Зондирование земли
 Скачать 7.34 Mb.
|
|
Определение снегозапасов. Сезонный снежный покров иг- рает исключительную роль в процессах саморазвития горных регионов, определяет формирование и режим речного стока, оледенения и снежных лавин. Оказывая существенное воздейст- вие на климат, он сам служит индикатором изменения климата. Карты распределения снежного покрова, полученные по резуль- татам дистанционного зондирования, помогают понять про- странственные особенности и взаимосвязи ледниковых систем, оценить вклад разных факторов в формирование ледников и ус- ловия их существования. Точную информацию о режиме, распределении и изменчи- вости снежного покрова необходимо иметь для успешной реа- лизации водохозяйственных мероприятий и регулирования вод- ных ресурсов в бассейнах рек горных территорий при имею- 128 щемся дефиците воды в степной зоне. Для прогноза максималь- ных уровней воды и объема речного стока за период весеннего половодья, оценки увлажнения почв талыми водами, расчетов снеговой нагрузки на сооружения при проектировании меро- приятий по борьбе со снежными заносами важно точнее оценить запасы воды в снежном покрове и динамику таяния снега в весен- ний период. Новую информацию о территориальном распределе- нии снежного покрова дает космический мониторинг (рис. 4.15). Рис. 4.15. Динамика снежного покрова на хребте Хамар-Дабан весной 2013 г. по данным спектрорадиометра MODIS: 19 апреля (А), 29 апреля (Б), 8 мая (В) и 19 мая (Г) (по материалам ФГУНПП «Росгеолфонд», 2013) Для определения снегозапасов на горных водосборах с ис- пользованием регулярных спутниковых съемок в видимом диа- пазоне сначала восстанавливается последовательный ход снего- вой линии в горах при снеготаянии. Далее рассчитываются за- пасы воды в снежном покрове «методом теплового проявления» через температуру воздуха и коэффициент стаивания. Результа- 129 ты таких расчетов (по ряду лет для некоторых горных регионов и речных водосборов) показали перспективность этого направ- ления использования спутниковой информации, особенно в ус- ловиях малообжитых и труднодоступных районов. Одно из направлений использования снимков в гидрологии связано с моделированием и прогнозированием талого стока рек. Ряд параметров моделей стока, относящихся к характери- стике водосбора (заболоченность, заозеренность, залесенность, распаханность и др.), наилучшим образом можно оценить по космическим снимкам. При моделировании стока рек снегового питания определяют степень покрытия бассейна водой в твер- дом или жидком виде на разных фазах формирования стока: до- лю площади бассейна, покрытой снегом, во время снеготаяния; водность микроозер и других временных затоплений для внеру- слового стока и водность речных русел. Хорошо разработан прогноз снегового половодья по данным о заснеженности водо- сборов и динамике снеготаяния. Для ряда водосборов найдены зависимости стока от площади, покрытой снегом (для равнин- ных районов), и от высоты снеговой линии (для горных). Гидрографические исследования. Главными составляю- щими водосборного бассейна являются его рельеф и конфигу- рация сети линий стока. Рельеф выступает в качестве одного из главных факторов формирования стока, так как форма земной поверхности определяет поведение воды. На основе ЦМР (циф- ровых моделей рельефа) возможно вычисление гидрологиче- ских и морфометрических характеристик (длина водотоков, по- ложение водоразделов, площадь элементарных бассейнов, угол наклона, расчленение территории и др.) водосборных бассейнов. Одним из наиболее часто используемых источников данных для построения ЦМР является база данных SRTM (Shuttle Radar Topographic Mission) – данных радарной топографической съем- ки поверхности земного шара, произведенной методом радарной интерферометрии с борта космического корабля многоразового использования – шаттла. Данная съемка проводилась в течение 11 дней в феврале 2000 г. почти на всей территории суши от 60° с. ш. до 54° ю. ш. и на некоторых участках океанов с помо- щью двух радиолокационных сенсоров SIR-C и X-SAR. В ре- зультате обработки полученных данных радарной съемки была получена цифровая модель рельефа, охватывающая 85 % по- 130 верхности Земли. Разрешение семиглобальной цифровой моде- ли рельефа SRTM равно 3 арксекундам по долготе и по широте. Данные SRTM доступны бесплатно в нескольких версиях: предварительной (версия 1), окончательной (версия 2) и обрабо- танных (версии 3 и 4). Окончательная версия прошла дополни- тельную обработку: выделение береговых линий и водных объ- ектов, фильтрацию ошибочных значений. Обработанные версии производятся CGIAR (Consultative Group for International Agriculture Research), поставляются