Геоэкологический мониторинг пространственной структуры городов

                                         том 22 № 3 (72), 2026, ст. 10

Современный этап развития общества характеризуется ускоряющимися процессами урбанизации. Согласно прогнозам ООН, к 2030 году в городах будет проживать около 60% населения планеты [11]. Рост городского населения неизбежно приводит к расширению городских территорий, изменению структуры землепользования и увеличению антропогенной нагрузки на природные ландшафты [9]. В этих условиях особую актуальность приобретает геоэкологический мониторинг – система наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под влиянием природных и антропогенных факторов.

Пространственная структура города является одним из ключевых объектов геоэкологического мониторинга. Она включает в себя не только внешние границы городской застройки, но и внутреннюю организацию территории: распределение функциональных зон, плотность и этажность застройки, конфигурацию зеленых насаждений и транспортных сетей. Анализ этих параметров позволяет оценить качество городской среды, выявить проблемы, связанные с неконтролируемым ростом городов, нерациональным использованием земель и конфликтами между различными категориями землепользования [7].

Традиционные методы наземного мониторинга, такие как полевые наблюдения, являются трудоемкими и не позволяют оперативно получать информацию на большие территории. В связи с этим на первый план выходят методы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), которые обеспечивают оперативность, объективность и возможность ретроспективного анализа [10].

Целью данной работы является обобщение и систематизация методических подходов к геоэкологическому мониторингу пространственной структуры городских территорий на основе анализа данных ДЗЗ. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи: рассмотреть современные методы картографирования городской застройки и выделения функциональных зон, проанализировать возможности использования различных спутниковых данных (оптических и радиолокационных) для этих целей, оценить перспективы применения спектральных индексов и методов машинного обучения для анализа динамики городских территорий.

Материалы и методы

Методологической основой исследования является системный анализ, позволяющий рассматривать город как сложную геосистему, а также сравнительно-географический метод, используемый для сопоставления результатов, полученных для разных городов и регионов.

Информационную базу составили научные публикации, в которых представлены результаты геоэкологического мониторинга городских территорий с использованием данных

ДЗЗ. Основное внимание уделено работам, в которых рассматриваются города России (Грозный, Арзамас, Ставрополь) [5, 7], Китая (Нанкин, Чжэнчжоу) [8, 12], Афганистана (Кабул) [1-3] и Эритреи (Мендефера) [6].

В качестве основных источников данных ДЗЗ в проанализированных работах выступают:

• •      Оптические снимки среднего разрешения: Landsat 5 TM, Landsat 7 ETM+,

  Landsat 8 OLI/TIRS. Эти данные использовались для долговременного мониторинга (с 1985 по 2022 гг.) и оценки изменений площади зеленых насаждений и застройки [3, 4].

• •      Оптические снимки высокого разрешения: Sentinel-2 (10-20 м), PlanetScope

(3 м), Gaofen-1 (GF1) и другие (2 м). Применялись для детального картографирования застройки, выделения функциональных зон и оценки современного состояния городской среды [6, 12].

• •      Радиолокационные снимки: Sentinel-1 SAR. Использовались для уточнения

границ застроенных территорий, особенно в сложных климатических условиях и на пересеченной местности, благодаря независимости от облачности и освещенности [1, 5].

• •      Исторические карты: топографические карты масштаба 1:200 000 и крупнее.

Применялись для ретроспективного анализа городской застройки, позволяя оценить изменения за периоды до начала спутниковых наблюдений [4, 8].

Результаты и обсуждение

Анализ современных исследований показал, что геоэкологический мониторинг пространственной структуры городов развивается по нескольким ключевым направлениям.

• 1.    Картографирование городской застройки и ее динамики. Одним из важнейших аспектов мониторинга является определение границ и площади застроенных территорий. Классические подходы, основанные на визуальном дешифрировании, постепенно уступают место автоматизированным методам. Так, в работе [12] для анализа развития Чжэнчжоу использовался алгоритм извлечения застроенных территорий на основе глубокого обучения (DeepLabv3+). Для адаптации модели, обученной на снимках Gaofen-1, к данным других спутников (ZY-302, GF1B, GF1C, GF1D) был применен метод адаптивной фильтрации Уоллиса (DT-AWF). Это позволило достичь средней точности картографирования более 90% и выявить, что за период с 2016 по 2020 год город расширялся быстрыми темпами, а его внутренняя структура становилась более компактной.

• 2.    Выделение функциональных зон. Для целей городского планирования и управления важно не просто определить границы города, но и понять его внутреннюю структуру. Функциональное зонирование позволяет выделить жилые, промышленные, общественные, рекреационные и другие зоны.

