Проведение комплексных полевых исследований труднодоступных территорий всегда было связано со значительными материальными и трудовыми издержками. Поэтому в настоящее время наряду с полевыми исследованиями широко применяются методы дистанционного зондирования Земли и ГИС-технологий.
Изучение ландшафтной структуры окрестностей оз. Лабынкыр заслуживает особого внимания. Озеро имеет природную и культурно-историческую ценность, включено в реестр особо охраняемых природных территорий. Информация, полученная в ходе комплексных ландшафтных исследований, универсальна и может быть использована при проведении экологического мониторинга с целью сохранения уникального оз. Лабынкыр в естественном состоянии.
Озеро Лабынкыр расположено в юго-восточной части республики Саха (Якутия) на юге Оймяконского плоскогорья. Эту территорию часто называют плато Сордоннох. Расположено между хребтами Сунтар-Хаята и Тас-Кыстабыт, в бассейне верхнего течения р. Индигирка. Озеро Лабынкыр имеет ледниково-тектоническое происхождение и расположено в одноименной впадине, глубина, по некоторым сведениям, достигает 78 м. Озеро проточное, из него впадает и затем вытекает река Лабынкыр, урез воды 1011 м. Впадина окружена низковысотными увалами, имеющими среднюю высоту 200–300 м, переходящими на южной окраине озера в среднегорные массивы высотой до 1500–1600 м.
Ведущая роль в создании крупных морфоструктур принадлежит неотектоническим поднятиям, в связи с чем наибольшую площадь в районе исследования занимает выработанный рельеф, сформировавший горные массивы. Вторая генетическая категория – аккумулятивный рельеф – формируется в пределах долин и межгорных впадин. Во впадинах преобладает речная и озерно-речная аккумуляция, в горах и предгорьях – ледниковая [1].
На исследуемой территории существенное влияние на морфологию долин оказали два горно-долинных оледенения: юглерское и хетакагчанское [1]. Экзарационной деятельностью ледников образованы, в частности, днища и плечи троговых долин. Наиболее ярко это выражено в верхнем течении (до впадения в озеро) одноименной реки. Аккумуляционный рельеф сформирован в долинах рек и ручьев (аллювиальные отложения) и в самой Лабынкырской впадине, где преобладают моренные и водно-ледниковые отложения.
Ледниковые (морены), гравитационно-склоновые и разнообразные фации криолитогенных отложений сложены преимущественно сильнометаморфизованными кремнистыми алевролитами и роговиками, реже – гранитоидами и метасоматитами. Устойчивость к истиранию широко развитых здесь кремнистых пород определила наличие в этом районе большого числа обработанных ледниками скальных морфоскульптур: коренные выходы днища долины; ригели; отполированные ледником и практически лишенные обломочного чехла борта долины (экзарационные полосы); пропиленные в коренных породах каналы ледникового стока [2]. В днищах котловин и долин накопилось достаточное количество валунно-галечного материала с суглинистым, супесчаным и песчаным заполнителем, в понижениях – суглинки, супеси, местами с торфяным покровом [3].
Повсеместно развита многолетняя мерзлота, что определяет наличие термокарстового рельефа, криогенно-эрозионных и солифлюкционных процессов.
В нижней части склонов преобладают ландшафты низкорослого лиственничного редколесья, сильно заболоченного; на южном склоне фрагментарно встречаются участки степных ландшафтов; выше 1200 м – ландшафты горной тундры. В пределах Лабынкырской впадины доминирующими типами являются мерзлотные торфяные, мерзлотные дерново-, перегнойно- и торфяно-глеевые почвы [4]. Особый колорит горам Северо-Востока придают заросли кедрового стланика и березы Миддендорфа в верхней части подгольцового пояса и особый комплекс горно-пойменной растительности с чозенией крупночешуйчатой, крупными ивами: аляскинской, Шверина, боганидской и колосниковыми лугами [4, 5]. С ландшафтной точки зрения это Сунтар-Хаятинская среднегорная провинция Северо-Восточносибирской физико-географической страны [6].
