Дистанционное зондирование при мониторинге эффективности мер по борьбе с эрозией

Глобальный вызов эрозии почв

По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации (ФАО), эрозия ежегодно устраняет около 75 миллиардов тонн плодородного верхнего слоя почвы, снижая производительность сельского хозяйства и увеличивая осаждение в водных путях. Экономические затраты оцениваются в более чем 400 миллиардов долларов в год. Традиционные методы мониторинга эрозии - полевые обследования, эрозионные штифты и участки стока - являются трудоемкими, предоставляют только локализованные данные и не могут идти в ногу с пространственным и временным масштабом проблемы. Именно здесь дистанционное зондирование стало преобразующим инструментом. Предоставляя повторяющиеся синоптические виды поверхности Земли, дистанционное зондирование позволяет землеустроителям, инженерам и исследователям оценивать эффективность мер по борьбе с эрозией на больших площадях и в длительные сроки с беспрецедентной эффективностью.

Меры по борьбе с эрозией, начиная от растительного покрова и заканчивая инженерными сооружениями, такими как террасы и контрольные плотины, предназначены для стабилизации почвы, снижения скорости стока и улавливания осадка. Однако мониторинг того, работают ли эти вмешательства, требует последовательного наблюдения за изменениями поверхности земли, здоровьем растительности и топографическими изменениями. Технологии дистанционного зондирования обеспечивают именно это: объективные, количественные и повторяемые данные, которые можно анализировать для отслеживания как прогресса деградации, так и успеха усилий по восстановлению.

Основы дистанционного зондирования для мониторинга эрозии

Дистанционное зондирование включает в себя получение информации о поверхности Земли без прямого физического контакта. Датчики, установленные на спутниках, самолетах или беспилотниках, обнаруживают отраженное или испускаемое электромагнитное излучение на различных длинах волн. Эти данные затем обрабатываются для получения изображений и производных продуктов, которые раскрывают биофизические свойства, относящиеся к эрозии, такие как плотность растительности, влажность почвы, шероховатость поверхности и изменения высоты.

Спутниковое дистанционное зондирование

Спутниковые платформы предлагают самый широкий пространственный охват и самые длинные временные записи. Программы, такие как Landsat НАСА (30-метровое разрешение с 1972 года), Sentinel-2 Европейского космического агентства (10-20 метровое разрешение, с 2015 года), и коммерческие спутники, такие как WorldView-3 (подметровое разрешение), предоставляют данные, подходящие для различных масштабов анализа. Многоспектральные датчики захватывают видимые, ближние инфракрасные (NIR) и коротковолновые инфракрасные (SWIR) полосы, которые необходимы для вегетационных индексов, таких как Нормализованный индекс разности растительности (NDVI), которые указывают на здоровье растений и охватывают. Более высокое временное разрешение - иногда повторное посещение одного и того же места каждые несколько дней - позволяет контролировать сезонные и эпизодические события эрозии, такие как вызванные сильными осадками.

Беспилотные летательные аппараты (дроны)

Дроны заполняют пробел между полевыми съемками и спутниковыми снимками. Они могут быть развернуты по требованию, летать под облачным покровом и нести датчики, которые захватывают изображения сверхвысокого разрешения (сантиметрового масштаба). Для мониторинга эрозии дроны особенно ценны для оценки мелкомасштабных мер контроля, таких как геотекстильные одеяла, травянистые водные пути и условия проверочной плотины. Фотограмметрия структуры из движения (SfM) из обследований дронов может производить цифровые модели высоты (DEM) с вертикальной точностью в несколько сантиметров, что позволяет точно обнаруживать потерю почвы или осаждение осадка с течением времени.

Воздушно-десантная лидарная и фотограмметрия

Светодиагностика и ранжирование (LiDAR) использует лазерные импульсы для измерения расстояний до земли, проникающей растительности для отображения топографии голой земли. DEM-производные от LiDAR имеют решающее значение для моделирования риска эрозии, проектирования террас и количественной оценки объемных изменений оврагов. Взлетно-десантная фотограмметрия, используя перекрывающиеся аэрофотоснимки, также дает ортофотоснимки с высоким разрешением и DEM. При повторении эти обследования непосредственно измеряют выходы эрозии и осадка, предоставляя данные о наземной правде для проверки оценок на основе спутников.

