УДК 528.9:631.4

Геоинформационная база данных для комплексной оценки и мониторинга деградации земель на Семипалатинском испытательном полигоне

Мукалиев Ж.К¹., докторант, Жұматаева Ж.М¹., докторант, Рафиков Т.К²., докторант,

Научный руководитель: Асылбекова А.А¹., PhD

¹Казахский национальный университет имени аль-Фараби, г. Алматы, Республика Казахстан

²Казахский национальный аграрный исследовательский университет, г. Алматы, Республика Казахстан

Выполнена пространственная оценка состояния растительного покрова, выявлены зоны с различной степенью деградации земель и установлена роль рельефных факторов в формировании пространственной неоднородности деградационных процессов. Проведено интегральное зонирование территории полигона, позволяющее выделить участки с высокой, средней и низкой степенью антропогенной трансформации.

Введение

Территории, подвергшиеся длительному техногенному воздействию, требуют особых подходов к оценке состояния земель и организации их дальнейшего использования. Одним из наиболее сложных и экологически уязвимых объектов в Республике Казахстан является Семипалатинский испытательный полигон, на территории которого в течение нескольких десятилетий проводились ядерные испытания. Их последствия оказали существенное влияние на природные компоненты, структуру землепользования и экологическое состояние ландшафтов, что обуславливает необходимость комплексного пространственного анализа и системного мониторинга данных территорий.

В условиях цифровизации экологического и земельного мониторинга геоинформационные технологии и данные дистанционного зондирования Земли приобретают ключевое значение при изучении пространственной неоднородности деградационных процессов. Применение геоинформационных систем позволяет интегрировать разнородные источники пространственной информации, включая спутниковые снимки, цифровые модели рельефа, тематические карты и архивные данные, обеспечивая комплексную оценку состояния земель [1]. Особенно актуальным данный подход является для территорий с ограниченной возможностью проведения полевых исследований, к числу которых относится Семипалатинский испытательный полигон.

Современные исследования в области геоэкологии и землеустройства показывают, что использование геоинформационных баз данных в качестве ядра аналитических систем позволяет перейти от фрагментарного анализа отдельных показателей к целостной модели оценки деградации земель. Геобазы данных обеспечивают структурированное хранение пространственных и атрибутивных сведений, поддерживают воспроизводимость аналитических процедур и создают основу для многовариантного пространственного моделирования [2]. В контексте постъядерных территорий это открывает возможности для выявления закономерностей деградации земель, анализа динамики земного покрова и зонирования территории по степени антропогенного воздействия.

Несмотря на наличие отдельных работ, посвящённых экологическим и радиационным аспектам Семипалатинского испытательного полигона, вопросы комплексного геоинформационного моделирования состояния земель с использованием единой базы пространственных данных остаются недостаточно проработанными. В большинстве случаев исследования носят локальный характер и не предполагают интеграции разнородных данных в рамках унифицированной геоинформационной среды, что ограничивает возможности масштабирования и практического применения полученных результатов [3].

В данном контексте разработка и применение геоинформационной базы данных для оценки и мониторинга деградации земель Семипалатинского испытательного полигона представляет собой актуальную научно-практическую задачу. Использование ГИС и данных дистанционного зондирования Земли позволяет обеспечить объективную пространственную оценку состояния территории, выявить зоны наибольшего техногенного воздействия и сформировать информационную основу для принятия решений в области рационального использования и восстановления земель.

Целью настоящего исследования является разработка и апробация геоинформационной базы данных, предназначенной для комплексной пространственной оценки деградации земель Семипалатинского испытательного полигона на основе геоинформационных технологий и данных дистанционного зондирования Земли. Для достижения поставленной цели в работе решаются задачи по формированию структуры геобазы данных, интеграции мультиспектральной и тематической информации, а также проведению пространственного анализа, направленного на выявление закономерностей деградационных процессов на исследуемой территории.