в формате GeoTIFF (Geo Tagged Image File Format) с исправленными областями, в кото- рых были пропущены значения, и включают сборку мозаик в более крупные фрагменты (5° х 5°, а не 1° х 1°, как в двух пер- вых версиях). Последняя версия этой модели обеспечивает аб- солютную точность по высоте около 8,8 м и относительную – по высоте 6,2 м; ее данные общедоступны (http://srtm.csi.cgiar.org). Возможность свободного доступа обеспечила очень широкий спектр использования этой модели рельефа в отраслевых науч- ных исследованиях. Данные представляют собой простой 16-битный растр, значение пикселя является высотой над уров- нем моря в данной точке. Используется система координат WGS84 (World Geodetic System 1984). Наиболее поздняя из общедоступных семиглобальных ЦМР – ASTER GDEM (http://gdex.cr.usgs.gov/gdex/) – охватыва- ет поверхность суши между 83° с. ш. и 83° ю. ш. Сенсор ASTER был создан METI и запущен на борту спутника Terra в декабре 1999 г. Сенсор имеет возможность стереоскопической съемки вдоль полосы пролета с помощью двух телескопов. ЦМР разде- лена на фрагменты размером 1° × 1°. ASTER GDEM распро- страняется в формате GeoTIFF с разрешением 1 арксекунда. Оценка точности высотного положения точек 20 м и 30 м в пла- не. Пока эта модель по качеству и точности уступает SRTM, ко- торая создавалась значительно дольше. На основе данных SRTMво Всемирном фонде дикой при- роды (WWF) созданнабор данных по топографии речных бас- сейнов и гидрографической сети HydroSHEDS (Hydrological data and maps based on SHuttle Elevation Derivatives at multiple Scales – название переводится как «гидрологическая информа- ция и карты, основанные на производных радарной топографии различного масштаба») (рис. 4.16). Проект начат в 2004 г. и к 131 настоящему моменту готовыми данными покрыта большая часть суши. Исключение составляют территории, расположен- ные севернее 60° с. ш. и южнее 54 ° ю. ш., так как там радарная съемка SRTM не велась. Рис. 4.16. Речная сеть бассейна р. Амазонки, определенная по данным SRTM: толщина ширины водотоков на схеме пропорцианальна их площади водосбора; показаны только крупные водотоки [HydroSHEDS, 2013] На данный момент в наборе присутствуют следующие данные: DEM – цифровая модель рельефа с заполненными пробе- лами (система координат WGS84, высота в метрах, разреше- ние – 3 арксекунды); CON – гидрографическая ЦМР с разрешением 3, 15 или 30 арксекунд, обработанная несколькими дополнительными ал- горитмами для более точной идентификации речных русел; 132 DIR – сетка направления стока в соседние ячейки (разре- шение – 3, 15 и 30 арксекунд) для идентификации речных русел и водосборов; ACC – грид аккумуляции стока, показывающий, со скольких ячеек вода стекает до данной (разрешение 15 и 30 арксекунд); RIV – речная сеть, определенная по сеткам DIR и ACC, с разрешением 15 и 30 арксекунд. Пороговое значение коли- чества ячеек для формирования водотока составляет 100 для набора 15 арксекунд; BAS – речные бассейны с разрешением 15 и 30 арксекунд (бета-версии). Эти данные совместно с наборами данных о растительности, почвах и метеоусловиях могут быть использованы в математиче- ских моделях речного стока: пространственное разрешение позво- ляет создавать модели речных водосборов площадью от 100 км 2 Гидроморфологические исследования. Любая река являет- ся динамической системой. Шероховатость, геометрия, структу- ра и профиль ее русла изменяются под влиянием наносов и раз- личных климатических, геологических, гидрологических и ан- тропогенных факторов. Гидравлика и морфология рек – слож- нейший предмет исследований. По проекции поверхности реки на горизонтальную плоскость можно судить о гидродинамиче- ских параметрах речного стока и связанных с ними процессах переноса осадков и диссипации энергии – русловых процессах. Оценка русловых процессов наиболее эффективна с ис- пользованием космических снимков, сделанных в разное время. При создании продуктов дистанционного зондирования, харак- теризующих русловые процессы, используются спутниковые данные различного спектрального диапазона и разрешения. В зависимости от масштаба космической съемки контроль за со- стоянием русел осуществляется на различных уровнях: регио- нальном, локальном и детальном. Данные с пространственным разрешением 20–100 м позволяют контролировать в регионе со- стояние рек для раннего предупреждения и прогнозирования рисков, а также фиксировать периоды активизации стока и ру- словых процессов. По материалам съемок высокого разрешения (5–20 м) решаются задачи мониторинга состояния пойм и русел, контроля и изучения различных явлений в руслах рек на ло- кальном уровне. Материалы детального разрешения (1–5 м) 133 