Добро пожаловать в приливную зону

Домой Наука о земле, Австралия > Научные темы > Цифровая Земля Австралии > Новости и обновления DEA > Добро пожаловать в приливную зонуДобро пожаловать в приливную зону

Любители пляжного отдыха во всем мире восхищаются тем, как растет и сужается пляж с течением времени. Эта очаровательная полоска суши, которую обнажает отлив и скрывает прилив, известна как приливная зона.

Эта зона представляет собой богатую экосистему, о чем может догадаться любой, кто заглядывал в приливные бассейны или охотился за крабами и искал ракушки на приливных отмелях. Он обеспечивает среду обитания для мигрирующих береговых птиц и является первой линией защиты от экстремальных штормовых явлений, но давление на эту зону растет из-за повышения уровня моря и антропогенных факторов, таких как мелиорация земель и аквакультура.

Управление земельными ресурсами требует составления карт местности, но съемка этого эфемерного ландшафта традиционно была сложной задачей, особенно при составлении карт больших пространств береговой линии. Теперь новый и инновационный подход к составлению карт меняет ситуацию.

Используя данные, накопленные за десятилетия со спутника Landsat, исследовательская группа Geoscience Australia создала карту протяженности приливно-отливной зоны по всему побережью Австралии в масштабе всего континента — более 50 000 км. Используя автоматизированный рабочий процесс, они проанализировали данные Landsat за период с 1987 по 2015 год и подготовили картографический продукт,Приливные экстенты DEAтакже известен как "Модель приливных экстентов’ (ITEM).

Coloured tidal boundaries overlaid on satellite image of Australian coastal landscape

Карта приливных зон DEA, наложенная на изображение залива Эксмут в Западной Австралии, полученное со спутника Landsat 8. В этом районе имеется обширная приливно-отливная зона.

Доктор Стивен Сагар (Stephen Sagar) из Национального отделения геофизических исследований Земли и морской среды Австралии возглавлял команду, создавшую первую версию продукта. Прорыв его команды в картографии стал возможен благодаря глубокому архиву Landsat, готовому к анализу формату хранения данных по всей стране и инновационному подходу к анализу данных.

Данные со спутников Landsat 5, 7 и 8, полученные над Австралией с 1987 года, были собраны компанией Geoscience Australia в готовый к анализу формат, известный как Australian Geoscience Data Cube (AGDC). В рамках AGDC данные со спутника Landsat систематически обрабатывались для определения коэффициента отражения поверхности и разбивались на ячейки размером 1º на 1º в пикселях. Прототип AGDC с тех пор превратился в серию структур данных и инструментов, получивших название Digital Earth AustraliaОткрытый куб данныхкоторый организует и позволяет анализировать большие объемы данных наблюдения Земли.

Платформа DEA, основанная на пикселях, позволяет осуществлять так называемую комплексную обработку данных. Комплексная обработка может повысить качество данных за счет использования временной глубины записи данных Landsat. При выборе каждого пикселя можно удалить данные низкого качества (например, облачные данные) и получить надежный набор данных.

Graphic illustration showing coloured tidal heights on coastal landscape with coloured legend

Модель приливных экстентов DEA для мыса Палмерстон в Квинсленде.

В случае с приливно-отливными экстентами DEA комплексная обработка позволила впервые составить карты плоских приливных экстентов для залива Робак и побережья Кимберли, двух экологически важных регионов Западной Австралии, где облачный покров препятствовал более ранним попыткам спутникового картографирования.

Это применимо и к северу. Как отметил д-р Сагар: “Наличие обширной и полной базы данных было жизненно важно для того, чтобы использовать подход продукта к континентальному масштабу в северных тропических регионах, где часто наблюдается обширный облачный покров”.

Новизна работы доктора Сагара заключается не только в том, что его команда впервые разработала общенациональную карту приливных зон, но и в том, что в их методологии используется совершенно новый подход — процедура “изменения времени”, которая чаще встречается в современных финансовых моделях.

Добавив атрибут стадии прилива для каждого из 221 фрагмента прибрежных данных в наборе данных (стадия прилива была получена с помощью программного обеспечения для прогнозирования приливов Университета штата Орегон, которое использует данные океанской альтиметрии TOPEX/Poseidon и Jason-1 за 22 года) и зная дату и время получения каждого пикселя данных Landsat, можно получить данные могут быть упорядочены в зависимости от стадии прилива.

“Данные Landsat были ключом к разработке методологии”, - сказал Сагар. “Наличие такого обширного и плотного временного ряда данных позволило нам разделить данные на отдельные этапы приливов и отливных явлений и при этом иметь возможность решать такие проблемы, как облачность и тень от облаков, что особенно важно при работе с различными условиями, с которыми мы сталкиваемся на континенте”.

После определения стадии прилива на каждом пикселе Landsat был рассчитан нормализованный разностный индекс воды (NDWI), чтобы определить, была ли суша в приливно-отливной зоне покрыта водой на этой стадии прилива.

Graphic illustration of complex coastal landscape with fluorescent highlights at land boundaries

Залив Тэлбот в Кимберли — без (слева) и с (справа) наложением, обозначающим приливную зону в этом районе и прибрежные рифы.

В среднем было проведено более 850 наблюдений со спутника Landsat на каждое местоположение площадью 25 кв. м (пиксель) в прибрежной зоне исследования. Эти наблюдения были отсортированы по стадии прилива, а затем разделены на девять категорий, начиная с самых низких 10% наблюдаемого диапазона приливов и так далее с интервалом в 10% до девятого интервала, который включал самые высокие стадии прилива с 80-100% наблюдаемого диапазона приливов.

После того, как все наблюдения были отсортированы по стадии прилива, команда смогла затем получить среднее значение NDWI на основе каждого пикселя для каждой категории стадии прилива и, таким образом, создать девять карт влажной/невлажной местности (по одной для каждого интервала прилива).

Объединив полученные девять карт, мы получили первую карту протяженности приливов в масштабах всего континента для Австралии. А поскольку протяженность приливов зависит от диапазона приливов и от высоты береговой линии, набор данных также предоставляет относительную топографию, позволяя исследователям создавать модели рельефа побережья, которые могут оказаться полезными для будущего гидродинамического моделирования (используемого для таких приложений, как текущее прогнозирование).

Благодаря использованию всего временного ряда данных Landsat для побережья Австралии и их подхода к интерпретации данных “изменение времени” был создан новый и важный набор данных, который будет только улучшаться по мере добавления будущих данных Landsat в DEA.

Исследователи ожидают, что их карты протяженности приливных зон будут способствовать мониторингу окружающей среды в прибрежных районах, составлению карт местообитаний и геоморфологическим исследованиям.

“ITEM уже используется правительством Квинсленда для оказания помощи в их программе картирования приливных и сублиторальных местообитаний в центральном Квинсленде”, - сообщил доктор Сагар.

Благодаря сотрудничеству с Университетом Джеймса Кука этот продукт внес свой вклад в разработку 100-метровой батиметрической сетки Северной Австралии - карты глубин воды, составленной на основе всех доступных батиметрических измерений в регионе.

“ITEM удалось получить топографическую информацию и информацию о высотах в этом отдаленном регионе Австралии, характеризующемся большими диапазонами приливов и отливных зон”, - пояснил доктор Сагар. “Многие из этих регионов ранее не были нанесены на карту”.