Jaunumi

VRI pētnieki izstrādājuši attālajā izpētē balstītu ezeru ūdens kvalitātes novērtēšanas metodi

26.06.2020
 

 

Vides risinājumu institūta (VRI) pētnieki un Igaunijas pēcdoktorante Tuuli Soomets izstrādājuši attālajā izpētē balstītu ezeru ūdens kvalitātes novērtēšanas metodi.

Iekšzemes saldūdeņu nozīmīgums tikai pieaug. Ezeri palīdz regulēt oglekļa ciklu, tādējādi regulējot reģionālo klimatu, tie ir arī ekonomiski nozīmīgi – tie nodrošina dzeramā ūdens, makšķerēšanas un atpūtas iespējas. Tāpēc ezeru un ūdens kvalitātes novērtēšanai pievērš arvien pastiprinātāku uzmanību. Eiropas Savienība īsteno Ūdens pamatdirektīvu, lai sasniegtu labu ūdens kvalitātes stāvokli visos Eiropas ezeros, kas ir lielāki par 0,5 km2. Lai Latvija spētu dot savu ieguldījumu, tai ir jāuzlabo metodes un jānovērš ezeru ūdens kvalitātes uzraudzības nepilnības.

VRI vadošais pētnieks Dr. Dainis Jakovels un igauņu pēcdoktorante Tuuli Soomets iepazīstināja ar pētījuma rezultātiem.

VRI: Kāpēc bija nepieciešams izstrādāt attālajā izpētē balstītu ezeru kvalitātes noteikšanas metode?

Dr. Dainis Jakovels (D.J.): Līdz šim Latvijā ūdens kvalitātes novērtēšanai izmanto standarta metodes – pētnieki dodas uz ezeriem, iesmeļ paraugus un nodod tos laboratorijā analīžu veikšanai. Tas ir dārgs un laikietilpīgs process. Ja mēs skatāmies uz ezeru monitoringu Latvijā, kāds tas ir šobrīd, tad ir skaidrs, ka, izmantojot standart metodes, viena gada laikā nav iespējams apbraukāt visus ezerus. Tas nozīmē, ka ieskatu par ūdens kvalitātes stāvokli katrā no Latvijas ezeriem iegūstam aptuveni 1 reizi četros gados. Šajā pētījumā izstrādājām Sentinel-2 un Sentinel-3 satelītu datos balstītu metodi, kas ļauj ezeru ūdens kvalitātes novērtēšanu veikt attālināti.

Tuuli Soomets (T.S.): Attālās izpētes pieeja spēj papildināt līdz šim izmantotās ezeru ūdens kvalitātes noteikšanas metodes, papildinot tās ar reālā laika telpisku informāciju. Ar tradicionālajām metodēm nav iespējams apsekot visus ezerus, jo, kā jau kolēģis minēja, tas ir dārgi un laikietilpīgi. Satelīti Latvijas teritoriju pārlido kā minimums 1 reizi 5 dienās. Ja attiecīgajā dienā pār Latviju nav mākoņi un redzam ezeru, tad mums ir pieejami atvērtie dati, kuros ar augstu precizitāti varam novērtēt hlorofila koncentrāciju (vai ūdens zied) un citus parametrus.

VRI: Vai šāda attālajā izpētē balstīta ezeru ūdens kvalitātes novērtēšanas metode var aizstāt līdz šim izmantoto ūdens mērījumu veikšanu uz vietas?

D.J.: Es teiktu, ka šis rīks nav veidots, lai aizstātu līdz šim izmantotās monitoringa metodes, bet lai tās papildinātu. Mūsu mērķis ir sniegt satelīta datos balstītu vispārīgu ieskatu par ūdens kvalitātes statusu. Šī informācija ļaus veikt situācijas attīstības novērojumus un atvieglos standarta metožu kvalitātes novērtēšanas kampaņu plānošanas procesu.