Цель исследования – проанализировать ландшафтную структуру окрестностей озера Лабынкыр с использованием многозональных снимков. Определить вегетационные индексы, их сочетание с цифровой моделью рельефа, крутизной склонов и других косвенных характеристик для наиболее достоверной визуализации выделов, полученных при полевых исследованиях.
Материалы и методы исследования
Для выявления пространственной структуры ландшафтов горных территорий окрестностей озера Лабынкыр на уровне типов местности, были проанализированы находящиеся в открытом доступе, снимки миссий Sentinel и Landsat, имеющие широкий спектральный диапазон и проведены полевые исследования на ключевых участках исследуемой территории.
Полевой метод исследования заключался в сборе полевых материалов и комплексном описании ключевых участков (рис. 1). Затем результаты полевых наблюдений распространялись на всю картографируемую территорию методами аналогов.
В дополнение к полевым методам исследований был сделан упор на использование данных дистанционного зондирования с разрешением 10–30 м. спутников Sentinel-2, с уровнем обработки 2B, загруженные с платформы Sci-Hub и Landsat-8 американского космического агентства, данные с обоих спутников датируются 20 июня 2023 г., что совпадает с датой полевых исследований.
Рис. 1. Полевые ландшафтные исследования, оз. Лабынкыр (фото автора)
Одним из способов выявления контуров ландшафтов является совокупное использование цифровой модели рельефа, карты крутизны склонов и вегетационных индексов – весь этот набор разносторонних данных широкого спектрального диапазона позволяет проводить картографирование в достаточно крупном масштабе. Методика основана на опыте исследования схожих по труднодоступности территорий [7, 8] и использует калькулятор растров ПО «QGIS» в совокупности с данными о крутизне склонов, полученных с помощью цифровой модели. Помимо этого авторами были применены вегетационные индексы NDVI, TVI, NRVI, MTVI2, MSAVI2.
NDVI (Нормализованный индекс разницы растительности) широко используется во многих работах [9–11], рассчитывает объем растительности путем количественного определения разницы между NIR (инфракрасным), который сильно отражается растительностью, и R (красным), который, напротив, поглощается растительностью, используя следующую формулу:
(1)
NRVI (Нормализованное соотношение индекса растительности) – это нормализованная версия RVI (2), (3), преимущество данного индекса заключается в сведении к минимуму влияния топографии, атмосферы и количества света. Подобно NDVI, высокие значения характерны для густой здоровой растительности, тогда как низкие – для почвы и льда, что особенно полезно в условиях сурового климата, когда даже в летнее время наблюдается лед в прибрежных участках.
, (2)
. (3)
MSAVI2 (Модифицированный индекс растительности с коррекцией по почве – 2). Данный индекс (5) является модифицированной версией SAVI (4) и создан для минимизирования влияния яркости почвы с помощью коэффициента коррекции этой самой почвы. Выбран он был в связи с тем, что в горной и предгорной местности покров может быть разрежен и фактор почвы может оказывать помеху.
, (4)
, (5)
где L = [0;1], L = 0 для наибольшего индекса облиствения, L = 1 для наименьшего, оптимальное значение L = 0.5.
При его вычислении используется итеративный процесс, и 1-MSAVI(n-1) подставляется вместо фактора L в формулу подсчета MSAVI(n). Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет выполнено условие
MSAVI(n-1) = MSAVI(n).
TVI (Трансформированный вегетационный индекс). Уменьшает почвенный шум, ценой уменьшения динамического диапазона индекса, он немного менее чувствителен к изменению растительного покрова, чем NDVI, что в конечном итоге может быть лучше для картографических результатов. Получается данный индекс из квадратного корня от NDVI:
. (6)
MTVI2 (Модифицированный треугольный индекс растительности – улучшенный) – комбинация спектральных полос, используемый для оценки индекса площади листа, по следующей формуле:
. (7)
Индекс MTVI2 очень чувствителен к изменениям структуры листьев и кроны, уменьшение значения индекса свидетельствует о меньшем соотношении площади листьев к площади земли, тогда как увеличение свидетельствует о разрастании кроны дерева [12].
