Введение. Архангельская область богата водными ресурсами. Реки относятся к бассейну Белого моря [1]. Крупными реками являются Северная Двина, Онега, Пинега, Мезень, остальные относятся к средним, малым и ручьям. Все реки равнинные со смешанным питанием. Для них характерна большая продолжительность ледостава (7-8 месяцев), высокое весеннее половодье, летнее-осенняя межень, прерываемая дождевыми паводками, и низкая зимняя межень [2].

Малые реки играют важную геоэкологическую роль в регионе, поскольку являются элементами дренажной сети, препятствуют заболачиванию и переувлажнению примыкающих к ним земель. В работе [3, с. 4] отмечается, что «для малых рек характерна большая изменчивость гидрологических характеристик (максимальных и минимальных расходов воды, многолетних и внутригодовых колебаний стока и пр.) в зависимости от физико-географических и климатических условий и объема хозяйственной деятельности человека в их бассейнах. Они быстро реагируют на все изменения в условиях формирования стока, изменяя свой гидрологический режим». Также известно, что чем меньше уклон реки, тем больше у нее изгибов. А изгибы малых рек могут представлять опасность из-за связанных с ними русловых процессов, которые влияют на инфраструктуру, экосистему и жизнь людей [4]. Накопление наносов в изгибах может привести к заилению русла – процессу, который ухудшает качество воды, снижает пропускную способность реки и может привести к деградации самого водоёма. На малых реках это особенно актуально из-за частого антропогенного воздействия: распашки земель, вырубки лесов, сброса отходов [5]. Кроме того, формирование ледовых заторов в изгибах малых рек может создавать угрозу затопления населенных пунктов [6].

В связи с этим, ведение мониторинга за состоянием малых рек является важной и актуальной региональной задачей. Данные дистанционного зондирования Земли, в современных реалиях, являются неотъемлемой частью проведения любых мониторинговых работ и исследований.

Цель исследования заключается в сопоставлении аэрофотосъемки на тестовый участок р.Ледь (Архангельская область) с данными дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), полученных с космического аппарата (КА) Ресурс-П и семейства спутников Sentinel-2 для оценки их применимости в проведении мониторинговых исследований.

Материал и методы исследования. Тестовый участок – изгиб реки Ледь (левый приток р.Ваги) со старицей в районе деревень Гришинская и Беркиевская Шенкурского района Архангельской области (рис. 1).

Рис. 1. Местоположение тестового участка на изображениях: А – с сервиса Google Earth, Б – аэрофотоснимке, В – панхроматическом с КА Ресурс-П, Г – композитном с Sentinel-2

Для исследования использовались:

- ортотрансформированное аэрофотоизображение, полученное с Геопортала Правительства Архангельской области (https://maps29.ru/). Пространственное разрешение изображения – 50 см на местности;

- панхроматический снимок с КА Ресурс-П от 27.07.2015 г. Заявленное пространственное разрешение на местности с высоты 475 км при съемке в надир в панхроматическом режиме составляет 1 м [7];

- композит из шести снимков системы Sentinel-2, полученных в период с 01.06.2025 по 31.08.2025 с применением фильтра по облачности (не более 5 %). Пространственное разрешение данного композита составляет 30 м.

Произведена оцифровка контуров отдельных естественных классов объектов (вода, отмель, старица, кусты) на аэрофотоснимке в свободно распространяемом программном продукте SAGA GIS (http://www.saga-gis.org). Те же объекты оцифровывались на данных ДЗЗ, за исключением объекта «кусты» на снимке с КА Ресурс-П, оцифровка которых не представлялась возможным из-за размытых контуров. Подсчитывались их площадные характеристики.

Далее производилось сопоставление контуров. Выделялись участки совпадения и несовпадения контуров объектов. Совпадения объектов – это перекрытие полигонов между собой. Несовпадения рассчитывались в программном обеспечении SAGA GIS модулем Symmetrical Difference (Shapes > Polygons > Overlay > Symmetrical Difference) и, по сути, представляли собой симметрическую геометрическую разность неперекрывающихся частей полигонов.