T.S.: Sentinel satelīti attēlus regulāri uzņem jau kopš 2015. gada, kad tie nonāca Zemes orbītā. Šobrīd iespējams iegūt arī retrospektīvu ieskatu tajā, kas ar konkrētiem ezeriem noticis vēsturiski – vai novērojamas kādas anomālijas. Vēsturiskā informācija var salīdzināt, kā satelīta datu informācija sakrīt ar standarta metožu monitoringa rezultātiem. Šajos datos iespējams aplūkot, kā vēsturiski notikusi ezeru aizaugšana. Piemēram, Burtnieku ezera gadījumā var redzēt, ka intensīvāka aizaugšana ir notikusi divtūkstošo gadu sākumā.

VRI: Ezeru ūdens kvalitātes novērtēšanas metodes izstrādei izmantojāt Sentinel- 2 un Sentinel-3 satelītu datus. Kā satelīta datus apstrādā un kādu informāciju par ezeru ūdens kvalitāti iegūstam?

D.J.: Šajā pētījumā mēs izmantojām Sentinel-2 un Sentinel-3 satelītu optiskos datus, no kuriem iegūstam ūdens kvalitātes rādītājus - hlorofila koncentrāciju un citu spektrālo informāciju, piemēram, ūdens caurredzamību. Hlorofila koncentrācija ir arī tas, kas ir saprotams plašam cilvēku lokam, jo tā ir saistīta ar ezeru ziedēšanu. Ezeru ziedēšana dažos gadījumos var būt dabisks process, bet visdrīzāk to veicinājusi cilvēka darbības ietekme. Piemēram, ja redzam, ka ezeri daudz un bieži zied, tad tas nozīmē, ka kaut kas nav kārtībā - vai nu tur ir stipra lauksaimniecības ietekme, varbūt tas saistīts ar zivju populācijas samazināšanos.

T.S.: Sākumā mēs iegūstam spektrālo satelītu datu kopu - daudz attēlus pie dažādiem viļņa garumiem. Pirms tālākas apstrādes mēs jau vizuāli varam novērtēt ezeru stāvokli, bet tā var būt neprecīza, jo to ietekmē atmosfēra un citi faktori. Tāpēc mēs izstrādājām standartizētus tālākas satelītu datu apstrādes algoritmus, kā rezultātā iegūstam precīzu informāciju par ezeru ūdens kvalitātes parametriem.

Visi ezeri nav vienādi, tāpēc izstrādājām vairāku pakāpju algoritmu, kas nosaka ezera ūdens tipu. Tālāk katram ūdens tipam izmantojam atbilstošu algoritmu, kas interpretē interesējošos parametrus katram satelīta attēla pikselim – ūdens caurredzamību, hlorofila un krāsaino vielu koncentrāciju u.c. Īsāk sakot, izstrādājām matemātisku formulu (algoritmu), kas no spektrālajiem satelīta datiem izsaka mums interesējošos ūdens kvalitātes faktorus. Lai iegūto informāciju pārbaudītu, pētījumā veicām arī ezeru lauka izpētes misijas, kurās ievācām ūdens paraugus ar standarta metodēm.

VRI: Kāds ir šī pētījuma gala produkts?

T.S.: Pētījuma rezultāts ir 3 zinātniskās publikācijas attālās izpētes žurnālā “Remote Sensing, An Open Access Journal from MDPI”. Divas no tām jau ir pieejamas, trešā drīz būs pieejama. Tās ir zināšanas un metodes, kuras var tālāk izmantot ezeru pētniecībā. Tā ir atvērta informācija, kurā detalizēti paskaidrots, kādā veidā no satelīta datiem tikt līdz interesējošajiem ezeru ūdens kvalitātes parametriem. Lai izmantotu šī pētījuma rezultātus, ir nepieciešams speciālists ar zināšanām un pieredze darbā ar attālo izpēti un satelīta datiem. Tad, izlasot rakstu, iespējams saprast metodiku un to ieviest pētniecības procesos.

Klikšķini uz attēla un iepazīsties ar VRI publikāciju.

Klikšķini uz attēla un iepazīsties ar VIR publikāciju.

