Проект поддержки инициативы «Один пояс, один путь»: анализ временных рядов данных дистанционного зондирования о воздействии на окружающую среду в связи со строительством Китайско-белорусского индустриального парка.

Примечание: Данный исследовательский проект был выполнен при поддержке Совместной программы исследований и сотрудничества Международного альянса научных организаций в рамках инициативы «Один пояс, один путь».

Китайско-белорусский индустриальный парк «Великий камень» (далее – Китайско-белорусский индустриальный парк) расположен недалеко от Минска, столицы Беларуси, и является совместным предприятием Китая и Беларуси. Китайскими акционерами являются Китайская национальная машиностроительная корпорация (SINOMACH) и Harbin Investment Group Co., Ltd., владеющие 60% акций; белорусскими акционерами являются Минская областная администрация, Минская городская администрация и Белорусский холдинг «Горизонт», владеющие 40% акций. Индустриальный парк удобно расположен недалеко от Минского международного аэропорта, его общая площадь составляет 91,5 квадратных километров, а первая фаза проекта охватывает площадь 8,5 квадратных километров.

Китайско-белорусский индустриальный парк «Великий камень» — это проект сотрудничества в рамках инициативы «Один пояс, один путь», совместно построенный Китаем и Беларусью, а также крупнейший зарубежный индустриальный парк Китая. Этот проект, совместно поддерживаемый и продвигаемый лидерами двух стран, за почти десять лет развития превратился в современный парк с развитой инфраструктурой, благоприятной деловой средой и передовыми концепциями управления. Это также крупнейший инвестиционный проект Беларуси, известный как «жемчужина инициативы «Один пояс, один путь»».

В парке имеется множество стандартных заводских зданий, которые компании могут арендовать или приобрести. Проектирование и строительство заводских зданий полностью воплощают концепцию «зеленого» развития, используя естественное освещение, вентиляцию и энергосберегающие технологии для повышения эффективности использования ресурсов и снижения воздействия на окружающую среду.

Введение в методы обработки данных

1. В ходе долгосрочного сбора данных с 2016 по 2024 год в пределах строительной зоны Китайско-Беларусьского индустриального парка были рассчитаны индексы NDVI (нормализованный разностный индекс растительности) и NDBI (нормализованный разностный индекс застроенной территории). Эти два индекса отражают распределение окружающей растительности и застроенных площадей.

 NDVI = (ИК-излучение - Красное излучение) / (ИК-излучение + Красное излучение) 

NDVI — это индекс, используемый для оценки состояния растительности. Сравнивая отражательную способность в ближнем инфракрасном (NIR) и красном диапазонах, NDVI позволяет эффективно идентифицировать и различать зеленую растительность. Значения NDVI обычно находятся в диапазоне от -1 до 1.

Высокое значение (близкое к 1) указывает на здоровую, пышную растительность.

Низкие значения (близкие к 0 или отрицательные) указывают на отсутствие растительности или на участки без растительного покрова, такие как голая почва или водоемы.

 NDBI = (SWIR-NIR)/(SWIR+NIR) 

NDBI — это индекс, используемый для измерения площади застроенных территорий. Сравнивая коэффициенты отражения в коротковолновом инфракрасном (SWIR) и ближнем инфракрасном (NIR) диапазонах, NDBI позволяет эффективно идентифицировать и различать застроенные территории. Значения NDBI обычно находятся в диапазоне от -1 до 1.

Высокие значения (близкие к 1) указывают на площадь застройки.

Низкие значения (близкие к 0 или отрицательные) указывают на незастроенные территории, которые могут представлять собой растительность, водоемы и т. д.

△Карта расположения Китайско-белорусского промышленного парка «Великий камень»

△ Изменения на снимках дистанционного зондирования территории индустриального парка с 2000 по 2024 год

Введение в методы обработки данных

2. Перед получением изображений облака были отфильтрованы по 25% облачности, а для их удаления использовался алгоритм маскирования облаков. Поскольку целевая область имеет умеренно континентальный климат с четко выраженными сезонами, облачность высока с ноября по март следующего года, что приводит к многочисленным пробелам в данных. Поэтому для областей с недостаточным количеством эффективных пикселей был использован метод объединения месячных и квартальных средних значений для интеграции данных, дополнения пикселей, скрытых облаками на каждом изображении, и передискретизации до разрешения 30 метров.
3. После обработки данных растровые изображения каждой сцены интегрируются в многомерный растр netCDF или преобразуются в векторные точки, а также добавляются временные атрибуты.
4. Указанные выше данные с временными атрибутами агрегируются в пространственно-временной куб, который включает числовую информацию NDVI и NDBI.
5. На пространственно-временном кубе анализируются возникающие пространственно-временные очаги активности, локальные выбросы и точки изменения.
6. Выведите и визуализируйте полученные результаты, интерпретируйте их в соответствии с реальной ситуацией в проекте и проверьте, сравнив с исходным RGB-изображением.

