Зондирование земли
 Скачать 7.34 Mb.
|
|
тематическими фотокартами. К фотокартам можно отнести и особые виды спутниковой картографической продукции, получаемой на основе обработки данных съемки путем расчета различных индексов – вегетаци- онного, цветового и др., которые фиксируют распределение, не- редко в глобальном масштабе, биофизических характеристик земной поверхности. Наиболее распространены карты вегетаци- онного индекса NDVI и цветового индекса вод океана, коррели- рующего с содержанием фитопланктона. Фотоосновы тематических карт. Фотопланы и фотокар- ты используют в географических исследованиях не только как самостоятельные картографические произведения, но, кроме то- го, и в качестве фотооснов тематических карт. Математические элементы фотоосновы должны полностью соответствовать тре- бованиям к математическим элементам соответствующих топо- графических карт (масштаб, проекция, нарезка листов). Карто- графическая сетка на фотооснове не вычерчивается, а обознача- ется выходами меридианов и параллелей за внутренней рамкой. Общегеографическая нагрузка должна быть минимальной, что- бы не закрывать фотографическое изображение местности. Кар- тографическими знаками наносят гидросеть, рельеф, крупные населенные пункты и связывающие их важнейшие дороги, по- литико-административные границы. Технология изготовления фотооснов включает два этапа: фотограмметрическая обработка для изготовления фотоплана; картографические работы, включая нанесение на фото- план общегеографических элементов содержания (при этом со- 95 вмещают два процесса – дешифрирование снимков и со- ставление основы карты). Составление и обновление топографических карт. На топо- графических картах отображаются: рельеф, гидрография, расти- тельность, почвы и грунты, населенные пункты, дорожная сеть, со- циально-экономические и другие объекты, что позволяет ком- плексно оценивать территорию. На данный момент на карте мира практически не осталось белых пятен – топографические карты по- крывают почти всю поверхность суши нашей планеты, хотя не все они одинаково детальные и значительная часть этих карт не обнов- ляется систематически. Особенно слабо изучены труднодоступные районы высокогорий, пустыни, марши, приполярные острова. Между тем современный мир очень изменчив (рис. 4.1): растут города, появляются новые поселения, строятся дороги, коммуникационные сети, инженерные сооружения, осваиваются новые районы добычи полезных ископаемых, вырубаются леса, изменяется структура землепользования. Поэтому постоянно возникает задача обновления топографических карт. Государст- венные топографические карты основных масштабов для России уже созданы, составление топографических карт заново требу- ется реже – только в случае кардинальных изменений, таких как строительство новых городов и крупных сооружений. Рис. 4.1. Фрагмент топографической карты г. Иркутска, составленной по состоянию местности на 1981 г. (А), спутниковый снимок сверхвысокого разрешения 2010 г.(Б) (по материалам Google Earth): отчетливо читается увеличение зон жилой и дачной застройки, изменение плановых очертаний береговой лини р. Ангары в районе о-ва Конный, появление нового моста через р. Ангару 96 В качестве первичного материала для топографических карт традиционно использовались аэрофотоснимки. Космические циф- ровые снимки открывают новые возможности: удешевление по- вторных съемок, увеличение площади охвата местности и сниже- ние искажений, связанных с рельефом. Кроме того, упрощается ге- нерализация изображения на мелкомасштабных картах: вместо трудоемкого упрощения крупномасштабных карт можно сразу ис- пользовать космические снимки среднего разрешения. Поэтому съемки из космоса используются все шире и шире и в перспективе могут стать основным методом обновления топографических карт. Создание и обновление топографических карт предъявляет к материалам космической съемки повышенные требования в от- ношении их разрешения и возможности стереообработки. Исходя из графической точности (0,1 мм), снимки для стереофотограм- метрической обработки при создании карт масштаба 1 : 100 000 должны иметь разрешение не более 10 м, а для дешифрирования ряда топографических объектов более высокое разрешение – 1–2 м. Для составления топографических карт требуются косми- ческие снимки более высокого разрешения, чем для их обновле- ния. Следует учитывать, что при составлении и обновлении топо- графических карт определенного масштаба одни и те же типы космических снимков могут быть пригодны или непригодны для различных элементов содержания топографических карт. Снимки Landsat 7 ЕТМ+ и Terra ASTER с размером пикселя 15 м позволяют составлять многие элементы содержания карт масштаба 1 : 200 000 и мельче. Некоторые параметры, например длину, ширину и материал мостов, изображаемых на картах 1 : 200 000, нельзя получать по снимкам, поэтому необходимо привлекать дополнительные источники данных. Космические фотоснимки используют на всех этапах по- строения и сгущения фотограмметрических сетей для планового обоснования топографических съемок и высотного обоснования мелкомасштабных съемок. Контурную нагрузку получают при дешифрировании космических снимков, для чего используют богатый опыт дешифрирования аэрофотоснимков.