Районом исследования является территория Семипалатинского испытательного полигона (СИП), расположенная в восточной части Республики Казахстан и охватывающая площадь порядка 18,5 тыс. км². Территория полигона включает участки современных Абайской, Восточно-Казахстанской и Павлодарской областей. В период с 1949 по 1989 годы на данной территории проводились ядерные испытания, что обусловило формирование сложного комплекса долговременных техногенных и экологических последствий, в том числе деградацию земель и трансформацию природных ландшафтов.

Природно-климатические условия СИП характеризуются засушливым и резко континентальным климатом, малой плотностью растительного покрова и значительной пространственной неоднородностью рельефа. Рельеф представлен преимущественно равнинными и слабоволнистыми поверхностями с отдельными возвышенными участками, сухими долинами временных водотоков и участками песчано-галечных отложений, что оказывает существенное влияние на проявление и распределение процессов деградации земель.

Материалы и методы исследования

Методическая основа исследования базируется на интеграции разнородных пространственных данных в рамках единой геоинформационной среды. В качестве исходных материалов использовались:

• мультиспектральные спутниковые снимки Landsat 8–9 OLI/TIRS и Sentinel-2 MSI за период 2015–2023 гг.;
• цифровая модель рельефа SRTM с пространственным разрешением 30 м;
• данные о земном покрове и землепользовании, полученные из открытых геоинформационных источников;
• архивные картографические и тематические материалы, относящиеся к территории Семипалатинского испытательного полигона;
• вспомогательные векторные слои (границы территории, гидрографическая сеть, элементы инфраструктуры).

Все наборы данных были приведены к единой системе координат WGS 84 / UTM Zone 45N и пространственно ограничены границами исследуемой территории.

Предварительная обработка спутниковых данных включала геометрическую коррекцию, радиометрическую нормализацию, маскирование облачности и теней, а также приведение растровых данных к единому пространственному разрешению [4]. Для спутниковых изображений применялись стандартные процедуры атмосферной коррекции, обеспечивающие сопоставимость данных различных дат наблюдений.

Векторные данные проходили проверку топологической целостности, устранение геометрических ошибок и унификацию атрибутивной структуры. Особое внимание уделялось обеспечению пространственной согласованности между растровыми и векторными слоями, что являлось необходимым условием для корректного выполнения пространственного анализа [5].

Геоинформационная база данных разрабатывалась как ядро аналитической системы и проектировалась с учётом принципов реляционно-пространственной организации данных. Структура базы включала тематические слои, отражающие особенности земного покрова, рельефа, гидрографии и антропогенных объектов на территории СИП.

Атрибутивные таблицы формировались с возможностью временной привязки данных, что обеспечивало анализ динамики состояния земель по годам наблюдений. Логические связи между объектами позволяли выполнять комплексный анализ пространственных характеристик и факторов деградации земель в рамках единой базы геоданных [6]. Модульная структура базы данных обеспечивала возможность её расширения и актуализации при включении дополнительных тематических показателей.

Анализ данных дистанционного зондирования Земли был направлен на выявление пространственных индикаторов деградации земель. Для оценки состояния растительного покрова рассчитывался нормализованный разностный вегетационный индекс (NDVI), а для выявления оголённых и деградированных поверхностей — индекс оголённой почвы (BSI). Расчёт индексов выполнялся для нескольких временных срезов, что позволило проанализировать пространственно-временную динамику состояния земель [7].

Морфометрический анализ рельефа проводился на основе цифровой модели рельефа и включал расчёт углов наклона, экспозиции склонов и топографических показателей, влияющих на развитие деградационных процессов. Полученные параметры использовались для оценки роли рельефа в формировании пространственной неоднородности деградации земель.

Для интеграции и анализа данных применялись методы пространственного наложения, зональной статистики и картографического моделирования. Совмещение растровых и векторных слоёв обеспечивало выявление зон с различной степенью антропогенной трансформации и деградации земель на территории СИП.

