Определение запечатанности почв и грунтов функциональных зон г. Волгограда на основе данных дистанционного зондирования

Запечатывание почв и грунтов представляет собой наиболее интенсивную форму деградации земель и затрагивает все экосистемные функции (Город…, 1997) . К запечатанным почвам – экраноземам (Прокофьева, 1998) и Ekranic Technosols, по WRB-2014 (update-2015) (IUSS, 2015) , – относятся почвы, перекрытые различными непроницаемыми материалами (рис. 1).

Рис. 1. Профили почв и грунтов, запечатанных под плотным непроницаемым материалом.

Fig. 1. Profiles of soils and grounds sealed beneath technogenic hard material.

Они представляют собой особую форму проявления урбо-технопедогенеза и объединяют антропогенно-трансформированные и искусственно созданные почвы, сформированные как на культурном слое, так и на насыпных, переотложенных и перемещенных грунтах. В нашем понимании к запечатанным поверхностям относятся любые как естественные, так и антропогенно-преобразованные и специальным образом конструированные поч- вы и грунты.

В настоящий момент задача по определению запечатанности территории является приоритетной, так как все незастроенные (открытые) участки города могут быть в дальнейшем озеленены и благоустроены.

Запечатывание почв в процессе роста городов можно считать активным фактором опустынивания (Barbero-Sierra et al., 2013; Кошелева и др., 2021; Шинкаренко и др., 2020) за счет усиления действия эффекта “городского острова тепла”, который представляет собой совокупность ареалов повышенных температур над городами и крупными промышленными зонами, образующихся в результате повышенного выброса в атмосферу тепловой энергии. Увеличение зон перегрева поверхности урбанизированной среды, в свою очередь, негативно скажется на комфортности проживания людей и работе городского хозяйства (Xiao et al., 2013) . Процесс запечатывания почв и грунтов в городах напрямую влияет на регулирующие функции почв (Tobias, 2013; Charzyński, 2016; Tikhonova et al., 2020) . Еще одним негативным последствием герметизации поверхности является препятствие инфильтрации воды и усиление поверхностного стока (Nakayama et al., 2007) . Часто запечатанными оказываются и бывшие сельскохозяйственные угодья. Это особенно характерно для городов с быстро растущим населением и экономикой (Toth, 2012; Salvati, 2014) . Как правило верхний слой почв при запечатывании поверхностей срезается, что влечет за собой значительную потерю биоразнообразия почв (Scalenghe, Ajmone, 2009) . Таким образом, герметизация снижает содержание общего числа микроорганизмов, углерода и азота, а также нарушает процессы дыхания почв (Piotrowska- Dlugosz, Charzyński, 2015) . Несмотря на явное негативное действие запечатанности почвенного покрова, экранированные почвы и грунты выполняют функцию сохранения информации о динамике природной среды и ее исторической трансформации в результате человеческой деятельности.

Целью данного исследования является установление доли запечатанных поверхностей в районах г. Волгограда и в различных селитебных и рекреационных зонах по данным дистанционного зондирования Земли.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Проблемы, связанные с запечатыванием почв описаны в трудах многих отечественных и зарубежных авторов. Но установление степени и площади запечатанных поверхностей выполнено лишь для нескольких городов России и мира. Литературных источников по данному вопросу мало. На территории Российской Федерации подобные исследования проведены для г. Москвы (Власов и др., 2017; Никифорова и др., 2017; Хайбрахманов и др., 2017) и агломерации в целом (Савин, 2013) , Ростова-на-Дону (Горбов и др., 2016) , а также частично для Волгограда (Гордиенко и др., 2019; Кошелева, 2019) . Стоит отметить, что работы в г. Волгограде носят технический характер без детального анализа запечатанности почвенного покрова функциональных зон города в разных его районах.

Исследования зарубежных ученых по данному вопросу ограничиваются анализом запечатанности территории таких крупных городов, как Мадрид (Cortijo, González, 2017; García, Pérez, 2016; García, Pérez, 2016) , Барселона (Salvati, Carlucci, 2016) , Трнава (Kopecká, Rosina, 2012) , Рим (Tombolini, 2015) и Бака-эль-Гарбия (Мохамед, 2015) .