Рис. 2. Цифровая модель рельефа Источник: составлено авторами
Но для более высокого качества классификации также необходима обязательная поправка на рельеф и температуру поверхности. Для чего на основе термальных инфракрасных каналов спутника Landsat-8 создается карта приповерхностных температур как опора, так как температура – очень важный элемент режима растительных ассоциаций. Также в ходе работ на основе гидрологически скорректированной MERIT DEM [13] была построена цифровая модель рельефа (рис. 2) и рассчитана крутизна склонов с помощью соответствующего инструмента, что является фундаментальным материалом для многих физико-географических исследований, так как зачастую рельеф местности является решающим фактором в установлении режима влажности и температуры и, следовательно, типов местности.
Следующим шагом было вычисление индекса различий увлажненности (NDMI) создание карты температуры земной поверхности. Стандартизованный индекс различий увлажненности (NDMI) чувствителен к уровню влажности в растительности, рассчитывается как соотношение между NIR и SWIR:
, (8)
где NIR – ближний инфракрасный, а SWIR – коротковолновый инфракрасный диапазоны.
Выбор представленных вегетационных индексов мотивирован целью исследования и общими географическими условиями региона. Исследование продемонстрировало применимость QGIS и IDRISI для мониторинга окружающей среды. В частности, была представлена визуализация различных индексов с помощью мультиспектральных снимков Sentinel-2. Спутниковые изображения, показывающие различные условия растительности (горная, покрытая льдом, песчаная и каменистая местность, леса, прибрежные районы), охватывающие окружающую территорию оз. Лабынкыр, были обработаны для тестирования пяти ВИ: NDVI, NRVI, TVI, MTVI и MSAVI2. Эти индексы сравнивались на предмет изменений их чувствительности к условиям растительности.
В итоге было выбрано совместное использование индексов NDVI и MTVI2 в совокупности с картой крутизны склонов, индексом различий увлажненности и картой приповерхностных температур. Весь этот набор данных должен позволить совершить наиболее достоверное картирование типов ландшафтов окрестностей оз. Лабынкыр.
Результаты исследования и их обсуждение
В общей картине выходные данные индексов NDVI и NRVI весьма схожи ввиду схожести формул, но различия есть, и их можно объяснить контрастом между полосами R и NIR для растительности в обоих индексах (рис. 3), а именно тем, что канал, использующий NIR, больше зависит от структуры листа. NDVI – это самый доступный и универсальный индекс, который может быть использован практически при любых условиях. Полученные значения имеют диапазон от -1 до 0,64. Заснеженные территории и покрытые льдом водоемы имеют самые низкие значения, в то время как высокие значения указывают на густой полог. В случае NRVI высокие значения индекса вызваны сочетанием значений отражательной способности: низкий R (хлорофилл) и высокий NIR (структура листа).
Вегетационные индексы MSAVI2, TVI, MTVI2 также имеют свои особенности (рис. 4). Результаты расчетов MSAVI2 показывают набор данных в диапазоне от 0,49 до 1,36. Столь небольшой диапазон данных можно объяснить спецификой алгоритма: коэффициент корректировки почвы зависит от густоты растительности, следовательно, чем выше плотность, тем выше фактические значения. Преимущества данного индекса заключаются в более отчетливом выделении растительности в местах низкой плотности зеленого покрова, что особенно заметно в горных частях и при высокой крутизне склона. Результаты расчетов TVI показывают диапазон данных от 0,47 до 0,98, результаты крайне схожи с NDVI, но его отличие заключается в более детальном выделении вершин горных участков, что особенно заметно на юго-востоке исследуемой территории. Индекс MTVI2 оказался более информативным – он очень чувствителен к изменениям структуры листьев и кроны, как можно увидеть на моренных ландшафтах, индекс показывает относительно меньшие значения. Отсюда следует, что уменьшение значения индекса свидетельствует о меньшем соотношении площади листьев к площади земли, тогда как увеличение свидетельствует о разрастании кроны дерева. Так как индекс MTVI2 устойчив к влиянию почв и изменению концентрации фотосинтетических пигментов [14], места с низкими значениями (более белые) имеют низкое соотношение растительности к площади, места с высокими значениями (синие) – высокое соотношение растительности к площади, красный цвет означает крайне малое количество растительности или вовсе ее отсутствие.
