Оценка качества состояния среды на основе расчета экологического индекса по снимкам Landsat 8

Современное производство оказывает существенное воздействие на природную среду, включая загрязнение воздуха, воды и почвы. Это воздействие проявляется в различных формах: от выбросов вредных веществ в атмосферу и водные объекты до образования отходов и изменения ландшафтов.

Выявление и оценка этого влияния являются ключевыми задачами для обеспечения экологической безопасности и устойчивого развития территорий. Неконтролируемое промышленное развитие может привести к необратимым изменениям в экосистемах, снижению биоразнообразия, ухудшению качества жизни населения и возникновению техногенных катастроф

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) предоставляет уникальные возможности для систематического и оперативного мониторинга окружающей среды на больших территориях. Это мощный инструмент, который позволяет получать информацию о состоянии природных объектов и процессов с помощью датчиков, установленных на космических аппаратах, самолетах или беспилотных летательных аппаратах. Использование спутниковых данных позволяет выявлять изменения в экосистемах, выявлять зоны загрязнений и оценивать динамику экологических процессов без необходимости дорогостоящих и временно затратных наземных исследований

В качестве исследования выбран Искитимский район Новосибирской области. Исследование Искитимского района Новосибирской области обусловлено высокой актуальностью проблемы негативного влияния промышленного производства на компоненты природной среды. Искитимский район является одним из индустриально развитых регионов Новосибирской области, где сосредоточены крупные промышленные предприятия, в том числе химической, машиностроительной и металлургической отраслей. Деятельность этих предприятий неизбежно связана с выбросами загрязняющих веществ в атмосферу, сбросами сточных вод, образованием промышленных отходов и нарушением земельного покрова. Это создает повышенную нагрузку на окружающую среду и требует пристального внимания к мониторингу экологической ситуации

Использование ДЗЗ даёт возможность не только фиксировать текущее состояние экосистем, но и прогнозировать развитие экологической ситуации, что критически важно для обеспечения экологической безопасности промышленных регионов. Анализ спутниковых данных позволяет своевременно выявлять очаги загрязнений, оценивать их масштабы и динамику, а также определять наиболее уязвимые компоненты природной среды. Такая информация является основой для разработки эффективных мер по снижению негативного воздействия промышленности и минимизации экологических рисков

Цель исследования — оценка качества состояния среды на основе расчета экологического индекса по снимкам Landsat 8.

Актуальность темы исследования обусловлена нарастающими масштабами антропогенного воздействия на окружающую среду, вызванными стремительным развитием промышленности и других сфер человеческой деятельности. Ухудшение экологической ситуации, проявляющееся в загрязнении воздуха, воды и почвы, деградации экосистем и изменении климата, представляет собой одну из наиболее острых проблем современности, требующую безотлагательного решения.

В данном исследовании используется метод на основе расчёта экологического индекса Remote Sensing Ecological Index (RSEI)

Преимущества метода RSEI:

- позволяет динамично и комплексно оценивать экологическое состояние территории;

- основан на объективных данных спутникового зондирования, что облегчает мониторинг удаленных или больших территорий;

- отражает влияние антропогенных и природных факторов;

- универсален для различных ландшафтов и климатических условий.

Каждый экологический индикатор показывает дополнительные элементы природной среды. В

Индекс растительности Normalized Difference Vegetation Index обычно используется для мониторинга роста и состояния растительного покрова

Индекс влажности представляет собой компоненту Wetness, получаемую в результате преобразования Tasseled Cap, которая отражает содержание поверхностной воды и водно-тепловой баланс

Индекс тепла представляет температура, определяемая количественно по температуре поверхности земли Land Surface Temperature

Индекс сухости в основном относится к открытой почве и застроенной территории, который может быть выражен нормализованным разностным индексом голой почвы Normalized Difference Bare Soil Index

Таким образом, экологический индекс Remote Sensing Ecological Index рассчитывается по формуле:

После расчета четырех показателей: NDVI, WET, NDBSI и LST, выполняется нормирование значений данных индексов в диапазоне от 0 до 1 и преобразование их по методу главных компонент, или Principal Component Analysis (PCA), который вносит вклад каждого индекса в первую главную компоненту.

Метод главных компонент снижает влияние неопределенности, автоматически взвешивая показатели и выделяя доминирующие факторы, влияющие на экологию.

Полученные значения индекса RSEI, которые соответствуют первой компоненте, нормируются от 0 до 1, где значения, стремящиеся к 1 соответствуют более благоприятной экологической обстановке.

Стандартизированное значение RSEI разделяют на пять уровней экологического качества среды в соответствии с рисунком 1.

Рисунок 1 - Показатели экологического качества среды

DOI:10.60797/JAE.2026.70.4.1

Открыть в полном размереСкачать рисунок

В исследовании используются данные спутника Landsat 8 за период 2013, 2016, 2024 годов, на основе которых были рассчитаны четыре показателя RSEI: Land Surface Temperature, Normalized Difference Bare Soil Index, Wetness Index и Normalized Difference Vegetation Index.

Вся работа была выполнена в программном обеспечении QGIS 3.44.4.