В качестве объектов исследования выбраны территории всех районов города Волгограда и следующие селитебные и рекреационные функциональные зоны: много-, средне- и малоэтажной жилой застройки, индивидуального жилищного строительства, коллективных садов и дач, а также озелененных рекреационных территорий (парков и скверов). По данным картографирования, общая площадь г. Волгограда составляет 825.6 км ² .

Для определения запечатанности поверхности используют различные геоинформационные методы. Выделяют ручной (визуальный) и автоматизированный методы дешифрирования. Ранее при определении запечатанности почвенного покрова г. Волгограда и его функциональных зон применялся метод ручного дешифрирования (Гордиенко и др., 2019). При использовании ручного метода возможно получение только фактической информации о доли запечатанных поверхностей без детального пространственного их распределения. Визуальный метод позволяет оперировать точностью 75–85% и зависит от качества космоснимка, опыта дешифровщика, программного обеспечения и пр. Для картографирования экранированных территорий наиболее подходящим выглядит автоматизированный метод с ручным обучением. Данный подход позволяет с точностью до 97% определить запечатанность территории (Савин, 2013). Поэтому в данной работе применялся именно автоматизированный метод с применением программного обеспечения ENVI 4.7.

Для определения доли запечатанности в каждых заявленных функциональных зонах в каждом районе выбрано по 3–5 тестовых полигонов. Общее количество полигонов составило 140. Картографирование осуществлялось по пятиэтапной схеме (Кулик, 2004) . Несомненным преимуществом космических снимков является охват большой территории, однако определение запечатанно-сти методом тестовых полигонов обусловлено последующим их сравнением между собой в пределах одной функциональной зоны. Площадь тестовых полигонов для зоны застройки много-, мало- и среднеэтажными жилыми зданиями составила в среднем 0.32 км ² , для зоны индивидуального жилищного строительства – 0.21 км ² , для зоны коллективных садов и дач – 0.22 км ² . Площадь тестовых полигонов в рекреационных зонах была различной: от 0.002 до 0.027 км ² в скверах и от 0.011 до 0.51 км ² в парках. Использование полигонов разной площади в рекреационных зонах обусловлено тем, что при анализе данных о доли запечатанных почв не производилось сравнение этих зон между районами города.

Картографирование осуществлялось путем классификации мозаики космоснимков естественных цветов со спутника QuickBird (15.05.2018), находящихся в свободном доступе в глобальной сети Интернет по методу “максимального правдоподобия” (рис. 2) (google.ru/maps) .

Классификация по методу максимального правдоподобия осуществлялась на основе цветового (RGB) анализа космоснимков. Каждый из 140 снимков проходил процедуру автоматизированного дешифрирования на предмет выделения на нем всего 3-х классов: открытые поверхности почв, запечатанные поверхности и травянистая и древесно-кустарниковая растительность.

u-.'y v-sS4

^g

S2«№

На исследуемых космоснимках вручную выделялись эталонные участки для каждого из классов, после чего в программном обеспечении производился процесс классификации. Количество точек для каждого класса было не менее 20. Определение точности проведенной классификации осуществлялось с применением программного обеспечения ENVI 4.7. Для определения точности проведенной классификации составляются матрицы ошибок, по которым можно судить о достоверности каждого класса и дешифрирования в целом. Ошибкой пропуска (omission) является доля элементов какого-либо класса, которые были пропущены, т. е. не были к нему отнесены. Ошибкой присоединения (commission) является доля выделов, ошибочно отнесенных к необходимому классу. Для определения общей достоверности классификации используется коэффициент “каппа” – κ (Foody, 1992) . Каппа коэффициент при классификации территории города и различных функциональных зон составил от 0.94 до 0.97. Расчет коэффициента каппа, а также соствление матрицы ошибок производились для каждого из 140 снимков (полигонов). Пример составленной матрицы ошибок и значение коэффициента “каппа” представлен в таблице 1.