Меры по контролю эрозии и применения дистанционного зондирования

Дистанционное зондирование не заменяет полевых наблюдений, а усиливает их пространственный и временной контекст. Ниже приводятся ключевые категории мер по борьбе с эрозией и способы применения методов дистанционного зондирования для контроля их эффективности.

Вегетативные меры

Растительность является наиболее эффективным и широко используемым методом борьбы с эрозией. Корни связывают почву, навес листьев перехватывает воздействие дождевой капли, а органическое вещество улучшает инфильтрацию. Дистанционное зондирование оценивает вегетативный покров через спектральные индексы. NDVI, рассчитанный как (NIR - красный) / (NIR + красный), является стандартной метрикой. Увеличение NDVI с течением времени в областях, обработанных травой, кустарниками или покровными культурами, указывает на успешное установление и сокращение эрозии. Другие индексы, такие как индекс растительности с поправкой на почву (SAVI) и расширенный индекс растительности (EVI), учитывают фон почвы и атмосферные эффекты. Анализ временных рядов спутниковых данных может выявить, поддерживается ли вегетативный покров через засушливые сезоны или после бурь высокой интенсивности. Например, исследование на плато Лёсс в Китае использовало Landsat, чтобы показать, что лесовозобновление привело к 40%-ному сокращению эрозии в течение десятилетия, коррелируя с

Структурные меры: террасирование и проверка плотин

Террасы перестраивают склоны холмов в плоскости, уменьшая длину склона и скорость стока. Проверочные плотины представляют собой небольшие барьеры, построенные через овраги для улавливания осадка. Мониторинг этих структур требует обнаружения топографических изменений и накопления осадка. ДЭМ высокого разрешения от LiDAR или фотограмметрии дронов может количественно оценить состояние края террасы, измерить объем осадка за контрольными плотинами и идентифицировать области, где структуры были нарушены или перекрыты. Сравнивая ДЭМ от последовательных обследований, инженеры могут рассчитать чистую эрозию или скорость осаждения. Спутниковые данные, хотя и более грубые, могут обнаружить широкие изменения в степени терракинга, когда модели растительности меняются из-за измененного потока воды.

Геотекстиль и наземный покров

Геотекстильные коврики и одеяла для контроля эрозии часто используются на крутых склонах или строительных площадках для удержания почвы во время посадки растительности. Дистанционное зондирование этих материалов является сложной задачей, поскольку они являются временными и часто похожи по цвету на почву. Однако изображения с очень высоким разрешением (подметр) от дронов или коммерческих спутников могут идентифицировать их присутствие и деградацию с течением времени. Изменения текстуры, цвета и спектральной подписи (например, с использованием индекса нормализованной разницы почв) могут указывать на износ или отказ. Многовременной анализ может показать, когда геотекстили подвергаются воздействию, сдвигаются или зарастают растительностью, информируя графики технического обслуживания.

Контурное сельское хозяйство и стриптиз-кроп

Контурное земледелие включает в себя возделывание вдоль линий возвышения, в то время как полосовое обрезка чередует ряды подверженных эрозии культур с покровными культурами. Оба снижают скорость стока и ловушки осадка. Дистанционное зондирование может оценить эффективность этих практик, обнаруживая покров остатков сельскохозяйственных культур, направление строк и дифференциальный рост растительности. Снимки с синтетической диафрагмой, чувствительные к шероховатости поверхности и влажности почвы, могут дополнять оптические данные. Исследования использовали Sentinel-1 SAR для картирования вариаций влажности почвы, которые указывают пути стока и для оценки того, действительно ли соблюдаются контурные модели.

Методы анализа данных

Для получения значимой информации об эффективности борьбы с эрозией необходимо обрабатывать данные дистанционного зондирования, поскольку в этой области стандартными стали несколько аналитических методов.

