Оценка качества работы сетей космических гидропостов на реке Амударье

Авторы
Мухамеджанов И.Д.(1), Константинова А.М.(1)
Организации
(1) Институт космических исследований РАН
Сессия
Дистанционное зондирование Земли
Форма представления
Устный
Место работы научного руководителя
Институт космических исследований РАН, Факультет космических исследований МГУ им. М.В. Ломоносова
Научный руководитель
Лупян Евгений Аркадьевич
Текст тезисов
Оценка водности и состояния водных объектов Центральной Азии - одна из важнейших задач для региона. Поскольку некоторые крупные реки в регионе являются трансграничными, использование вод таких рек происходит со стороны нескольких стран. Технологии спутникового мониторинга позволяют своевременно и оперативно оценить состояние русла рек, водохранилищ, а также проанализировать влияние различных факторов на их динамику.
В работе рассматривается вопрос эффективности использования последовательностей связанных виртуальных объектов, устанавливаемых на русле рек для анализа динамики их водности. Такие объекты представляют собой произвольные полигоны и получили название космических гидропостов (КГП) (Мухамеджанов и др., 2020). В пределах полигона по спутниковому изображению на основе индекса MNDWI (modified normalized difference water index) (Погорелов и др., 2017) рассчитывается площадь (га), занимаемая водой (пикселы с положительным значением индекса). При этом используются данные оптического диапазона сканирующей аппаратуры MSI (Sentinel-2A, -2B), OLI, TIRS (Landsat-8). Космический гидропост по сравнению с физической станцией, обладает рядом очевидных преимуществ, такими как отсутствие затрат на техническое обслуживание, предоставление оперативной информации, получаемой на основе открытых источников, а также возможность использования данных с неограниченного количества полигонов. Кроме того, КГП также не накладывает ограничений на место установки. Таким образом, можно организовать систему (сеть) объектов, выбрав одну из физических станций и некоторое множество связанных между собой КГП. Для создания такой сети при исследовании в качестве физической станции был выбран наземный гидропост Керки (Туркменистан) и набор полигонов, расположенных на разном расстоянии друг от друга выше от станции. Анализ данных на временных рядах суточных стоков на Керки и площади водного зеркала на КГП за 2014, 2016 и 2018 гг. Вблизи станции наблюдается линейная зависимость стока от площади водной поверхности (Mukhamedjanov et al., 2020), поэтому ближайший к Керки полигон связывается с наземным гидропостом. Каждый следующий полигон устанавливается по эмпирически определённым правилам (Mukhamedjanov et al., 2020) и связывается с предыдущим. Для оценки работы сетей космических гидропостов на каждом шаге строится диаграмма разброса нормированных на площадь полигона показателей площади водной поверхности и модель полиномиальной регрессии 3-го порядка. Метрикой качества при таком подходе является F-значение (Dünki et al., 2011), рассчитываемое как отношение дисперсий временных рядов площади на текущем и предыдущем гидропостах. По результатам такого анализа сеть может быть продолжена до тех пор, пока F-значение не превышает 2.0. Проведённые эксперименты показали, что превышение данного порога влечёт неустойчивость работы отдельных полигонов и сети в целом. Кроме того, образование размывов берега и смещение русла Амударьи в межгодовом аспекте усложняют работу оператора при установке полигонов. В связи с этим, необходимо включать в модель дополнительные параметры, влияющие на качество сети и повышающие устойчивость КГП к естественной изменчивости морфологии русла реки.
При расширении географии экспериментов на другие реки центральноазиатского региона и адаптации методики к особенностям морфологии русла технология использования сетей КГП может стать актуальным рабочим инструментом для построения водных прогнозов и оценки водохозяйственной обстановки на выбранной местности.
Результаты, представленные в работе, получены с использованием развиваемого в ИКИ РАН сервиса спутникового мониторинга EcoSatMS (http://suvo.geosmis.ru). Функционирование сервиса осуществляется с использованием ресурсов Центра коллективного пользования "ИКИ-Мониторинг" (http://ckp.geosmis.ru) (Лупян и др., 2019), развиваемого и поддерживаемого в рамках темы «Мониторинг» (госрегистрация № 01.20.0.2.00164).
Обработка и анализ данных проводились при поддержке РФФИ № 19-37-90114.

Литература:

1. Мухамеджанов И.Д., Константинова А.М., Лупян Е.А. Построение сетей космических гидропостов для организации спутникового мониторинга Амударьи // Материалы Восемнадцатой Всероссийской Открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 16-20 ноября 2020. ИКИ РАН, 2020. С. 94. DOI: 10.21046/18DZZconf-2020a.
2. Mukhamedjanov I.D., Konstantinova A.M., Loupian E.A. The use of satellite data for monitoring rivers in the Amu Darya basin // E3S Web of Conferences. Regional Problems of Earth Remote Sensing (RPERS 2020), 2020. Vol. 223. P. 03008. DOI: doi.org/10.1051/e3sconf/202022303008.
3. Погорелов А.В., Липилин Д.А., Курносова А.С. Спутниковый мониторинг Краснодарского водохранилища // Географический. 2017. №1(40). С. 130–137. DOI: 10.17072/2079-7877-2017-1-130-137.
4. R. M. Dünki, M. Dressel, «F-Ratio Test and Hypothesis Weighting: A Methodology to Optimize Feature Vector Size». Journal of Biophysics, Vol. 2011. Article ID 290617. 11 pages. DOI: 10.1155/2011/290617.
5. Лупян Е.А., Прошин А.А., Бурцев М.А., Кашницкий А.В., Балашов И.В., Барталев С.А., Константинова А.М., Кобец Д.А., Мазуров А.А., Марченков В.В., Матвеев А.М., Радченко М.В., Сычугов И.Г., Толпин В.А., Уваров И.А. Опыт эксплуатации и развития центра коллективного пользования системами архивации, обработки и анализа спутниковых данных (ЦКП «ИКИ-Мониторинг») // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 3. С. 151-170. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-3-151-170.