Таблица 1. Матрица ошибок классификации (% и пиксели)

Table 1. Matrix of classification errors (% and pixels)

Эталонные участки	Результат классификации (в числителе в %, в знаменателе в пикселях)
	классы			Всего пикселей	ошибки
	1	2	3		omission	commission
Зона застройки много-, мало- и среднеэтажными жилыми зданиями
Способ максимального правдоподобия (κ = 0.96)
1	97.33 1240	1.57 10	0.81 4	1254	2.67 34/1274	1.12 14/1254
2	1.02 13	96.71 617	0.00 0	630	3.29 21/638	2.06 13/630
3	1.65 21	1.72 11	99.19 491	523	0.81 4/495	6.12 32/523
Всего	100 1274	100 638	100 495	2407	-	-
Зона застройки индивидуальными жилыми домами
Способ максимального правдоподобия (κ = 0.94)
1	95.73 2353	0.39 4	4.63 26	2383	4.27 105/2458	1.26 30/2383
2	0.98 24	99.41 1015	0.00 0	1039	0.59 6/1021	2.31 24/1039
3	3.3 81	0.20 2	95.37 536	619	4.63 26/562	13.41 83/619
Всего	100 2458	100 1021	100 562	4041	-	-
Зона коллективных садов и дач
Способ максимального правдоподобия (κ = 0.97)
1	97.6 1218	0.00 0	0.46 5	1223	2.4 30/1248	0.41 5/1223
2	0.00 0	100.0 1476	3.79 41	1517	0.00 0/1476	2.7 41/1517
3	2.4 30	0.00 0	95.74 1035	1065	4.26 46/1081	2.82 30/1065
Всего	100 1248	100 1476	100 1081	3805	-	-

Продолжение таблицы 1

Table 1 continued

Зона озелененных территорий рекреационного назначения
Способ максимального правдоподобия (κ = 0.96)
1	96.71 1293	0.18 2	2.24 76	1371	3.29 44/1337	5.69 78/1371
2	0.97 13	99.82 1100	0.06 2	1115	0.18 2/1102	1.35 15/1115
3	2.32 31	0.00 0	97.7 3309	3340	2.3 78/3387	0.93 31/3340
Всего	100 1337	100 1102	100 3387	5826	-	-

Примечание. 1 – открытые поверхности почв; 2 – запечатанные поверхности; 3 – травянистая и древесно-кустарниковая растительность.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результат классификации исследуемого космоснимка представлен на рисунке 3.

Анализ территории г. Волгограда с использованием автоматизированного метода показал, что запечатанные поверхности занимают около 169.4 км ² или 20.5% от всей площади города, на открытые участки приходится 491.2 км ² (59.49%) и на травянистую и древесно-кустарниковую растительность – 165 км ² (20.01%). Наиболее запечатанными оказались поверхности Тракторозаводского (24.2%), Ворошиловского (33.0%), Дзержинского (37.4%), Центрального (45.2%), Краснооктябрьского (39.4%) и Красноармейского (26.6%) районов Волгограда.

Это обусловлено тем, что в этих районах наиболее развита дорожно-транспортная сеть, сконцентрированы основные промышленные и жилые объекты, проживает большая часть населения города. Почвенный покров Советского (13.5%) и Кировского (12.9%) районов города, вследствие малой плотности застройки и отсутствия промышленных объектов, в наименьшей степени запечатан.

Рис. 3. Карта-схема распределения открытых и запечатанных поверхностей методами автоматизированного дешифрирования космоснимков в пределах г. Волгограда: 1 – открытые поверхности почв;

2 – травянистая и древесно-кустарниковая растительность; 3 – запечатанные поверхности.

Fig. 3. Schematic map of the distribution of open and sealed surfaces by methods of automated space imagery interpretation within Volgograd city limits: 1 – exposed soil surfaces; 2 – herbaceous and woody-bush vegetation; 3 – sealed surfaces.