Обнаружение изменений

Обнаружение изменений определяет различия в характеристиках поверхности земли между двумя или более точками времени. Это может быть так же просто, как вычитание изображений NDVI для поиска областей озеленения или потемнения, или так же продвинуто, как использование алгоритмов, таких как обнаружение непрерывных изменений и классификация (CCDC) на временных рядах Landsat. Для мониторинга эрозии обнаружение изменений подчеркивает, где эрозия активна (например, расширение оврагов, голые участки почвы) и где меры контроля обращают вспять деградацию (например, восстановленная растительность, заполненные рилы). Это важно для адаптивного управления - если конкретная область показывает постоянную эрозию, несмотря на вмешательства, ресурсы могут быть перераспределены.

Классификация и машинное обучение

Надзорная и неконтролируемая классификация изображений дистанционного зондирования позволяет составить карту эрозионных признаков и структур управления. Модели машинного обучения, такие как случайные леса, машины опорных векторов и сверточные нейронные сети (CNN), успешно применяются для идентификации террас, проверки плотин и шрамов от эрозии с помощью беспилотных или спутниковых снимков. Данные обучения, полученные в ходе полевых обследований, позволяют этим моделям различать стабильные и разрушающиеся склоны и оценивать состояние мер по борьбе с эрозией. В сочетании с экологическими предикторами (область, количество осадков, тип почвы) машинное обучение может прогнозировать риск эрозии и оценивать, где меры контроля наиболее необходимы.

Топографический анализ от LiDAR

DEM, полученные из LiDAR, позволяют точно рассчитать атрибуты местности - склон, аспект, кривизну, накопление потока - которые управляют процессами эрозии. Многовременные исследования LiDAR (повторные LiDAR) могут производить DEM разницы (DoD), которые количественно определяют объемные изменения топографии. Например, повторные исследования LiDAR на переднем хребте Колорадо показали, что после штормовых событий объемы осадков в контрольных плотинах изменились на 200 кубических метров, непосредственно измеряя эффективность структур. Программное обеспечение для обнаружения геоморфических изменений позволяет пользователям распространять неопределенность и идентифицировать значительную эрозию или осаждение.

Преимущества дистанционного зондирования при мониторинге эрозии

Переход к дистанционному зондированию обусловлен явными преимуществами по сравнению с традиционными методами. Покрытие большой площади означает, что одна спутниковая сцена может охватывать тысячи квадратных километров, позволяя проводить оценки регионального или национального масштаба. Частый сбор данных — спутники пересматривают некоторые районы каждые несколько дней — позволяет отслеживать в режиме реального времени после штормовых событий, что имеет решающее значение для реагирования на чрезвычайные ситуации и своевременного обслуживания мер контроля. Экономическая эффективность становится очевидной по сравнению с наземными обследованиями: полевые экипажи могут собирать только часть ландшафта, в то время как дистанционное зондирование обеспечивает данные с высокой стоимостью на единицу площади. Изображения высокого разрешения (подметр от беспилотных летательных аппаратов или коммерческих спутников) конкурирует с деталями полевых наблюдений и может захватывать мелкие функции, такие как риллианты, небольшие террасы и геотекстильные края.

Кроме того, архивы дистанционного зондирования обеспечивают исторические исходные данные. Снимки Landsat, датируемые 1970-ми годами, позволяют анализировать темпы эрозии и измерять эффективность контроля в течение десятилетий — временная перспектива, недостижимая при наземном мониторинге. Эти данные позволяют землеустроителям принимать научно обоснованные решения о том, куда инвестировать в контроль эрозии и как адаптировать стратегии в условиях изменения климата.

Проблемы и ограничения

Несмотря на свою мощь, дистанционное зондирование не лишено ограничений. Облачная крышка может затенять оптические спутниковые изображения в течение длительных периодов времени, особенно в тропических и горных регионах. Данные SAR требуют специализированной обработки и интерпретации. Пространственное разрешение По-прежнему является компромиссом: данные с высоким разрешением дороги и охватывают меньшие области, в то время как датчики с умеренным разрешением (например, Landsat) могут пропустить мелкомасштабные функции эрозии или отдельные структуры управления. Сложность обработки данных требует опыта в геопространственном анализе, спектральной калибровке и алгоритмах обнаружения изменений. Наземная выверка по-прежнему необходима — измерения дистанционного зондирования должны быть проверены с полевыми данными для обеспечения точности. Например, значения NDVI могут быть проверены атмосферными