Все этапы обработки и анализа данных выполнялись с использованием геоинформационных систем QGIS и ArcGIS Pro. Управление пространственными данными и реализация пространственных запросов осуществлялись с применением СУБД PostgreSQL с расширением PostGIS.

Аналитические процедуры реализовывались с использованием инструментов визуального моделирования геопроцессов, что обеспечивало автоматизацию, воспроизводимость и стандартизацию этапов пространственного анализа. Результаты исследования визуализировались в виде тематических карт и пространственных моделей, предназначенных для оценки состояния земель и поддержки принятия решений [8].

Верификация полученных результатов проводилась путём сопоставления пространственных закономерностей деградации земель с данными опубликованных исследований и архивных материалов, посвящённых территории Семипалатинского испытательного полигона. Оценивалась согласованность выявленных зон деградации с известными участками повышенного антропогенного воздействия.

Эффективность разработанного геоинформационного подхода определялась его способностью выявлять пространственную неоднородность деградационных процессов и обеспечивать воспроизводимость аналитических сценариев. Предложенная методика может быть использована в дальнейшем для мониторинга посттехногенных территорий и адаптирована для исследований в других экологически уязвимых регионах.

Результаты и обсуждение

На первом этапе анализа была выполнена оценка состояния растительного покрова территории Семипалатинского испытательного полигона на основе нормализованного разностного вегетационного индекса (NDVI). Расчёт индекса для разновременных спутниковых снимков позволил выявить выраженную пространственную неоднородность распределения растительности и степень деградации земельного покрова.

Результаты картографирования NDVI показывают, что значительная часть территории полигона характеризуется низкими значениями индекса,НДВИ, что соответствует разреженному или практически отсутствующему растительному покрову [8]. Наиболее низкие значения NDVI приурочены к центральным и юго-восточным участкам полигона, где исторически фиксировалась наибольшая интенсивность техногенного воздействия. В то же время относительно более высокие значения индекса наблюдаются на периферийных участках, а также в зонах, приуроченных к понижениям рельефа и долинам временных водотоков [9].

Анализ динамики NDVI за период 2015–2023 гг. свидетельствует об отсутствии устойчивых восстановительных тенденций на большей части исследуемой территории. Незначительные локальные изменения носят фрагментарный характер и не формируют сплошных зон улучшения состояния растительного покрова. Это указывает на долговременный характер деградационных процессов, обусловленных сочетанием природных и антропогенных факторов.

На следующем этапе исследования был проведён морфометрический анализ рельефа территории СИП на основе цифровой модели рельефа. Расчёт углов наклона и экспозиции склонов позволил оценить роль рельефа в пространственной дифференциации деградационных процессов [10].

Картографический анализ показал, что большая часть полигона представлена равнинными и слабоволнистыми поверхностями с малыми углами наклона. Однако локальные возвышенные участки и эрозионно расчленённые зоны демонстрируют более выраженную деградацию земель, что проявляется в сочетании повышенных уклонов с низкими значениями NDVI. В таких зонах усиливается влияние водной и ветровой эрозии, особенно при отсутствии устойчивого растительного покрова [11].

Экспозиция склонов также оказывает влияние на распределение деградации: южные и юго-западные склоны, испытывающие повышенную инсоляцию, характеризуются более низкими показателями вегетационного индекса по сравнению с северными экспозициями. Это подтверждает значимость рельефа как фактора, усиливающего деградационные процессы в условиях засушливого климата Семипалатинского испытательного полигона [12].

Рисунок 1 – Редактирование контуров

Заключительным этапом анализа стало интегральное зонирование территории СИП на основе совмещения показателей NDVI, морфометрических характеристик рельефа и пространственного анализа земного покрова. Метод пространственного наложения позволил выделить зоны с различной степенью деградации земель [13].