Отображение результатов

1. Анализ возникающих пространственно-временных очагов распространения инфекции

△Результаты анализа новых пространственно-временных очагов распространения индекса растительности NDVI

Согласно результатам анализа, изменения растительности на территории проекта с 2016 по 2024 год следующие: застроенные территории на территории проекта классифицируются как устойчивые холодные зоны, непрерывные холодные зоны и зоны с усиленным холодом.

Устойчивые холодные зоны определяются зданиями, существовавшими до начала проекта и сохранившимися на своих местах по состоянию на май 2024 года. Сравнение спутниковых снимков показывает, что к ним относятся некоторые крупные дороги, подстанции, логистические парки, склады и таможенные пункты, существовавшие до начала проекта.

Термин «непрерывная холодная зона» относится к особенностям ландшафта, дополняющим устойчивую холодную зону. Это участки земли, запланированные до начала проекта и завершенные в мае 2024 года.

Увеличение количества холодных зон можно интерпретировать как строительные площадки, на которых строительство велось с перерывами до мая 2024 года.

Разрозненные «холодные зоны» обозначают территории, в которых по состоянию на май 2024 года по-прежнему нет свободных земельных участков или малоэтажной застройки.

Холодные зоны в колебаниях представляют собой участки, покрытые растительностью на протяжении большей части проекта, до окончания периода мониторинга и преобразования территории в открытое пространство или застройку.

△ Результаты анализа новых пространственно-временных очагов распространения согласно индексу NDBI Building Index

Согласно результатам анализа, изменения в зданиях на территории проекта с 2016 по 2024 год выглядят следующим образом:

Застроенные территории в пределах проектной зоны классифицируются как разрозненные очаги, очаги с изменяющейся интенсивностью застройки, устойчивые очаги и очаги с постепенно уменьшающейся интенсивностью застройки.

Непрерывные зоны повышенной плотности растительности указывают на участки, которые оставались незастроенными или находились в стадии строительства на протяжении всего проекта. Изменчивые зоны повышенной плотности растительности представляют собой участки, которые ранее были преимущественно покрыты растительностью, но со временем стали преимущественно строительными. Разрозненные зоны повышенной плотности растительности указывают на участки, находящиеся в стадии строительства. Постепенно уменьшающиеся зоны повышенной плотности растительности можно интерпретировать как участки с постепенно увеличивающейся плотностью растительности, возможно, за счет озеленения, искусственного выращивания или восстановления. Оставшиеся разрозненные зоны пониженной плотности растительности представляют собой участки с растительностью.

2. Результаты анализа локальных выбросов

△ Результаты анализа локальных выбросов в индексе растительности NDVI

Анализ локальных выбросов позволяет выявлять статистически значимые кластеры и выбросы в пространственно-временной среде. В данном случае наличие нескольких типов выбросов указывает на то, что закономерности временной и пространственной изменчивости индекса растительности NDVI сложны и сильно варьируются, без очевидного значимого кластерирования. Кластеры с низкими значениями на рисунке представляют собой области с постоянно низкими индексами растительности, что подтверждает результаты предыдущего анализа возникающих пространственно-временных очагов.

△ Результаты анализа локальных выбросов в индексе зданий NDBI

Результаты кластеризации по индексу застройки одновременно выявили как густо застроенные, так и густо засаженные растительностью районы. Также было отмечено появление некоторых выбросов вблизи главной дороги в северо-восточном направлении, что указывает на наличие активности по освоению земель в этом районе.

3. Результаты обнаружения и анализа точек изменения.

△ Результаты обнаружения точек изменения в индексе зданий NDBI

△ Результаты обнаружения изменений индекса NDVI для зданий

На основе результатов мониторинга изменений индексов NDVI и NDBI было установлено, что периоды с марта по октябрь 2017 года и с февраля по декабрь 2022 года были периодами интенсивного развития проекта, в течение которых изменения индексов растительности и застройки были наиболее значительными. В эти периоды наблюдались прерывистые процессы развития. Мониторинг изменений также четко показал ход строительства дорог в западной части индустриального парка: южный участок был завершен с конца октября 2019 года по конец января 2020 года; средний участок был завершен с февраля по середину мая 2020 года; северный участок был завершен с конца августа по середину декабря 2020 года; а проект соединения среднего и южного участков был завершен с конца марта по середину июля 2021 года.

В целом, на протяжении всего непрерывного строительства индустриального парка с 2016 года по настоящее время изменения растительного покрова и изменения в застройке в значительной степени оставались согласованными во времени и пространстве, с четкими этапами и региональным разделением. Это свидетельствует о том, что освоение и использование земель осуществлялись упорядоченно в соответствии с планом, воздействие на окружающую растительность контролировалось на минимальном уровне, часть растительного покрова сохранялась в процессе освоения земель, а искусственное озеленение и восстановление растительности проводились в процессе строительства.

Это также подтверждает, что данные дистанционного зондирования временных рядов могут предоставить более полную информацию об изменениях ландшафта, позволяя осуществлять более полный и всесторонний мониторинг изменений на больших территориях. Это обеспечивает более мощный аналитический инструмент для охраны окружающей среды, мониторинга хода инженерных работ и создания высококачественных сельскохозяйственных угодий.