Небольшая доля запечатанных почв на территории г. Волгограда обусловлена присоединением в 2014 г. сопредельных территорий. Присоединенные участки в основном представляют собой сельскохозяйственные угодья и крупный речной остров (о. Сар-пинский). Это привело к искусственному уменьшению запечатан-ности городской территории.

Для каждой функциональной зоны в каждом районе города характерна своя доля экранированных поверхностей.

Зона застройки много-, мало- и среднеэтажными жилыми зданиями. Площадь зоны составляет 41.8 км² (5.1% от всей площади города). Согласно Генеральному плану развития г. Волгограда, максимальный процент запечатанности в границах зоны должен составлять не более 60%. Средняя запечатанность зоны составляет 49.2%, наибольшие экранированные территории зафиксированы в Ворошиловском (55.8%) и Краснооктябрьском (52.6%) районах города, связано это с небольшой общей площадью районов и высокой численностью населения. Наименьший процент запечатанности отмечен в Дзержинском (43.9%), Кировском (46.3%) и Красноармейском (45.6%) районах (рис. 4., табл. 2).

Минимальный процент запечатанности тестового полигона – на уровне 35.6% (Дзержинский район), максимальный – 63.2% (Ворошиловский район). В целом для селитебной зоны характерен широкий диапазон запечатанности как по районам города, так и для всей зоны в общем. Это обусловлено тем, что современные жилищные комплексы, как правило, слабо озеленены и почти полностью заасфальтированы.

Таблица 2. Варьирование запечатанности почвенного покрова зоны застройки много-, мало- и среднеэтажными жилыми зданиями (%)

Table 2. Variation of soil sealing in the zone of multi-, low- and medium-rise residential buildings (%)

Запечатанность, %	n	min	Q1	med	Q3	max	M	s	V, %
Тракторозаводской	5	41.4	43.6	51.5	55.2	59.1	50.2	6.736	0.134
Краснооктябрьский	5	48.2	51.8	53	53.3	56.8	52.6	2.767	0.053
Дзержинский	5	35.6	43.4	45.2	47.4	47.7	43.9	4.416	0.101
Центральный	3	48.3	48.5	48.8	50.1	51.4	49.5	1.359	0.027
Ворошиловский	5	46.1	54.2	56.5	58.9	63.2	55.8	5.683	0.102
Советский	5	45.6	48.6	50.5	50.5	51.8	49.4	2.157	0.044
Кировский	4	37.4	44.9	48.5	49.8	50.6	46.2	5.239	0.113
Красноармейский	5	36.6	39.8	46.9	52.3	52.5	45.6	6.463	0.142
Вся зона	37	35.6	46.1	49.6	52.5	63.2	49.2	6.136	0.125

Примечание. Статистические показатели: n – объем выборки; min – минимум; Q1 – нижний квартиль; med – медиана; Q3 – верхний квартиль; max – максимум; M – среднее арифметическое; s – среднеквадратическое отклонение; V – коэффициент вариации.

Зона застройки индивидуальными жилыми домами. Общая площадь зоны в пределах города составляет 61.4 км² (7.4% от всей площади). Процент запечатанных поверхностей, так же как и в селитебной зоне, варьирует в широких пределах – от 26.1% до 50.9%. Наиболее низкий процент запечатанности полигонов зафиксирован в Красноармейском (26.1%) и Краснооктябрьском (26.6%) районах (рис. 4., табл. 3). В Тракторозаводском, а также Кировском районах максимальный процент запечатанности территории тестовых полигонов отмечен на уровне 50.9 и 46.8% соответственно. Такой широкий диапазон минимальных и максимальных процентов запечатанности обусловлен тем, что в разные временные периоды развития данной зоны минимальные и максимальные площади индивидуальных наделов были разные. Так площадь современных участков, отданных под индивидуальное жилищное строительство, меньше, чем более старых. Современная зона индивидуального строительства характеризуется высокой плотностью застройки. Максимальный процент запечатанности в границах земельного участка, определяемый как отношение площади, которая может быть застроена, к суммарной площади участка, согласно Генеральному плану развития, не должен превышать 50%. На основании проведенного геоинформационного анализа установлено, что запечатанность в зоне застройки индивидуальными жилыми домами не превышает установленных в регламенте значений.

