ПРОБЛЕМАТИКА И АЛГОРИТМ ПРОВЕДЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ БАТИМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ НА ПРИМЕРЕ ОЗЕР НАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРКОВ «СЕБЕЖСКИЙ» И «ВАЛДАЙСКИЙ».

В.Р. Хохряков1, А.П. Карпачев2, И.Г. Хмельщикова3, Н.М. Хмельщиков3

1«ФГБУ «Национальный парк «Себежский», г. Себеж, Россия. khokhryakovy@yandex.ru

2«ФГБУ «Национальный парк «Орловское Полесье», п. Жудерский, Россия. gis_npop@mail.ru

3 ФГБУ «Национальный парк «Валдайский», г. Валдай, Новгородская область. kudryashova.irena@gmail.com

АННОТАЦИЯ. В статье приводятся описание процессов проведения батиметрического картографирования с использованием современных технологических решений, методы, алгоритм обработки данных съемок и результаты батиметрического картографирования дна, расчетов основных параметров котловин основных озер национального парка «Себежский» (Россия, Псковская область) и «Валдайский» (Россия, Новгородская область).

При комплексном изучении озерных экосистем батиметрическое картографирование является одной из первоочередных задач, на основе результатов которого можно построить схему дальнейшего изучения и мониторинга водных экосистем и процессов в них в будущем [1]. Батиметрическое картографирование проводится с лодки или со льда с использованием веревочного лота. Одна данная методика в настоящее время трудоемка и не ее применение оправдано лишь на водоемах малой площади. Использование современных методов эхолокации, геопространственной привязки точек измерения и обработки данных в ГИС позволяет получать более детальные картографические материалы.

Нами в период 2021 – 2024 гг. проводилось батиметрическое картографирование дна озер национальных парков «Себежский» (10 водоемов) и «Валдайский» (4 водоема). Измерение глубин велось при помощи однолучевого эхолота GARMIN Fichfander 400C и двухлучевого эхолота GARMIN Echomap 92. Контроль измерения глубин проводился с использованием простого веревочного лота. Получение данных геопространственной привязка точек измерения глубин и контроль параллельности треков съемки проводилась с использованием навигатора GARMIN GPSMAP 66sr, GPS – модуля для ПК и GPS-модулем в составе эхолота GARMIN Echomap 92.

В составе аппаратно-программного комплекса «НЕВА-ЭХОЛОТ» велась запись двух потоков данных от эхолота и от GPS-трекера. Эхолот GARMIN Echomap 92 позволяет записывать на внешний носитель файл с данными глубины, температуры и, пространственной привязки. После проведения съемок обработка материалов и построение карто-схем проводилась путем интерполяции точек глубин с использованием СПО аппаратно- программный комплексов «НЕВА-ЭХОЛОТ» и Next Gis.

Дальнейшую обработку данных съемок можно разбить на несколько этапов:

Этап 1. Подготовительный. Прежде, чем мы начнём проведение необходимых процедур с материалами, полученными от оператора эхолота эхолота GARMIN Echomap 92, нам необходимо подготовить ряд опорных элементов, таких как величины «нулевых» изобат открытых водных объектов (линия берега) и растровой подложки, служащей визуальным ориентиром (космоснимки сервисов Google, Bing, ESRI, картографический вьювер Sas - Planet).

Для того чтобы нам получить величины «нулевых» изобат, нам необходимо скачать векторные данные водных объектов. Наборы данных можно приобрести на коммерческой основе на портале Next Gis https://data.nextgis.com/ru/region/base/, или же воспользоваться открытыми базами векторных данных, таких как OSM или Geofabrik https://download.geofabrik.de/europe.html. Проекция векторных данных должна быть Долгота/широта WGS 84.

Как правило, векторные данные мы получаем в формате shp., но для дальнейшей обработки нам необходимо сделать каскад из ПО в ПО для: 1) возможности редактирования исходного формата, 2) выборки по береговым точкам.