В результате зонирования были сформированы несколько категорий территории, различающихся по уровню антропогенной трансформации и деградации. Зоны высокой степени деградации охватывают участки с устойчиво низкими значениями NDVI, неблагоприятными морфометрическими условиями и выраженными признаками нарушенного земного покрова. Эти территории требуют приоритетного внимания при проведении мониторинга и разработке мероприятий по ограничению хозяйственного использования [14].

Зоны средней степени деградации характеризуются сочетанием умеренных значений NDVI и относительно стабильных морфометрических параметров. Такие участки потенциально могут рассматриваться как переходные территории, где при наличии благоприятных условий возможно частичное восстановление растительного покрова. Зоны низкой степени деградации, как правило, приурочены к периферийным районам полигона и участкам с более благоприятными природными условиями [13].

Полученные результаты подтверждают эффективность использования геоинформационной базы данных и методов дистанционного зондирования Земли для комплексной пространственной оценки деградации земель Семипалатинского испытательного полигона [14]. Совмещение индексов состояния растительного покрова с морфометрическим анализом рельефа позволило выявить устойчивые пространственные закономерности деградационных процессов, которые не всегда очевидны при анализе отдельных показателей.

В отличие от локальных исследований, ориентированных на отдельные аспекты экологического состояния территории, предложенный геоинформационный подход обеспечивает системное представление о состоянии земель и создаёт основу для воспроизводимого мониторинга [15]. Интегральное зонирование территории может использоваться в качестве информационного инструмента при разработке программ экологического мониторинга, территориального планирования и оценки допустимых форм землепользования на посттехногенных территориях.

Таким образом, результаты исследования демонстрируют, что геоинформационные технологии и пространственный анализ являются эффективным инструментом оценки деградации земель Семипалатинского испытательного полигона и могут быть адаптированы для анализа других территорий с длительным антропогенным воздействием.

Заключение и выводы: В результате проведённого исследования подтверждена эффективность применения геоинформационной базы данных в качестве ядра комплексного мониторинга деградации земель на территории Семипалатинского испытательного полигона. Интеграция данных дистанционного зондирования Земли и пространственного анализа обеспечивает целостную оценку состояния посттехногенных ландшафтов.

Картографический анализ нормализованного разностного вегетационного индекса (NDVI) выявил устойчивую пространственную неоднородность состояния растительного покрова, характеризующуюся преобладанием территорий с низкими значениями индекса, что свидетельствует о долговременном характере деградационных процессов и отсутствии выраженных тенденций к естественному восстановлению.

Морфометрический анализ рельефа показал значимую роль рельефных факторов в дифференциации деградации земель. Участки с повышенными уклонами и неблагоприятной экспозицией склонов демонстрируют более выраженные признаки деградации, что подтверждает усиливающее влияние природных условий на последствия техногенного воздействия.

Интегральное зонирование территории Семипалатинского испытательного полигона на основе совмещения показателей NDVI и морфометрических параметров позволило выделить зоны различной степени деградации земель, что создаёт основу для пространственно дифференцированного подхода к мониторингу и ограничению хозяйственного использования.

Разработанная геоинформационная модель обеспечивает воспроизводимость аналитических процедур и возможность масштабирования методики на другие территории с длительным антропогенным воздействием, что расширяет потенциал её применения в задачах экологического мониторинга и территориального планирования.

Полученные результаты подтверждают, что использование геоинформационных технологий и данных дистанционного зондирования Земли является эффективным инструментом научно обоснованной оценки состояния земель постядерных территорий и может служить информационной основой для принятия управленческих решений в сфере рационального использования и восстановления земельных ресурсов.