Таблица 3. Варьирование запечатанности почвенного покрова зоны застройки индивидуальными жилыми домами (%)

Table 3. Variation of soil sealing in the zone of individual residential houses (%)

Запечатанность, %	n	min	Q1	med	Q3	max	M	s	V, %
Тракторозаводской	3	46.7	47.1	47.5	49.2	50.9	48.4	1.821	0.038
Краснооктябрьский	4	26.6	31.4	34.3	36.4	38.4	33.5	4.379	0.131
Дзержинский	4	38.8	40.6	41.9	42.6	42.7	41.3	1.574	0.038
Ворошиловский	5	33.6	36.3	36.3	38.8	41.1	37.2	2.544	0.068
Советский	5	34.1	39.6	42.3	45	45	41.2	4.076	0.099
Кировский	5	32	39	40.8	41.5	46.8	40	4.778	0.119
Красноармейский	5	26.1	29.8	30.8	31.5	33.6	30.3	2.468	0.081
Вся зона	30	26.1	33.6	38.8	42.1	50.9	38	6.009	0.158

Примечание. Статистические показатели: n – объем выборки; min – минимум; Q1 – нижний квартиль; med – медиана; Q3 – верхний квартиль; max – максимум; M – среднее арифметическое; s – среднеквадратическое отклонение; V – коэффициент вариации.

Зона коллективных садов и дач общей площадью 69.4 км² (8.4%) представлена коллективными садами, огородами и дачами. Для зоны в целом характерен небольшой процент запечатанности почвенного покрова (23%) (рис. 4., табл. 4). Однако, как и в зоне индивидуального строительства, в зависимости от возраста образования зоны и плотности застройки процент запечатанности сильно варьирует – от 9.6 до 39.5%. Так, наименьший процент (9.6%) запечатанности зафиксирован в тестовом полигоне в Краснооктябрьском районе города, а наивысший – в Советском (39.5%). Запечатанность на территории Тракторозаводского, Ворошиловского и Советского районов не превышает 28%. Максимальный процент запечатанности в границах функциональной зоны, согласно градостроительным документам, не должен превышать 40%. Согласно данным геоинформационного анализа, установлено, что запечатанность в зоне коллективных садов и дач не превышает предписанных в регламенте значений.

Таблица 4. Варьирование запечатанности почвенного покрова зоны коллективных садов и дач (%).

Table 4. Variation of soil cover sealing in collective gardens and dachas (%)

Запечатанность, %	n	min	Q1	med	Q3	max	M	s	V, %
Тракторозаводской	5	18.9	28.7	29	29.1	30	27.1	4.143	0.153
Краснооктябрьский	5	9.6	12.8	14.3	15.5	38.3	18.1	10.292	0.569
Дзержинский	3	17	21.5	26	26	26	23	4.243	0.184
Ворошиловский	5	18	23	24.4	28.6	37	26.2	6.374	0.243
Советский	5	14.4	25.4	25.5	32.8	39.5	27.5	8.392	0.305
Кировский	4	13.8	16	18.9	22.5	26.7	19.6	4.851	0.248
Красноармейский	4	13.7	14.9	17.1	22.1	31.4	19.8	6.940	0.350
Вся зона	31	9.6	16.1	24.4	28.8	39.5	23.2	7.939	0.341

Примечание. Статистические показатели: n – объем выборки; min – минимум; Q1 – нижний квартиль; med – медиана; Q3 – верхний квартиль; max – максимум; M – среднее арифметическое; s – среднеквадратическое отклонение; V – коэффициент вариации.

Зона озелененных территорий рекреационного назначения. Согласно Генеральному плану развития г. Волгограда, к зоне территорий рекреационного назначения относят: с/х территории, парки, скверы, бульвары, дендросады, городские леса и пустыри. Общая площадь зоны составляет 309.6 км2 или 37.5% от всей площади города, из них на с/х территории приходится 173.6 км2. Из всего спектра рекреационных территорий в работе подлежат вниманию только парки и скверы, которые по сути являются озелененными территориями рекреационного назначения. Их общая площадь в пределах г. Волгограда составляет 3 км2. Анализ запе-чатанности почвенного покрова рекреационной зоны выявил большое различие в соотношении экранированных поверхностей в скверах и парках (рис. 5., табл. 5).