Рис. 3. Вегетационные индексы NDVI и NRVI Источник: составлено авторами
Рис. 4. Вегетационные индексы MSAVI2, TVI, MTVI2 Источник: составлено авторами
Рис. 5. Типы местности района исследования
Условные обозначения типов местности:
I – склоновый делювиально-солифлюкционный, II – склоновый делювиально-коллювиальный, III – моренный (предгорный моренный), IV – горно-долинный, V – ледниково-долинный, VI – водные объекты Источник: составлено авторами
В целом представленные вегетационные индексы продемонстрировали численную корреляцию с распределением и площадями растительности. Между ними наблюдались различия в отношении каменистых участков, лугов и отдельных лесных районов. Индексы NRVI и TVI имеют слишком мало отличий от универсального NDVI, и их преимущества лежат в другой плоскости от целей исследования. Индексы MSAVI2 и MTVI2 показали определенный результат. MTVI2 дает возможность более детально определить контуры типов местности, MSAVI2, опираясь на цвет и влажность почв и грунтов, помогает оценить состояние растительности и сопоставить с полученными результатами при полевых исследованиях.
Проведение натурных обследований территории и изучение прибрежных территорий оз. Лабынкыр дистанционными методами позволило выявить закономерности пространственной дифференциации ландшафтов (рис. 5).
На исследуемой территории выражены 5 типов местности.
Моренный (предгорный моренный) тип местности занимает наибольшие территории на рассматриваемой территории. В основании лежат ледниковые отложения (g III) полупокровного оледенения. Представлены они в основном суглинками с глыбами, валунами и щебнем, песками с галькой, которые маломощным чехлом (до 20 м) покрывают водоразделы и пологие склоны бортов долин. На валунах и глыбах отчетливо видны следы ледниковой препарации. Нередко встречаются линзовидные прослойки дресвянисто-гравелистых песков. В рельефе занимают холмисто-увалистые поверхности подгорных ледниково-аккумулятивных шлейфов, распространены на древних денудационных поверхностях с абсолютными отметками 1500–2000 м и 900–1200 м. В нижних частях шлейфов преобладает валунно-галечный материал с суглинистым, супесчаным и песчаным заполнителем, в понижениях – суглинки, супеси, местами с торфяным покровом [3].
Большей частью это слабовсхолмленные поверхности с озерами и котловинами, характерные для наиболее широко распространенных моренных отложений юглерского горно-долинного оледенения. Эти поверхности расчленены густой сетью мелких ложбин и промоин, образованных временными водотоками. Валы конечных и боковых морен этого оледенения подвергнуты значительной денудации. Менее распространен рельеф ледниковых образований хетакагчанского оледенения, морены которого от юглерских отличаются лучшей сохранностью, большей всхолмленностью, хорошо сохранившимися формами валов конечных морен [1]. Размеры валов колеблются до 0,5×2 км, высота достигает 10–15 м. С внешней стороны они крутые и имеют прямой профиль, а с внутренней – выположенные, вогнутые. Валы боковых морен сохранились вдоль склонов. Наиболее крупные из них протягиваются на 1,5–2 км и имеют высоту до 5–7 м [1]. Нередко морены подпруживают озера. Вероятно, морена частично подпрудила и оз. Лабынкыр с северо-западной стороны его северной оконечности. Здесь ее мощность достигает 60 м.
