В 2024 году в Алтайском заповеднике выполнено рекогносцировочное картирование высшей водной и прибрежно-водной растительности Камгинского залива в районе устья реки Камга. Надводная часть данных работ включала дистанционную съёмку с применением квадрокоптера с последующей фотограмметрической обработкой полученных снимков, подводная – батиметрическую съемку эхолотом; ботанический блок работ – составление полных геоботанических описаний и геопривязку контуров растительности.
На основании 197 аэрофотоснимков получен ортофотоплан Камгинского залива; с использованием 25 полных геоботанических описаний и 200 гидроботанических точек верификации и визуального дешифрирования в QGIS отрисованы основные контуры водной и прибрежно-водной растительности.
Показано, что на обследованном участке прибрежно-водной растительностью занято 149328 м2, водной – не менее 64397 м2, что составляет 15,8% от площади литорали глубиной до 5 м. Преимущественно фрагментарный характер зарастания свидетельствует о динамичности растительного покрова залива в связи с активными переформированиями дельты реки Камга.
ВВЕДЕНИЕ
Водная и прибрежно-водная растительность – средообразующий компонент и индикатор состояния водных экосистем, активно участвующий в процессе самоочищения водоемов, и являющийся источником пропитания для многих животных – обитателей Алтайского природного биосферного заповедника, в связи с чем необходимость мониторинга состояния водной и прибрежно-водной растительности озеро Телецкое не вызывает сомнений. Однако картирование водной и прибрежно-водной растительности озера до настоящего времени никем не проводилось. Цель данной работы - отработка методики дистанционного зондирования водной и прибрежно-водной растительности заливов и составления картосхем растительного покрова устьевых участков притоков Телецкого озера на примере Камгинского залива.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В 2024 году выполнено рекогносцировочное картирование высшей водной и прибрежно-водной растительности и морфометрии мелководья Камгинского залива в районе устья реки Камга. Исследованный участок находится на территории Алтайского заповедника, в административном отношении – в Турочакском районе Республики Алтай. Надводная часть данных работ включала съемку с БПЛА с последующей фотограмметрической обработкой полученных снимков, подводная – батиметрическую съемку эхолотом, ботанический блок работ – составление полных геоботанических описаний и геопривязку контуров растительности.
Дистанционное зондирование.
25 сентября и 7 октября 2024 года было выполнено картирование мелководья Камгинского залива в районе устья реки Камга с использованием БПЛА DJI Matrice 30T. 25 сентября съемка осуществлялась с высоты 250 м над уровнем поверхности земли. Получено 197 снимков в надир (съемка камерой, повернутой вниз на 90 градусов к горизонту) с перекрытием 70-80%, покрывающие общую площадь 1,4 км2. Средний размер пикселя информации для камеры данной модели БПЛА на поверхности земли при данной высоте полета составил 8.4 см. Уровень поверхности воды Телецкого озера по
данным гидропоста Росгидромета в с. Яйлю на день данной съемки зафиксирован на отметке 434,11 м БС [Уровень воды…, 2024].
7 октября съемка с БПЛА была проведена с высоты 200 м над уровнем поверхности земли. В результате данной съемки получено 279 снимков в «надир» с перекрытием 70-80%, общей площадью покрытия 1,2 км2. Средний размер пикселя информации для камеры данного дрона на поверхности земли при данной высоте полета составил 7 см. Уровень поверхности воды озера по данным гидропоста Росгидромета в с. Яйлю в этот день составил 433,94 м БС [Уровень воды…, 2024].
Фотограмметрическая обработка
полученных наборов снимков с БПЛА проводилась в программе с открытым исходным кодом Open Drone Map (ODM) [Open Drone Map, 2024]. В целях получения цифровых 2D-3D продуктов с максимально возможной для условий
проведения работ пространственной точностью 7 октября в период проведения съемочных работ с БПЛА был выполнен также комплекс геодезических изысканий. Для получения точных высотных отметок центров опознавательных знаков также было выполнено нивелирование (определение превышения) данных точек над уровнем поверхности воды Телецкого озера. Уровень озера в данном случае принимается одинаковым и известным по данным гидропоста в с. Яйлю.
Батиметрические исследования
проводились 20-21 августа 2024 г. с помощью эхолота Lowerance LMS-480, совмещенный с навигационным GPS-приемником повышенной точности. Уровень поверхности воды Телецкого озера в эти дни по данным гидропоста сети Росгидромета в с. Яйлю составил 222 см над нулем поста [Уровень воды…, 2024] или 434,07 м в Балтийской высотной системе отсчета. Таким образом, уровень поверхности воды в период проведения батиметрических промеров был близок к значению среднемноголетнего уровня Телецкого озера (434 м) [Селегей и др., 2001].