VRI: Attālās izpēte šobrīd pētniecībā ir plaši pielietota pieeja. Kādas inovatīvas metodes un risinājumus izmantojāt šajā pētījumā?

D.J.: Protams, neesam vienīgie, kas strādā ar attālajā izpētē balstītu saldūdeņu izpēti. Praktiski katrā valstī varam atrast sadarbības partnerus – institūcijas, kas uzrauga ūdens kvalitāti un kurām interesē, kā to darīt, izmantojot satelīta datus. Katras valsts ezeri ir atšķirīgi, tāpēc nepieciešams pielāgot attālajā izpētē balstītu ezeru ūdens kvalitātes noteikšanas metodi. Protams ir arī tādi algoritmi, kas ir pieejami kā universāli risinājumi, bet šobrīd redzam, ka tas, kas ir universāls, īsti visos gadījumos nestrādā. Daudz labāk un precīzāk strādā metodes, kas ir precīzi pielāgotas specifiskam reģionam.

T.S.: Es uzskatu, ka lielākais šī pētījuma ieguvums ir ezeru produktivitātes noteikšana – ūdens augu, piemēram, aļģu biomasas noteikšana, kas liecina par ezeru aizaugšanas līmeni. Attālajā izpētē balstīta primārās produkcijas līmeņa noteikšana ezeros ir sarežģīta un reti izmantota metode.

D.J.: Ja skatās uz vēl plašāku novitāti šajā pētījumā, tad tā ir kombinēto Sentinel-2 un Sentinel-3 datu lietošana. Pārsvarā pētnieki koncentrējas uz viena vai otra satelīta datiem. Šajā pētījumā salīdzinājām abu satelītu iegūtos rezultātus. Šāda kombinēta satelītu datu izmantošana piegādā biežāku novērojumu skaitu. Sentinel-3 attēlu izšķirtspēja ir zemāka un derīga tika lielākajiem ezeriem, taču spēj sniegt papildu informāciju par ūdenstilpju kvalitātes stāvokli gadījumos, ja Sentinel-2 satelīta pārlidojuma laikā Latviju klāj mākoņi.

Attēlā redzams Sentinel-2 un Sentinel-3 telpisko attēlu salīdzinājums optisko ūdens tipu parametru noteikšanā 4 ezeros. Attēla pirmajā rindā redzams pētīto ezeru salīdzinājums augstas izšķirtspējas redzamās gaismas attēlos, otrajā rindā attēlotas ūdens tipu telpiskās atšķirības optiskajos satelītu datos, bet trešajā rindā apļa diagrammās attēlotas procentuālās atšķirības starp ūdens tipiem katrā ezerā, vienlaikus attēlojot arī satelītu precizitātes iespējas. Attēls: VRI.

VRI: Kādi ir VRI nākotnes plāni satelīta datos balstītā ezeru izpētē?

D.J.: VRI pētnieki jau no pirmsākumiem ir pievērsušies saldūdens un satelīta datos balstītai izpētei. Mēs turpinām pilnveidot zināšanas attālajā izpētē balstītā ezeru ūdens kvalitātes novērtēšanā un meklējam iespējas, kur Latvijas un pasaules kontekstā tās pielietot. Jau šobrīd strādājam pie vēl viena ezeru izpētes projekta, kur attīstām līdzīgu tēmu.

Pētījums izstrādāts projekta FLUID: Informācijas un komunikācijas tehnoloģijās balstīta attālās izpētes pieeja ezeru izpētei un monitoringam Nr. 1.1.1.2/VIAA/1/16/137 ietvaros. Vienošanās ar Valsts Izglītības attīstības aģentūru par projekta realizāciju Nr.1.1.1.2/16/I/001. Projektu finansiāli atbalsta Eiropas Reģionālās attīstības fonds, kā arī līdzfinansē Latvijas Valsts un Vides risinājumu institūts.

Vairāk par FLUID projektu iespējams uzzināt šeit.

Atpakaļ