обеспечивают контроль ситуации на отдельных участках русла, а также вблизи гидротехнических сооружений, мостов, перехо- дов и т. п. Эти данные также необходимы для оценки результа- тов и последствий русловых процессов. Космический монито- ринг состояния русел равнинных рек обеспечивает изучение раз- личных изменений во времени: образование новых островов, из- менение меандров, береговой линии и т. п. Своевременное выяв- ление опасного гидрологического явления обеспечивает беспере- бойное функционирование линейных сооружений, пересекающих водные объекты, в то время как недоучет динамики русел рек при проектировании трасс переходов приводит к размывам трубопро- водов, опор ЛЭП и мостов в период эксплуатации. Особенно часто проблемы возникают в руслах слабоустойчивых рек, где деформации русла наиболее интенсивны. Здесь скорость плано- вых деформаций может составлять до нескольких метров в год. На рис. 4.17 приведена серия снимков, на которых заметны изменения в плане положения русла р. Пшехи в Краснодарском крае за период с 2003-го по 2010 г. Анализ последовательных положений русла позволяет определить, что скорость размыва на отдельных участках доходит до 50 м/год, что относит русло на исследуемом участке к категории абсолютно неустойчивых. Уникальные возможности космической информации используются также при изучении устьев крупных рек. Например, по материалам многозональной космической съемки были изучены объемы и маршруты выноса в оз. Байкал взвесей в дельте р. Селенги, которые определяли морфологию и динамику реки. Изучение крупных внутренних водоемов с использовани- ем спутниковых данных. Многие методы дистанционного кон- троля, разработанные первоначально для морей и океанов, сей- час успешно адаптируются для изучения крупных внутренних водоемов: по спутниковым данным определяют уровень воды в водоемах, оценивают цветность и содержание хлорофилла, на- ходят величину и направление приповерхностного ветра, изу- чают параметры волнового и ледового режима, определяют температуру поверхности и т. д. Пространственно-временное распределение температуры поверхности воды оз. Байкал в 2010 г., определенное по данным радиометра AVHRR, приведено на рис. 1.11. На карте за 12 ию- ня (см. рис. 1.11, а) практически на всей акватории озера 134 Рис. 4.17. Последовательные положения русла р. Пшехи (Краснодарский край) в 2003 (А), 2007 (Б) и 2010 гг. (В) на спутниковых снимках сверхвысокого разрешения (по материалам Google Earth, 2013) 135 (за исключением мелководных заливов и проливов) наблюдает- ся гомотермия. Эта ситуация является характерной для этого периода и наблюдается ежегодно. К концу июля – началу июля все более отчетливо прослеживается неоднородное распределе- ние температуры на поверхности озера вследствие влияния при- тока речных вод, течений и донного рельефа. В целом с июля до середины октября ежегодно наблюдается понижение темпера- туры поверхности воды от берегов озера к его центральным глу- боководным частям, что можно наблюдать на представленных картах за соответствующий период (см. рис. 1.11, б-г). Начиная со второй половины октября до ледостава (см. рис. 1.11, д-е) на- блюдается обратная картина в распределении температуры на поверхности озера: температура в центральных частях озера в связи со значительной тепловой инерцией больших объемов во- ды превышает температуру в мелководных заливах и проливах. На карте за 7 ноября (см. рис. 1.11, е) на всей акватории озера (за исключением мелководных частей озера, где температура близка к 0 °С) наблюдается осенняя гомотермия. Оценка ледовой обстановки по данным спутниковых съе- мок. В качестве примера на рис. 4.18, б приводится картосхема ледовой обстановки на Ладожском озере, составленная на основе данных со спутника Terra (см. рис 4.18, а). При оценке ледового режима озер многолетние данные о сезонной изменчивости ко- личества льда на озерах определяются в результате анализа кар- тосхем ледовой обстановки, построенных по данным аэровизу- альных наблюдений и спутниковых съемок. На основе космиче- ских снимков в Государственном гидрологическом институте разработана имитационная модель динамики ледовой обстановки на Ладожском озере. Модель позволяет рассчитать ледовую си- туацию на озере, исходя из предшествующего снимка и прогноза метеорологических элементов на будущее. Упомянутая имита- ционная модель способна учитывать всякую дополнительную информацию при автоматизированном дешифрировании снимка. Изучение колебания уровней внутренних водоемов по спутниковым данным ведется на многих внутренних водоемах в первую очередь с использованием данных спутников TOPEX/Poseidon, Jason-1, Jason-2. Период проведения повтор- ных