Для создания маски объектов гидрографии был рассчитан модифицированный нормализованный разностный водный индекс Modified Normalized Difference Water Index (MNDWI)

Стандартизированные значения экологического индекса RSEI классифицированные в соответствии с рисунком 1, представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Remote Sensing Ecological Index

DOI:10.60797/JAE.2026.70.4.2

Открыть в полном размереСкачать рисунок

Анализ результатов расчета RSEI показывает, что участки территории, соответствующие «высокому« уровню экологического качества среды, — это залесенные земли или расположенные вдали от источников промышленных загрязнений. Участки же, соответствующие «очень низкому« и «низкому« уровню экологического качества среды, расположены вблизи промышленных предприятий или добычи полезных ископаемых, а также к этой категории относятся участки открытых (не застроенных или не облесённых) почв.

Ниже приведены данные по изменению площадей территорий, разделенных по показателю экологического качества среды, за 2013, 2016 и 2024 года.

Рисунок 3 - Диаграмма распределения площадей территорий, разделенных по показателю экологического качества среды

DOI:10.60797/JAE.2026.70.4.3

Открыть в полном размереСкачать рисунок

По полученным данным видно, что произошло небольшое снижение площадей территорий, соответствующих положительным показателям («средний«, «выше среднего«, «высокий«) экологического качества среды. При сравнении полученных результатов расчета индексных изображений RSEI с данными открытых карт и спутниковых снимков более высокого разрешения, было установлено, что снижение показателей произошло на участках расширения зон добычи полезных ископаемых (с уровня «высокий» до уровня «очень низкий» и «низкий»). А также при разработке пахотных земель в зонах активного сельскохозяйственного освоения.

Данные дистанционного зондирования позволяют осуществлять мониторинг обширных по площади земель с минимальными затратами и могут служить основой для детальных исследований на местности (пробы почв, воды и др.). Классический подход расчета различных индексов, позволяет оценивать состояние отдельных компонент окружающей среды (воздух, почва, водные объекты, растительность). Применяемый в данном исследовании комплексный экологический индекс, является универсальным средством обобщенной оценки состояния окружающей среды на региональном уровне, который может служить основой для расчета различных прогнозных моделей.

Оценка влияния промышленного производства на природную среду включает в себя детальный анализ воздействия конкретных промышленных объектов и их совокупности на различные компоненты экосистемы

На выбранной территории расположено множество предприятий: АО «Искитимцемент», Новосибирский завод искусственного волокна (НЗИВ), Новосибирский электродный завод (НЭЗ), обогатительная фабрика Листвянского горно-обогатительного комбината (ГОК), птицефабрики и др., а также горнодобывающие комплексы, такие как Крутихинский участок Колыванского разреза и Горловский разрез

Прогнозируемые экологические последствия: загрязнение атмосферного воздуха. Увеличение концентрации вредных веществ — повышение уровней пыли, оксидов азота и серы, что может приводить к респираторным заболеваниям у населения. Ухудшение запаха, особенно вблизи промышленных зон и животноводческих комплексов. Кислотные дожди, в случае значительных выбросов оксидов серы и азота.

Загрязнение водных ресурсов. Ухудшение качества питьевой воды, повышение содержания нитратов, фосфатов, тяжелых металлов, нефтепродуктов. Эвтрофикация водоемов, избыток питательных веществ (азот, фосфор) приводит к бурному росту водорослей, снижению содержания кислорода и гибели рыбы. Загрязнение донных отложений, накопление токсичных веществ, изменяющих экосистему водоемов.

Деградация почв. Химическое загрязнение: накопление тяжелых металлов, пестицидов, нефтепродуктов, что снижает плодородие и делает почву непригодной для сельского хозяйства. Физическое загрязнение: замусоривание территорий, особенно вблизи свалок. Эрозия и опустынивание, в результате нерационального землепользования и климатических изменений.

Базовый сценарий развития (без существенных изменений): продолжение текущей тенденции, постепенное накопление негативных последствий, локальные обострения экологической ситуации.

Оптимистический сценарий (при условии внедрения передовых технологий и усиления контроля): снижение уровня загрязнения, восстановление некоторых экосистем, улучшение качества жизни.

Пессимистический сценарий (при усилении антропогенной нагрузки и отсутствии мер по охране природы): ускорение деградации окружающей среды, возникновение экологических кризисов, ухудшение здоровья населения, социальная напряженность.

Без целенаправленной работы по охране окружающей среды, негативные последствия могут значительно усугубиться, оказывая долгосрочное отрицательное влияние на экосистему и здоровье населения.

Для исправления и улучшения экологической ситуации необходим комплексный и системный подход, включающий следующие меры:

- модернизация производства: внедрение наилучших доступных технологий для снижения выбросов в атмосферу и сбросов сточных вод; установка современных систем очистки газов (например, скрубберы, электрофильтры) и очистных сооружений для сточных вод; применение замкнутых циклов водопотребления для минимизации забора свежей воды и сброса сточных вод;

- обращение с отходами: разработка и реализация программ по минимизации образования промышленных отходов и их переработке/утилизации; создание безопасных полигонов или специализированных площадок для хранения и обезвреживания неутилизируемых отходов; проведение рекультивации нарушенных земель после завершения эксплуатации промышленных объектов;

- экологический мониторинг: организация автоматизированных систем контроля выбросов и сбросов в режиме реального времени; регулярное проведение независимых экологических аудитов деятельности предприятий

Реализация этих рекомендаций позволит не только исправить текущую экологическую ситуацию, но и создать условия для устойчивого развития, обеспечивая благоприятную окружающую среду для нынешнего и будущих поколений.