Таблица 5. Варьирование запечатанности почвенного покрова зоны озелененных территорий рекреационного назначения (%)

Table 5. Variation of soil cover sealing in the zone of green areas of recreational use (%)

Запечатанность, %	n	min	Q1	med	Q3	max	M	s	V, %
	Скверы
	7	22.1	25.9	29	34.4	39.6	30.2	5.958	0.197
	Парки
	14	3.8	18.6	24.9	36.8	44.1	26.4	11.493	0.439
Вся зона	21	3.8	21.1	28	36.8	44.1	27.6	10.157	0.367

Примечание. Статистические показатели: n – объем выборки; min – минимум; Q1 – нижний квартиль; med – медиана; Q3 – верхний квартиль; max – максимум; M – среднее арифметическое; s – среднеквадратическое отклонение; V – коэффициент вариации.

Несмотря на среднюю запечатанность зоны в 27.6%, в скверах диапазон между минимальной и максимальной запеча-танностью полигона в целом изменяется в небольших пределах (от 22.1% до 39.6%), тогда как в парках разница между минимальной и максимальной запечатанностью равна 40.7% (от 3.8% до 44.1%). Обусловлено это прежде всего тем, что в скверах более развита инфраструктура отдыха (асфальтированные дорожки, скамейки, памятники архитектуры, здания), тогда как в парках тропиночная сеть чаще всего менее развита, а основное пространство занято древесно-кустарниковой растительностью. Со- гласно градостроительным документам, максимальный процент запечатанности для территории парка составляет 7%, для территории сквера – 5%. В результате геоинформационного анализа из всего перечня исследуемых парков (14 объектов) в 13 выявлено превышение норм по застройке более чем в 1.5–6 раз. В скверах также фиксируются превышения регламентированных показателей запечатанности в 4–6 раз.

□ Красноармейский □ Ворошиловский и Дзержинский ■Кировский □ Краснооктябрьский ■ Тракторный ■Краснооктябрьский ■Советский □ Центральный □ Вся зона

Рис. 4. Варьирование запечатанности почвенного покрова в селитебных зонах города г. Волгограда.

Fig. 4. Variation of soil sealing in residential areas of Volgograd city.

Рис.  5.  Варьирование запечатанности почвенного покрова в рекреационных зонах г. Волгограда.

Fig. 5. Variation of soil sealing in the recreational areas of Volgograd.

ВЫВОДЫ

• 1.    Использование спутниковых данных QuickBird позволяет дешифрировать запечатанные почвы и грунты в условиях г. Волгограда с ошибкой, не превышающей 10%.

• 2.    В результате геоинформационного анализа территории г. Волгограда установлено, что запечатанные поверхности занимают около 169.4 км ² или 20.5% от всей площади города.

• 3.    Результаты дешифрирования выявили, что в отдельных районах (Центральный район) г. Волгограда доля запечатанных почв и грунтов достигает 45%. Территории Кировского и Советского районов города в меньшей степени запечатаны (от 12.9% до 13.5% соответственно).

• 4.    Запечатанность функциональных зон варьирует в широких пределах. Так в зоне много-, мало- и среднеэтажной жилой застройки максимальные значения запечатанности отмечены на уровне 63%. Широкий интервал значений (от 26% до 51%) приходится на зону индивидуальной застройки. Для зоны коллективных садов и дач также характерен широкий диапазон запечатанности поверхностей (от 9.6% до 39.5%). В рекреационной зоне средняя запечатанность сохраняется на уровне 27.6%.

• 5.    Полученные сведения о запечатанности территории г. Волгограда могут быть востребованы для решения задач территориального планирования при реализации работ по озеленению и благоустройству городской территории.