• 3.    Мониторинг зеленых насаждений. Зеленые насаждения являются важнейшим компонентом городской экосистемы, выполняющим средообразующие, санитарногигиенические и рекреационные функции. Их сокращение в результате урбанизации ведет к снижению качества жизни.

• 4.    Интеграция данных и методов. Современный геоэкологический мониторинг характеризуется комплексным использованием различных данных и методов. Как показывают исследования, наибольшей точности классификации городских территорий удается достичь при сочетании оптических и радиолокационных снимков. Например, в работе [6] для города Мендефера (Эритрея) было установлено, что комбинация снимков Sentinel-1A и Sentinel-2B позволяет достичь общей точности классификации 96,8%, в то время как использование только оптических данных (Sentinel-2) дает точность 93,1%.

Аналогичные задачи решались при мониторинге селитебной нагрузки на ландшафты Чеченской Республики [4]. Сопоставление топографических карт 1985 г. и снимков Sentinel-2 2024 г. показало, что площадь населенных пунктов увеличилась почти в 2 раза (с 465,3 до 929,8 км²). При этом максимальный рост (почти в 2,5 раза) пришелся на степные ландшафты, что связано с их наибольшей благоприятностью для проживания и хозяйственной деятельности.

В работе [7] для Грозного была разработана методика составления карт городской застройки на основе данных ДЗЗ. Авторы использовали комбинацию оптических снимков Landsat и данных OpenStreetMap для создания карты функциональных зон, которая может быть включена в генеральный план города. Важно отметить, что предложенная карта отличается большей читаемостью по сравнению с существующими аналогами за счет продуманной легенды и цветовой гаммы.

Для повышения точности выделения функциональных зон активно используются спектральные индексы. Например, нормализованный разностный индекс растительности (NDVI) позволяет надежно выделять зеленые насаждения и водные объекты. В работе [5] для Ставрополя на основе снимков Landsat 8 и Sentinel-1 было показано, что совместное использование оптических и радиолокационных данных повышает точность выделения селитебных и производственных зон, поскольку радиолокационные снимки хорошо отражают характер застройки (плотность, этажность), а оптические – спектральные характеристики поверхности.

Исследование, проведенное для Кабула [3], показало, что с 1990 по 2022 год площадь зеленых насаждений в городе сократилась с 221,29 до 140,74 км², в то время как застроенная территория увеличилась со 128,44 до 360,14 км². Для оценки изменений использовались снимки Landsat и индекс NDVI. Анализ ландшафтных метрик (количество участков, их средний размер, индекс формы) показал, что зеленые насаждения стали более фрагментированными, а их структура – более простой.

Этот подход также эффективен для разделения сложных для дешифрирования объектов. В частности, для Кабула [2] комбинирование радиолокационных (Sentinel-1) и оптических (Sentinel-2, Landsat 8) данных позволило повысить точность выделения застроенных территорий, которые на оптических снимках часто путаются со склонами гор.

Выводы

Проведенный анализ показывает, что геоэкологический мониторинг пространственной структуры городов на основе данных ДЗЗ является быстроразвивающимся и высокоэффективным инструментом для решения задач устойчивого городского развития. Основными тенденциями в этой области являются:

• 1.     Переход от среднего к высокому разрешению. Использование снимков

• 2.     Интеграция разнородных данных. Совместное использование оптических и

• радиолокационных снимков, а также исторических карт, значительно повышает точность и достоверность результатов мониторинга.

• 3.     Применение автоматизированных методов. Алгоритмы машинного

• 4.     Расширение тематики исследований. От простого картографирования

Sentinel-2, PlanetScope и Gaofen позволяет получать детальную информацию о городской застройке, вплоть до отдельных зданий.

обучения (SVM, Random Forest, глубокие нейронные сети) и методы трансферного обучения (например, DT-AWF) позволяют автоматизировать процесс картографирования и обеспечивать высокую точность даже при работе с разнородными данными.

застройки исследователи переходят к анализу функциональных зон, оценке динамики зеленых насаждений, расчету ландшафтных метрик и селитебной нагрузки.

Полученные результаты могут быть использованы органами власти и градостроительными организациями для разработки генеральных планов, программ озеленения и мероприятий по оптимизации городской среды. Перспективным направлением дальнейших исследований является разработка комплексных геоинформационных систем для автоматизированного геоэкологического мониторинга, интегрирующих данные ДЗЗ, статистическую информацию и результаты моделирования.