Олександр Мацібора. Веб ГІС моніторингу змін Каховського водосховища на основі даних дистанційного зондування (Copernicus: Sentinel-2)

Об'єкт дослідження і контекст. Гребля Каховської ГЕС була зруйнована* в червні 2023 року, що спричинило витік значних обсягів води, а також катастрофічні наслідки для соціально-економічної сфери та природного середовища. Після майже повного осушення дна водосховища розпочався розвиток і формування нових екосистем на даній території. З огляду на стрімку динаміку змін природних компонентів даний об'єкт викликає все більший інтерес у науковців, які займаються вивченням флювіальних процесів, рослинного покриву, ґрунтів та підземних вод. Не зважаючи на наявність ряду наукових досліджень території Каховського водосховища, жодне з них не спрямоване на моніторинг і візуалізацію окремих геокомпонентів на найвищому рівні роздільної здатності (10 метрів), доступному для дистанційного зондування засобами місії Sentinel-2 європейської програми Copernicus.

Основною метою дослідження є розробка веб ГІС для візуалізації, а також синхронізованого огляду і порівняння щорічних змін території колишнього Каховського водосховища в липні 2021, 2023, 2024 та 2025 років на основі оптичних космознімків високої роздільної здатності місії Sentinel-2.

Найбільш інформативні тематичні шари для візуального порівняння були створені в результаті аналітичних операцій в середовищі платформи Google Earth Engine як серії просторово-координованих растрових зображень (.geoTIFF) для всіх років моніторингу (2021-2025):

1. Водні поверхні. Тематичний шар відображає поверхневі водойми, ідентифіковані за допомогою супутникових знімків Sentinel-2 програми Copernicus. Аналіз використовує Normalized Difference Water Index (NDWI), який обчислює співвідношення між зеленим та ближнім інфрачервоним спектральними діапазонами для розрізнення водних поверхонь від навколишньої суші. Зображення без хмар, отримані протягом зазначеного місяця, обробляються для виявлення ділянок, де присутня вода, застосовуючи поріг, який фільтрує неводні об'єкти. Отримані водойми виділяються синім кольором та експортуються з просторовою роздільною здатністю 10 метрів. Цей шар надає зображення площ поверхневих вод за вибраний період часу, корисний для моніторингу водосховищ, річок, ставків та інших водних об'єктів у межах області дослідження.
2. Рослинний покрив. Цей шар відображає ділянки густої та здорової рослинності за допомогою Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), отриманого на основі знімків супутника Sentinel-2. NDVI вимірює різницю між коефіцієнтом відбиття ближнього інфрачервоного та червоного світла для оцінки густоти та стану рослинності, із значеннями від -1 до +1. В даному випадку відображаються лише ділянки із значеннями NDVI вище 0.5, які відповідають густій здоровій рослинності та залісненим ділянкам. Градієнт кольору коливається від яскраво-зеленого для помірно густої рослинності до темно-зеленого для густих лісів. Зображення без хмар за вказаний місяць (липень кожного року) обробляються з роздільною здатністю 10 метрів, щоб забезпечити точнішу оцінку. Цей шар особливо інформативний для моніторингу стану лісів, визначення сільськогосподарських районів із стабільним зростанням сільськогосподарських культур та виявлення змін густоти рослинності з часом.
3. Оптичне зображення. Даний шар є композитним зображенням у природних кольорах, отриманим на основі супутникових знімків Sentinel-2, відображаючи місцевість так, як її сприймає людське око. Растр створюється шляхом поєднання червоних, зелених та синіх спектральних смуг із безхмарних знімків, зроблених протягом липня кожного року дослідження. Декілька супутникових зображень обробляються за допомогою медіанного композитного методу для зниження впливу хмарності та атмосферного шуму, забезпечуючи чітке і репрезентативне зображення поверхні. Оптичні знімки відтворюються з просторовою роздільною здатністю 10 метрів та покращеними налаштуваннями контрастності для оптимізації візуальної чіткості. Зображення у природних кольорах ідеально підходить для загальної оцінки ландшафту, візуальної ідентифікації особливостей рельєфу, моніторингу інфраструктури та забезпечення географічного контексту для інших аналітичних шарів.

З метою інтеграції аналітичних шарів, як серій .geoTIFF зображень, у веб ГІС візуального моніторингу, використовувався наступний порядок обробки даних дистанційного зондування:

1. Google Earth Engine: аналіз просторових даних в межах території дослідження, обмеженої векторним полігоном, експорт шарів у вигляді просторово-координованих .geoTIFF файлів
2. GDAL перетворення: конвертація звичайних великих .geoTIFF зображень у формат "хмарно-оптимізованих" .geoTIFF файлів (COG geoTIFF)
3. Веб ГІС застосунок: відображення COG geoTIFF за допомогою картографічної бібліотеки OpenLayers.js та наборами стильового оформлення для кожного типу тематичних шарів (водні поверхні, рослинний покрив, оптичне зображення).

Етапи, які потребують найбільшої уваги:

• GDAL перетворення – з метою оптимізації звичайних .geoTIFF файлів для використання у веб-застосунках, виконувався ряд трансформацій і конвертацій: EPSG:4326 => EPSG:3857; geoTIFF => COG geoTIFF; 64-bit => 8-bit; розмір тайлів = 512; стиснення "deflate"
• Відображення COG geoTIFFs – не зважаючи на нативну підтримку COG geoTIFF файлів бібліотекою OpenLayers.js, під час стилізації растрових шарів було враховано: 8-bit зображення (із діапазоном значень 0-255), наявні смуги спектру, мінімальні/максимальні значення, фільтри для значень "no data"

Особливі функції веб ГІС візуального моніторингу:

• Режим синхронного спостереження: для одночасного огляду території в межах двох карт із різними конфігураціями тематичних шарів
• Оригінальний підхід до управління тематичними шарами: можливість комбінувати та візуально порівнювати аналітичні растрові дані для кожного року дослідження
• Інтерактивне відображення оптичного зображення та аналітичних шарів на найвищому доступному рівні роздільної здатності для місії Sentinel-2 (10 метрів)

Веб ГІС застосунок:

• https://kakhovka.geohub.org.ua

* Гребля Каховської ГЕС була зруйнована 6 червня 2023 року російською окупаційною армією, як акт агресії проти цивільного населення України та екоциду. Подальше затоплення значних територій спричинило руйнівний вплив на екосистеми не лише в Україні, а й в межах всієї північної частини Чорноморського регіону.