При помощи программы QGIS реализуем экспорт исходного shp- файла водных объектов в табличный формат программы MapInfo – mif. Далее, в программе MapInfo мы через Таблица – Импорт открываем полученный файл mif и «восстанавливаем» в формат tab. Данный формат позволяет нам провести необходимое редактирование водных объектов, а именно – обрезку всех лишних водоёмов, оставив только те, который у нас «в работе». После чего, на каждый водный объект мы создаем индивидуальный слой tab (именно для этого необходимо копирование первоначального общего слоя водных объектов). Далее нам необходимо сохранить отредактированный слой, предварительно нажав на сочетание Таблица – Изменить – Упаковать весь слой. Итогом будет – несколько слоёв в формате tab.

Для следующего шага нам необходимо перевести файл формата tab в dxf. Для этого в MapInfo через Универсальный транслятор переводим файл tab в файл dxf (в проекции Долгота/широта WGS 84). Теперь через программу «Арго.Чёртёж» мы открываем полученный файлы dxf и экспортируем их в csv, при этом программа автоматически задаёт нам точки контура со сквозной нумерацией (от 1, 2, 3, ..25, 1) и записывая параметры X и Y. Полученные csv файлы мы открываем в Excel и стандартным приёмом зажатый общий столбец таблицы «А» – Данные – Текст по столбцам задаём столбцы таблицы через знак табуляции (запятая или пробел). Итог: получаем два столбца с координатами X и Y. Копируем эти два столбца и переносим вправо на один. Новый столбец называем «H», куда заносим параметры «нулевой» изобаты (береговой) – от 0 до 0,7 (при известной величине прибрежной глубины).

Этап 2. Обработка данных оператора. От оператора устройства измерения глубины, мы получаем общий файл проекта в формате GPX (стандартный файл для устройств Garmin). Данный файл нам необходимо предварительно осмотреть, визуально отделив точки, относящиеся к промерам каждого водного объекта, участвующего в проекте, индивидуально. Для этого мы будем снова использовать ПО QGis. Далее мы аналогично проводим экспорт файла, полученного с эхолота, в табличный формат mif и дальнейшую обработку проводим в программе MapInfo. Полученный файл mif преобразуем в формат tab, пересохраняем и экспортируем в csv. Осуществление данного пункта необходимо нам для того, чтобы

«почистить» все программные скрипты устройства Garmin, которые ограничивают отметки о глубине. Также данный шаг позволяет нам познакомиться с внутренним устройством табличных данных с устройств измерения глубины.

Открываем полученный csv в Excel и снова повторяем приём зажатый общий столбец таблицы «А» – Данные – Текст по столбцам, задаём табуляцию по запятой, поучаем столбцы таблицы, часть этих столбцов в последующем можно будет удалить, оставив только столбцы с отметкой глубины и координатами X и Y.

Обращаем вниманием, что параметр глубины у нас обособлены в таблице, подобными записями (скриптами): <gpxtpx:depth>28.60</gpxtpx:depth>. Убираем их в два шага: нажимаем сочетание клавиш Ctrl+F - Найти все <gpxtpx:depth>, поле Заменить все оставляем пустым; выполняем заданную выборку с заменой, при этом первая часть скрипта у нас исчезнет; аналогично поступаем и с </gpxtpx:depth>. Таким образом, у нас останутся три, необходимых в работе столбца: глубина, X и Y.

Теперь мы можем взять отредактированную таблицу эксель, полученную из устройства и скопировать в неё записи глубины, X и Y из эксель таблицы, подготовленной в 1-ом этапе.

Далее, через MapInfo каждый эксель файл по водоёму проекта мы преобразуем в векторный вид через Файл – Открыть – выбрать формат xls, xlsx, откроется ряд контекстных таблиц, в которых необходимо «согласится» с открытием табличной формы. Следующим шагом, через Таблица – Создать точечные объекты нам необходимо задать проекцию слоя (Долгота/широта WGS 84), выбрать графическое отображение точки и задать чтение столбцов координат, отвечающих за X и Y. Итог – формируется редактируемый файл tab, который

«понимает» программа QGis

Этап 3. Оформление графической части.