Исследования высшей водной и прибрежно-водной растительности
проводились 20-21 августа 2024 г. Маршрутным методом с использованием надувной лодки и пешими переходами была обследована основная часть акватории залива р. Камга Телецкого озера и прилегающие территории суши. В ходе работ использовались гидроботанические грабелькикошки, портативный навигатор Garmin еTrex Vista с GPS приемником. Было выполнено 25 полных геоботанических описаний, собрано 92 гербарных листа водных и прибрежноводных растений, отбито около 200 точек с отметками глубины и состояния растительного покрова (рисунок 3). Для определения растений использовался стереоскопический микроскоп Альтами ПС0745-Т с фотокамерой. Идентификация сосудистых растений проводилась по определителям [Лисицына, Папченков, 2000; Определитель…, 2020]. Контуры сообществ дешифрировались визуальным способом по полученным в результате съемки с БПЛА ортофотопланам, идентифицировались исходя из геоботанических описаний в соответствующих точках и заносились в пространственную базу данных как полигоны проективного покрытия растительности, как правило, более 20%, с помощью ГИС с открытым
исходным кодом QGIS.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Дистанционное зондирование.
Посредством выполненных геодезических работ определены планово-высотные координаты в пространстве центров опознавательных знаков с
точностью до единиц сантиметров. Сопоставив эти координаты с координатами пикселей центров опознавательных знаков видимых на полученных в процессе аэрофотосъемки снимках и введя эту информацию в качестве наземных контрольных точек в расчеты программы ODM, получен уточненный до точности единиц сантиметров ортофотоплан снимаемого участка в аэрофотосъемке от 7 октября (рисунок 4).
Особенности морфометрии устья р. Камга
Долина р. Камга имеет тектоническое происхождение, находится в тектоническом погружении – грабене, связанным со сложно построенным грабеном Телецкого озера, который является одним из основных неотектонических структур Горного Алтая, формирование которого связано с реактивацией позднепалеозойских зон разломов. Полученные данные комплексного надводно-подводного зондирования позволили уточнить пространственную форму такой динамичной системы, как дельта реки Камга на момент проведения съемки. Русло реки в устьевой части распадается на ряд проток (с небольшими тенденциями к меандрированию), которые, по всей видимости, активно функционируют в паводковый период, а в меженный имеют фильтрационный характер питания и временами напрямую не связаны с основным руслом реки. Деформации формы дельты реки Камга обусловлены как гидродинамическими особенностями руслового потока собственно реки, так и воздействием волновых явлений озера. Деформации дельты носят как эволюционный, так и революционный характер (как например в 2014 году в результате мощного паводка). Также активно проявляется сезонная динамика руслового потока реки Камга (накопление в дельте реки влекомых и взвешенных наносов вмеженный период и их смыв в котловину озера в период половодья). Понимание полной картины морфодинамики мелководья дельты реки Камга требует более детальных исследований (в том числе методами компьютерного моделирования гидро- морфодинамических процессов).
Растительность.
Сообщества высшей водной и прибрежно-водной растительности в значительной мере испытывают на себе влияние динамичных переформирований дельты реки Камга. Периодический вынос русловыми потоками части аллювия и переотложение слоев влекомых наносов обуславливают динамичность растительного покрова залива и преимущественно фрагментарный характер зарастания залива. Сплошное зарастание водной растительностью наблюдается в северо-западной части залива, по-видимому, в меньшей степени промываемой в половодье.
Данные гидроботанических исследований показали, что в целом растительность залива р. Камга в многолетнем аспекте сохраняет общие черты. На этом устьевом участке с разнотипными грунтами так же, как и предыдущие годы исследований (2021, 2022), наибольшие массивы зарослей прибрежно-водной растительности формировали осока острая Carex acuta L. и болотница болотная Eleocharis palustris (L.) Roem. & Schult. Отмечены были заросли хвоща приречного Equisetum fluviatile L. Из водных растений значительные по площади сообщества на глубинах 1,5-2 м формировал рдест теблеобъемлющий Potamogeton perfoliatus, а на мелководных участках с глубиной 0,3-0,5 м – рдест злаковый Potamogeton gramineus L. и лютик волосолистный Ranunculus trichophyllus Chaix. Отмечены заросли рдестов альпийского Potamogeton alpinus Balb. и длиннейшего P. praelongus Wulfen, а также стрелолиста плавающего Sagittaria natans Pall.