Растительность в верхней части склонов представлена горными тундрами и кустарничково-зеленомошно-лишайниковыми зарослями на горнотундровых перегнойно-глеевых и глееватых почвах. На более низком уровне преобладают лиственничные редколесья: на дренированных участках кустарничково-лишайниковые, в пониженных – ерниковые кустарничково-зеленомошные и сфагновые в сочетании с ерниками. Под ними сформировались мерзлотные северотаежные перегнойно-глеевые почвы в сочетании с торфянисто- и торфяно-болотными по понижениям.
Склоновый делювиально-солифлюкционный тип местности сформировался на подножьях увалов, окружающих озерную котловину, представляющих собой полого-волнистые склоны. Они заняты лиственничными редколесьями ерниковыми бруснично-лишайниковыми в сочетании с кустарничково-лишайниково-зеленомошными зарослями на горных мерзлотных северотаежных типичных, местами оглеенных почвах на щебнистых супесях и суглинках. Также развиты холмисто-увалистые поверхности подгорных ледниково-аккумулятивных шлейфов. Растительность представлена лиственничными редколесьями, на возвышенных участках кустарничково-лишайниковыми, в пониженных – ерниковыми кустарничково-зеленомошными и сфагновыми в сочетании с ерниками. Под ними сформировались мерзлотные северотаежные перегнойно-глеевые в сочетании с торфянисто- и торфяно-болотными почвами.
Выше по склону развиты осыпные и солифлюкционные склоны крутизной 15–20° с лиственничными рединами лишайниковыми, переходящими в заросли кедрового стланика, и горные тундры кустарничково-зеленомошно-лишайниковые. Почвы преимущественно горнотундровые перегнойно-глеевые и глееватые [4].
На склонах южной экспозиции фрагментарно встречаются остепненные участки. В их травостое преобладают злаки: типчак (Festuca lenensis), тонконог (Koeleria gracilis), овсец (Helictotrichon krylovii), мятлик (Poa dahurica), ковыли, осоки (Carex duriuscula и С. korshinskyi), кобрезия (Kobresia filifolia) и довольно богатое разнотравье из полыни (Artemisia), вероники (Veronica), прострела (Pulsatilla), лапчаток (Potentilla), зонтичных [4].
По своему облику степные участки области напоминают степи Центральной Якутии: в середине лета они также выгорают и приобретают безжизненный вид. По мнению ботаников, степные растения появились здесь в ксеротермический период и сохранились до настоящего времени благодаря условиям сухого и достаточно теплого лета. Интересно, что степные сообщества нередко встречаются в совершенно чуждой для них обстановке, например рядом с зарослями кедрового стланика или небольшого болотца, прикрепившегося на пологом склоне [4].
В засушливых условиях содержание влаги в почве является основным фактором, определяющим состав, строение и распределение луговых ценозов по элементам рельефа, а также и их продуктивность. Несмотря на небольшое количество осадков, здесь широко развиты заболоченные, избыточно увлажненные луга, что связано с плохим дренажем, развитием мохового покрова, а также с близким залеганием к поверхности водонепроницаемого мерзлого грунта [4, 15].
Склоновый делювиально-коллювиальный тип местности развит на среднегорных массивах в южной части котловины. Высоты здесь достигают до 1400–1600 м, склоны преимущественно достаточно крутые (до 30–40°), выпуклые или прямые и покрыты крупноглыбовыми осыпями, расчленены V-образными распадками с крутым, нередко ступенчатым продольным профилем с глубоким эрозионным врезом, с водопадами высотой до первых метров. Местами встречаются отпрепарированные массивы интрузий, вершинные поверхности которых сглаженные, широкие, уплощенные. Они также покрыты крупноглыбовыми осыпями, в нижней трети залесены, осложнены мерзлотно-нивационными формами гольцовой планации – нагорными террасами и курумами и увенчаны, как и вершинные поверхности, денудационными останцами причудливых очертаний – кисиляхами [1]. Эрозионная расчлененность умеренная.
Растительность представлена преимущественно зарослями кедрового стланика кустарничково-лишайниковыми и мертвопокровными; лишайниковыми и кустарничковыми горными тундрами. Под ними формируются подбуры тундровые оподзоленные, сильно-щебнистые смытые; местами горно-гольцовые. Материнскими породами служат глыбово-щебнистые отложения, местами с большим содержанием мелкозема. Распространены курумы, в затененных местах встречаются перелетовывающие снежники.