измерений вдоль треков составляет около 10 суток, что со- ответствует временным характеристикам основных гидрологи- 136 ческих и гидродинамических процессов. Ниже приведен график колебания уровня Каспийского моря по данным спутниковой альтиметрии (рис. 4.19), на котором отчетливо прослеживаются периоды подъема и спада уровня Каспийского моря. Рис. 4.18. Ледовая обстановка на Ладожском озере 20.04.2004 г. – снимок со спутника Terra (а) и картосхема (б) [Лаборатория дистанционных методов …, 2013] Рис. 4.19. Колебания уровня Каспийского моря по данным спутниковой альтиметрии [Спутниковый мониторинг…, 2013] 137 На рис. 4.20 прослеживается изменение уровня Сарыка- мышского озера. Сарыкамышская впадина периодически при- нимала воды Амударьи, превращаясь в озеро, при изменении ее русла в сторону Аральского моря озеро пересыхало. Водой впа- дина была наполнена в конце неогена, в верхнечетвертичное время и в XIV–XVI вв. Также воды Амударьи достигали Сары- камышской впадины летом 1878 г. Рис. 4.20. Колебания уровня Сарыкамышского озеро по данным спутниковой альтиметрии [Спутниковый мониторинг …, 2013] В 1971 г. вновь был прорыв воды по Кунядарье (старому сухому руслу Амударьи), при этом вновь образовалось озеро. Сейчас Сарыкамышское озеро подпитывается дренажными во- дами через коллекторы Дарьялык и Озерный, поступающими с орошаемых земель на левобережье Амударьи. В 2009 г. площадь озера достигала 3800 км 2 [Спутниковый мониторинг …, 2013]. Определение площади зеркала водоемов. Одна из крупных уже случившихся экологических катастроф нашего века про- изошла в Приаралье и связана с усыханием деградирующего Аральского моря. Аральская экологическая катастрофа развива- ется под влиянием многих неблагоприятных природных и ан- тропогенных факторов, но главное – это продолжающийся бес- хозяйственный и плохо ограничиваемый забор речной воды в бассейнах Амударьи и Сырдарьи. После многих лет интенсив- ного и крайне нерационального ведения хозяйства, связанного с увеличением площади орошаемых земель и интенсивности са- мого орошения, в Приаралье значительно сократился сток рек, 138 впадающих в Арал. Большую роль в этом сыграли сооружение крупных оросительных каналов (Каракумский, Большой Фер- ганский), увеличение забора воды и дополнительные потери во- ды на испарение с поверхности многочисленных водохранилищ. В первой половине XX в. режим Аральского моря был до- вольно устойчив: водоем имел регулярное питание водами впа- дающих в него рек Амударьи и Сырдарьи и почти стабильный уровень. Однако в 60-х гг. уровень Арала стал быстро падать, и водоем начал менять очертания. В 1988–1989 гг. две части водо- ема (меньшая северная – Малое море, или Малый Арал, и боль- шая южная, или Большой Арал) полностью разделились. В Ма- лое море поступал небольшой сток Сырдарьи, Большое море питал сток Амударьи. Пролив Берга, соединявший ранее Малое и Большое моря, превратился в небольшой, но достаточно длинный проток, по которому излишки воды из Малого моря сбрасывались в Большое море. В 2005 г. завершилось строи- тельство Кокаральской плотины, которая может спасти Малое море от высыхания. Всего за год, прошедший после сооружения плотины, уровень Малого Арала поднялся на четыре метра. Спустя пять лет уровень воды повысился до отметки 42 м над уровнем океана: это на 14 м выше, чем в Южном Арале, но на 11 м ниже, чем в 70-х гг. прошлого века. Таким образом, за 50 лет уникальный, ценнейший в экологи- ческом и экономическом отношении Арал обмелел и практически утратил свое рыбохозяйственное, транспортное и рекреационное значение. Усыхающий водоем оказывает отрицательное влияние на природные, социально-экономические, санитарно-эпидеми- ологические условия прилегающих территорий. Возникли серь- езные проблемы с трудоустройством и переселением значитель- ной части населения прибрежных районов. Негативные процессы в самом Арале и Приаралье продолжают развиваться и усили- ваться. В этом отношении прогнозы весьма неутешительны. Дешифрирование разновременных снимков позволяет оце- нить изменение зеркала Аральского моря и дальнейшие перспек- тивы развития событий. На рис. 4.21 приведена серия разновре- менных снимков, полученных различными съемочными систе- мами за период времени с 1973-го по 2013 г. На снимках, охва- тывающих 40-летний период, видны процессы усыхания водо- ема, сокращения его площади и деления на части, заметно увели- чение площади Малого Арала после возведения Кокаральской плотины, препятствующей оттоку вод в Большой Арал. 139 Рис. 4.21. Усыхание Аральского моря по снимкам различных съемочных систем в разные годы: 1973 (А), 1999 (Б), 2004 (В) и 2013 гг. (Г) (по материалам Google Earth, 2013) |