На рисунке 6 приведены результаты выделения контуров нескольких типов растительных сообществ. Выделенные контуры сообществ позволяют оценить площади, покрытые различными типами сообществ (таблица 1).
Прибрежно-водная растительность по результатам нашей оценки занимает 149328 м2. Из нашего опыта картирования растительности при помощи аэрофотосъемки с БПЛА следует, что на аэрофотоснимках хорошо визуализируются и отличаются от всех других контуров мезокомплексы прибрежно-водной растительности с преобладанием осоки острой.
Также хорошо видны контуры высоких погруженных гидрофитов – рдестов Potamogeton perfoliatus и P. praelongus, неразличимых, однако, между собой визуально. Визуализируются также микробиальные пленки, которые были зарегистрированы на фотографиях дайверов в заливе р. Камга в 2023 г. на глубинах до 5 м (Киприянова и др., 2024). Хорошо выделялись осенью ценозы Sagittaria natans – макрофита с плавающими листьями. На мелководьях с
глубинами около 0,5-1 м также отлично визуализируются на фоне дна, но плохо различимы между собой группировки Potamogeton alpinus, Ranunculus trichophyllus и группировки из низкорослых вегетирующих растений Potamogeton perfoliatus. В связи с этим представляется необходимым практиковать более подробную верификацию полученных с помощью аэрофотосъемки контуров, а количество реперных точек требуется увеличить, чтобы получить более подробную и достоверную картину зарастания по конкретным типам сообществ. В случае же, если требуется оценить общую площадь зарастания водной растительностью, по-видимому, несложно будет в будущем использовать автоматические методы распознавания.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Отработана методика дистанционного зондирования с применением БПЛА водной и прибрежно-водной растительности заливов и составления картосхем растительного покрова устьевых участков притоков Телецкого озера на примере Камгинского залива. Выявлено, что в условиях литорали олиготрофного водоема контуры сообществ водной растительности
хорошо визуализируются на фоне дна, однако для погруженной растительности четкие визуальные различия даже между монодоминантными сообществами различных видов не обнаружены. Воздушно-водная растительность дифференцируется более явно. В случае если требуется оценка площади зарастания конкретными типами сообществ, необходимо практиковать более подробную верификацию полученных с помощью аэрофотосъемки контуров.
В целом, применение геодезических методов в совокупности с методами фотограмметрической обработки получаемых с использованием БПЛА снимков многократно повышает пространственную точность картографической информации (десятки сантиметров против 8–15 метров точности картирования по данным навигаторов в горных условиях). С учетом необходимости значительной постобработки снимков квалифицированным специалистом, экономия трудозатрат не очевидна, можно говорить только об экономии временных трудозатрат в полевых условиях, а также в связи с этим об уменьшении влияния фактора беспокойства на крупных млекопитающих в условиях заповедника.
Опыт исследований участка мелководья Камгинского залива и устья реки Камга методами аэрофотосъемки с БПЛА в целом показал приемлемость данного метода и для морфометрических работ, а также перспективность в использовании в комплексе с батиметрическими работами. В процессе работы выявились также сложности, связанные со значительными градиентами высот местности на данном участке, что усложняет построение данными методами трехмерной модели форм рельефа на этом участке. Также наличие обширного пространства достаточно прозрачной воды (жидкой фазы вещества со свойствами рефракции на границе с атмосферой), с одной стороны, в сочетании с батиметрией эхолотом, помогает в анализе подводных форм рельефа, а, с другой стороны, вносит значительную сложность в применение прямых методов фотограмметрии при обработке наборов снимков с БПЛА на данном участке.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование выполнено в рамках государственных заданий Министерства науки и высшего образования Российской Федерации Института водных и экологических проблем СО РАН 0306-2021-0001 «Исследование разнообразия и структурно-функциональной организации водных экосистем для сохранения и рационального использования водных и биологических ресурсов Западной Сибири» и 0306-2021-0002 «Изучение механизмов природных и
антропогенных изменений количества и качества водных ресурсов Сибири с использованием гидрологических моделей и информационных технологий».
Работа выполнена с использованием научного оборудования ЦКП научно-исследовательскими судами ИВЭП СО РАН.
*Публикуется по материалам статьи - Киприянова Л. М., Дьяченко А. В., Воробьев Р. И. Опыт картирования растительности Камгинского залива Телецкого озера в 2024 г. с применением беспилотного летательного аппарата // ПОЛЕВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В АЛТАЙСКОМ БИОСФЕРНОМ ЗАПОВЕДНИКЕ. – Вып. 7 / под ред. Т. А. Бекетовой. – Горно-Алтайск: ФГБУ «Алтайский государственный заповедник», 2025. – 168 с.