Ледниково-долинный тип местности занимает днища троговых долин. Является интразональным типом горно-тундрового ландшафта сплошного распространения многолетнемерзлых пород с подрусловыми таликами.
На рассматриваемой территории – это долина р. Лабынкыр до впадения ее в озеро, участки верхнего течения ручьев Лабынкырский и Загорный. Представляют собой типичные троговые долины с плоским или полого-вогнутым, достаточно широким днищем и крутыми вогнутыми в нижней части склонами. Следы ледниковой экзарации выражены бороздами, углублениями и пришлифовкой выступов пород [1].
Продольный профиль долин имеет ступенчатую форму, обусловленную чередованием переуглубленных участков – бассейнов выпахивания, которые служат ваннами озер или местами расширения долин с наледями [1].
Лабынкырская котловина представляет собой тектоническое образование, обработанное древними ледниками.
Поверхностные отложения представлены валунно-галечным материалом с суглинистым, супесчаным и песчаным заполнителем, в понижениях – суглинки, супеси, местами с торфяным покровом [3]. Распространены мерзлотные пойменные торфянисто- и торфяно-болотные почвы. Растительность представлена заболоченными тундрами пушицево-моховыми кочкарными и ерниковыми, ерниково-ивняковыми зеленомошными. На надпойменных террасах и останцах произрастают тополевники, непосредственно возле русел – заросли чозении. Места расширения долин, как правило, заняты наледями, растаивающими лишь к середине июля. Значительные площади заняты каменистыми галечниковыми россыпями.
Горно-долинный тип местности занимает днища морфологически выраженных горных рек и ручьев. Ширина долины зависит от их принадлежности различным морфоструктурам.
В верхних частях долины характеризуются глубоким врезом и отсутствием террасированности, их поперечный профиль V-образный. Продольный профиль вогнутый, нередко порожистый. Склоны крутые, осыпные или обрывистые. Современный аллювий плохо сортированный, преобладает глыбистая и крупновалунная структура. Почвы и растительный покров слаборазвиты, характеризуются фрагментарностью распространения.
В средней и нижней частях долины расширяются, появляются поймы и одна-две террасы. Низкие поймы представляют собой галечниковые пляжи, практически лишенные растительности и почв. Они постоянно подвергаются затоплению не только в период снеготаяния, но и при обильных дождях. Значительные площади заняты наледями. Средний и высокий уровни пойм заняты современным аллювием, представленным песчано-галечниковым материалом с валунами и гравием. Верхние горизонты разреза слагают супеси и суглинки, нередко перекрытые торфяными отложениями. Мощность аллювия изменяется от первых до нескольких десятков метров. В понижениях и тыловой части кос, в местах затишья вследствие накопления мелкозема формируются маломощные пойменные слоистые почвы, на которых поселяются различные виды ив, наиболее распространена чозения. Более повышенные участки занимают древовидные ивы, тополь и березы. На незатопляемых поверхностях террас и склонах долин, в зависимости от высоты, появляется типичная горно-таежная или горно-тундровая растительность. На хорошо дренируемых участках, преимущественно южной экспозиции могут развиваться степные сообщества. Выположенные участки заняты заболоченными лугами или болотами.
Заключение
В результате ландшафтного анализа окрестностей оз. Лабынкыр было описано значительное количество локальных природно-территориальных комплексов и определены 5 типов местности: моренный (предгорный моренный), склоновый делювиально-солифлюкционный, склоновый делювиально-коллювиальный, ледниково-долинный и горно-долинный.
Совокупное использование цифровой модели рельефа, карты крутизны склонов и расчет вегетационных индексов позволили выявить закономерности пространственной дифференциации ландшафтов.
Методика выявления территориальной организации ландшафтной структуры окрестностей оз. Лабынкыр может быть использована при ландшафтных исследованиях труднодоступных территорий.