Результаты исследования и их обсуждение. Процесс образования извилин рек называется меандрированием. Следствием процесса меандрирования является формирование излучин речных русел. Излучины представляют собой наиболее распространенный вид горизонтальных русловых деформаций [8]. Вначале из-за эрозии на одном берегу и накоплении осадков на другом, появляется небольшой изгиб. Затем изгиб увеличивается, течение продолжает размывать берег, формируется меандр – явно выраженная петля. Когда петля становится слишком крутой, она обособляется в старицу, а река пробивает себе новый спрямленный путь [9]. Старицы рек – это участки прежнего русла, которые со временем превратились в отдельные бессточные водоёмы. Отличительной особенностью стариц от основного речного русла является отсутствие течения. Они могут представлять опасность из-за ряда факторов, связанных с их экологическим состоянием, гидрологическими процессами и антропогенным воздействием [10].

На рис. 2 приведены оцифрованные классы объектов на аэрофотоснимке, космоснимке с КА Ресурс-П и композите с Sentinel-2. Контуры выделенных классов имеют совпадения и несовпадения (рис. 3). Это объясняется, прежде всего, разрешением исходных материалов. Площади объектов и их разности (то есть площадные несовпадения) приведены в таблицах 1-2.

Таблица 1. Площади объектов на аэрофото- и космоснимках

Таблица 2. Разности площадей объектов между аэрофото- и космоснимками

Рис. 2. Оцифрованные объекты на аэрофотоснимке (А), космоснимках Ресурс-П (Б) и Sentinel-2 (В)

Представленная информация наглядно демонстрирует преимущество аэрофотосъемки по сравнению с данными ДЗЗ на локальных территориях. Данные с Sentinel-2 показывают лучшую сходимость результатов по сравнению с панхроматическим изображением с КА Ресурс-П.

Рис. 3. Совпадения и разности контуров объектов по данным аэрофотоснимки и ДЗЗ

Проводя сопоставление аэрофотосъемки с данными ДЗЗ при проведении исследований на локальных участках, следует учитывать следующие особенности. Во-первых, это пространственное разрешение исходных материалов. Космоснимки могут не обеспечивать детальный анализ малых рек, это следует учитывать при интерпретации данных. В то время как аэрофотосъемка, а, особенно, получившая стремительное развитие в последние десятилетия съемка с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), позволяет получать информацию с малых высот (200-1000 м) с разрешением от 1 м до 10 см [11]. Во-вторых, не все спутники обеспечивают частые наблюдения, что может затруднять мониторинг быстро меняющихся процессов. Частота и время аэрофотосъемки определяется оператором и заказчиком. В-третьих, основная проблема спектральной космической съемки – это облачность и атмосферные помехи (например, аэрозоли). Это особенно актуально для северных широт. Съемка с самолета или с БПЛА возможна под облаками. Кроме того, сложность морфологии русла и пойменной растительности также может влиять на точность измерений ширины русла и других параметров.

Тем не менее, совершенствование действующих и развитие новых принципов и методов экологического мониторинга за состоянием водных объектов в целом и малых рек в частности при различных видах антропогенного воздействия является одним из приоритетных направлений современных природоохранных мероприятий. И важным шагом на пути к эффективному решению этой задачи является использование данных дистанционного зондирования Земли [12].

Выводы. Таким образом, аэрофотосъёмка и данные ДЗЗ, в частности с КА «Ресурс-П» и системы Sentinel-2, дополняют друг друга, но применяются в разных ситуациях. Аэрофотосъёмка подходит для детального изучения небольших локальных территорий, создания топографических данных и оперативных задач, а снимки с космических аппаратов – для масштабного мониторинга, создания карт и решения задач, требующих охвата больших территорий. Выбор исходных данных зависит от конкретных задач и требований к точности данных.

Исследование проведено в рамках госзадания ИКИ РАН (тема "Мониторинг" госрегистрация № 126031818938-6)