В программе QGis открываем каждый файл (tab) для водного объекта, открываем модуль Contour, где в поле данных о глубине выбираем поле таблицы, в которой указаны глубинные параметры (в том числе и «нулевые» изобаты), в нашем случае столбец «А». Как только мы это сделаем – в форме перечня глубин плагина произойдёт автоматическое обновление показателей. Далее, нам необходимо выбрать параметр графического отображения Contouring – both и выбрать градиент визуализации. Больше мы ничего не меняем, нажимаем «Ок» и получаем предварительную батиметрическую схему водоёма (рис.1)

Рисунок 1. Батиметрическая схема оз. Уклеинское в ПО Next Gis

Этап 4. Сохраняем результаты в формате растрового изображения с геопространственной привязкой и импортируем в ПО «Нева», где проводим отрисовку изобат и вычисление основных параметров котловин исследуемых озер. (рис.2).

Рисунок 2. Батиметрическая схема оз. Уклеинское в ПО «НЕВА».

Морфометрические характеристики озерных котловин определялись с использованием модуля расчета площадей фигур и линейных измерений (рис.3).

Рисунок 3. Отображение расчета площадей и длин изобат оз. Глыбочно в ГИС «НЕВА».

Далее вычислялись основные характеристики озерных котловин (табл. 1).

Таблица 1. Основные параметры исследованных озер

На основе мониторинга прозрачности воды исследуемых озер и расчетов параметров котловин озер нами в ПО Гис-НЕВА произведен расчет объема эфотического слоя (табл. 2).

Таблица 2. Основные параметры эфотческого слоя исследованных озер

На основе проведенного картографирования озер Себежское и Ороно нами была заложена схема для отбора донных осадков с целью исследования геохимического загрязнения, проведенного в зимний период 2022 года совместно с сотрудниками СПбГУ[2].

По результатам проведенных исследований и анализов отобранных образцов были составлены карта-схемы распределения тяжелых металлов в озёрах Белое, Ороно и Себежское, Озерявки (рис. 4) [3]. В качестве фона было выбрано медианное значение концентраций.

Рисунок 4. Карта-схема распределения суммарного показателя превышения фона элементов в донных осадках, озера Себежское и Ороно (ppm)

Области с повышенными концентрациями цинка расположены вблизи населенных пунктов и автомобильных дорог, объектов туристической инфраструктуры.

Таким образом, проведенные исследования являются основой для понимания процессов, происходящих в водоемах, и являются основой для дальнейшего изучения и создания системы мониторинга.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хохряков В.Р. 2022. Батиметрическое картографирование озер национальных парков «Себежский» и

   «Смоленское Поозерье» как основа создания системы мониторинга водоемов. // Национальный парк

   «Браславские озера» и другие особо охраняемые природные территории: состояние, проблемы, перспективы развития: материалы международной научно-практической конференции (г. Браслав, 27-28 мая 2022) / Государственное природоохранное учреждение «Национальный парк «Браславские озера»– Минск : Ковчег. С. 178 – 181.

2. Хохряков В.Р., Зеленковский П.С., Белая Н.А., Горбунова А.В., Богданов Т.В., Понамарчук Т.В. // Первые результаты батиметрических и геохимических исследований озер центральной группы национального парка

   «Себежский». /Фундаментальные и прикладные исследования в гидрометеорологии. [Электронный ресурс]: материалы международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию кафедры общего землеведения и гидрометеорологии Белорусского государственного университета, Минск 11–13 окт. 2023 г.

   / Минск: БГУ, 2023 – С 175 – 182. ISpN 978-985-881-534-9

3. Горбунова А.В., Зеленковский П.С., Понамарчук Т.В., Хохряков В.Р. //Закономерности распределения тяжелых металлов в донных отложениях озер Ороно, Витятерево, Себежское и Белое национального парка

«Себежский». / В сборнике: Геология, геоэкология, эволюционная география. Сборник научных статей по материалам XXI Международного семинара. Санкт-Петербург, 2023. С. 72-77.