мы видим небольшую часть значимого негативного тренда, который возник из-за изменения формы растительного покрова (в сравнении изолиний 2015 и 2022 гг.). Также видно, что в этой зоне увеличился вегетационный индекс с 0,2 до 0,3 (рис. 4).

Отражение позитивного или негативного тренда вне зон растительности говорит о повышении или понижении количества биомассы в открытой почве или водной поверхности. Карьер № 1 к 2022 г. так и не обрел полноценный растительный покров в отличие от карьера № 2.

С 2007 по 2015 г. в карьере № 1 появляется растительный покров и его площадь составляет 3519 м2 (1,52 % от площади карьера). В карьере № 2 площадь растительного покрова значительно увеличилась с 4 414 м2 до 25 458 м2 (+476%).

С 2015 по 2022 г. в карьере № 1 площадь растительного покрова увеличивается до 12 005 м2 (+241%), а в карьере № 2 увеличивается до 133 706 м2 (+425%).

Суммарно с 2007 до 2022 г. покрытие зоны растительного покрова карьера № 1 увеличилось до 5,17 %. Покрытие зоны растительного покрова карьера № 2 увеличилась с 2,96 до 89,57 % (увеличение площади +2929 %), что говорит о практически полном зарастании карьера (см. табл. 3).

По данным таблицы 3 можно понять, что скорость восстановления растительного покрова у карьеров разная, несмотря на одновременное время затопления. От скорости зарастания и разнообразия флоры зависит процесс почвообразования. Чем медленнее идет естественное зарастание отработанных карьерно-отвальных комплексов, тем слабее выражены процессы восстановления. На скорость естественного зарастания нарушенных участков влияет большое количество факторов:

• –    расположение по розе ветров нарушенных ландшафтов к ненарушенным экосистемам;

• –    состав флоры прилегающих ненарушенных ландшафтов;

  

  Рис. 4. Тренды изменений значения NDVI Шуруповского карьера № 2 за 2007–2015 и 2015–2022 гг.

  
  

• –    удаленность нарушенных участков от источников обсеменения;

• –    литологическая неоднородность субстратов;

• –    свойства пород, вынесенных на дневную поверхность;

• –    формы, параметры отвалов;

• –    продолжение антропогенной нагрузки и т. д. [7].

Хотя карьеры и имеют близкое местоположение, скорее всего ряд факторов, перечисленных выше, у карьеров различается. В данной работе анализ данных факторов не представлен.

Заключение

За 15 лет скорость восстановления растительного покрова карьера № 1 идет значительно медленнее, чем карьера № 2. Это говорит о слабо выраженных процессах восстановления (растительный покров занимает всего 5,17 % территории). В карьере № 2 наблюдаются сильно выраженные процессы восстановления (растительный покров занимает 89,57 % территории).

Проведя анализ восстановительных процессов растительного покрова в пределах полузатопленных карьеров близ хутора Шурупов-ский, можно сделать вывод, что к 2022 г. карьер № 1 так и не обрел полноценный растительный покров в отличие от карьера № 2. Это может быть связано с тем, что карьер № 1 является популярным туристическим местом, следовательно, находится под постоянным антропогенным воздействием, тем не менее не исключено и влияние других факторов.

Таким образом, использование данных дистанционного зондирования и ГИС, позволяет не только получить информацию о состоянии растительного покрова нарушенных горными работами земель, но и существенно сократить временные затраты на проведение подобных исследований.