Библиографический список

1. Wessels K. J., Prince S. D., Frost P. E., van Zyl D. Assessing the effects of human-induced land degradation in the former homelands of South Africa with a 1 km AVHRR NDVI time-series // Remote Sensing of Environment. – 2004. – Vol. 91, No. 1. – P. 47–67. – DOI: 10.1016/j.rse.2004.02.005.
2. Bai Z. G., Dent D. L., Olsson L., Schaepman M. E. Proxy global assessment of land degradation // Soil Use and Management. – 2008. – Vol. 24, No. 3. – P. 223–234. – DOI: 10.1111/j.1475-2743.2008.00169.x.
3. Zhao Y., Zhang K., Fu Y. Examination of land degradation based on Landsat imagery and GIS techniques // Environmental Monitoring and Assessment. – 2019. – Vol. 191, No. 3. – P. 1–15. – DOI: 10.1007/s10661-019-7287-6.
4. Karamesouti M., Panagos P., Kosmas C. Model-based spatio-temporal analysis of land desertification risk in Greece // Catena. – 2015. – Vol. 137. – P. 264–272. – DOI: 10.1016/j.catena.2015.10.012.
5. Vrieling A., de Beurs K. M., Brown M. E. Variability of African farming systems from phenological analysis of NDVI time series // Climatic Change. – 2011. – Vol. 109. – P. 455–477. – DOI: 10.1007/s10584-011-0049-1.
6. Cherlet M., Hutchinson C., Reynolds J. et al. World Atlas of Desertification. – 3rd ed. – Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2018. – 248 p.
7. Panagos P., Ballabio C., Borrelli P. Towards a pan-European assessment of land degradation // Science of the Total Environment. – 2019. – Vol. 663. – P. 787–798. – DOI: 10.1016/j.scitotenv.2019.01.348.
8. Gao J., Liu Y. Determination of land degradation causes in Tongyu County, Northeast China via land cover change detection // International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation. – 2010. – Vol. 12, No. 1. – P. 9–16. – DOI: 10.1016/j.jag.2009.08.003.
9. El Baroudy A. A. Mapping and evaluating land degradation using remote sensing and GIS techniques // Environmental Earth Sciences. – 2016. – Vol. 75, No. 1. – P. 1–12. – DOI: 10.1007/s12665-015-4829-5.
10. Wang J., Rich P. M., Price K. P. Temporal responses of NDVI to precipitation and temperature in the central Great Plains, USA // International Journal of Remote Sensing. – 2003. – Vol. 24, No. 11. – P. 2345–2364. – DOI: 10.1080/01431160210154812.
11. Reynolds J. F., Smith D. M. S., Lambin E. F. Global desertification: building a science for dryland development // Science. – 2007. – Vol. 316, No. 5826. – P. 847–851. – DOI: 10.1126/science.1131634.
12. Burrough P. A., McDonnell R. A., Lloyd C. D. Principles of Geographical Information Systems. – Oxford: Oxford University Press, 2015. – 352 p.
13. Li X., Chen G., Liu X. Spatiotemporal dynamics of land degradation in arid regions based on remote sensing indices // Ecological Indicators. – 2020. – Vol. 114. – Article 106316. – DOI: 10.1016/j.ecolind.2020.106316.
14. Zhang Y., Wu W., Qin Y. Land degradation assessment using multi-source remote sensing data and GIS in arid regions // Land Degradation & Development. – 2021. – Vol. 32, No. 2. – P. 611–626. – DOI: 10.1002/ldr.3765.
15. Панин А. В., Соловьёв И. А. Геоинформационные методы оценки деградации земель в засушливых регионах // География и природные ресурсы. – 2020. – № 4. – С. 112–121.

1. Единый государственный реестр недвижимости и земельно-имущественные отношения
   
2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
   
3. Комплексное использование природных ресурсов
   
4. Современные вопросы геологии
   
5. Физика горных пород
   
6. Новые технологии в природопользовании
   
7. Применение современных информационных технологий
   
8. Экономические аспекты недвижимости
   
9. Мониторинг использования объектов недвижимости
   
10. Топографо-геодезическое обеспечение кадастровых работ
    
11. Современные технологии в профессиональном образовании