С помощью цифровых фотограмметрических систем выполняют автомати- ческие стереоизмерения, строят цифровые модели рельефа и трассируют горизонтали, изготовляют ортофотопланы и графи- ческие оригиналы карт. 97 По космическим снимкам составляют и обзорно-топографи- ческие карты, минуя многоступенчатый переход от крупных масштабов к средним и мелким. Есть опыт создания по косми- ческим снимкам и общегеографических карт, например базовой карты страны в масштабе 1 : 2 500 000, составление которой проведено с использованием фотопланов на основе космических снимков масштаба 1 : 1 000 000. При обновлении карт по снимкам вначале определяют сте- пень устаревания карт и выделяют районы первоочередного об- новления, к которым относят территории сельскохозяйственно- го освоения, интенсивной добычи полезных ископаемых, город- ского, дорожного, гидротехнического строительства, где обнов- ление приходится выполнять через один-два года, тогда как в малообжитых районах достаточно проводить его через пять– десять лет. От степени устаревания зависит, необходимо ли проводить полное обновление с пересоставлением оригинала карты или можно ограничиться внесением исправлений в изда- тельский оригинал карты камеральным путем. Применение космических снимков для обновления карт сни- жает продолжительность и трудоемкость составительских и редак- ционных процессов. Сокращается время на подбор источников, ознакомление со спецификой территории, упрощается генерали- зация. Одновременно повышаются детальность и точность карт. Обновление карт выполняют разными методами. В послед- нее время получают развитие цифровые технологии. Обновление карты на фотопланахосуществляют в тех случаях, когда изме- нения контуров составляют более 40 % или плановая точность карты не соответствует предъявляемым к ней требованиям. Процесс создания фотоплана включает сгущение опоры, транс- формирование снимков, изготовление фотоплана и репродукций к нему, дешифрирование. Обновление на издательских оригина- лах, выполняемое в случаях, когда изменяется менее 20 % кон- туров карты, предусматривает дешифрирование изменений на снимках и перенос их на издательский оригинал карты. Тематическое картографирование.Космические снимки позволили не только ускорить (процесс) составления и обновле- ния тематических карт, но и открыть новые явления, а также создать новые типы карт. Например, только на космических снимках видны системы облачности, оперативная съемка кото- 98 рых позволяет метеорологам уточнять прогнозы и следить за опасными стихийными явлениями, например ураганами. Геоло- ги составляют по мелкомасштабным космическим снимкам кар- ты линеаментов и кольцевых структур, необходимые для раз- ведки полезных ископаемых. На крупномасштабных аэросним- ках эти структуры не видны. Снимки широко используются для обновления геологиче- ских, геоморфологических, гидрологических, океанологических, метеорологических, ландшафтных карт, карт почв и лесной такса- ции и т. д. Для каждого типа тематических карт имеется своя ме- тодика составления и обновления по космическим снимкам, ис- пользующая в определенном сочетании рисунок снимка и значе- ния яркости в каждой его точке (соответствующие спектральной отражательной способности поверхности, ее температуре или другим характеристикам, в зависимости от типа снимка). Исполь- зование космических снимков при составлении тематических карт позволяет отображать большее количество деталей, а значит, при- водит к большему соответствию карт природному рисунку. При тематическом картографировании требования к точно- сти нанесения положения объекта обычно несколько ниже, чем для топографических карт. Поэтому по одним и тем же снимкам можно составлять тематические карты более крупного масшта- ба. Например, панхроматические снимки, получаемые со спут- ников IRS с пространственным разрешением 5,8 м, пригодны для создания некоторых элементов содержания топографиче- ских карт масштаба 1 : 50 000, а для целей тематического карто- графирования в зависимости от тематики карт – вплоть до мас- штаба 1 : 10 000. Разрешение большей части космических снимков в первые десятки метров соответствует размерам многих объектов земной поверхности. Космические снимки с ресурсно-картографи- ческих спутников хорошо отражают рельеф и структуру внеш- него покрова Земли – почв ирастительности, а следовательно, и ландшафтов, они стали ценным материалом для тематического картографирования. Особый пласт космического тематического картографирова- ния связан с исследованием экологических проблем и глобальных изменений. Сюда относят и карты обезлесения и опустынивания. Но особенно разнообразны по содержанию глобальные карты со- 99 стояния атмосферы, тропосферы, радиационных характеристик, озонового слоя, облачности, ветров, океана (топографии его по- верхности, температур, биопродуктивности) и мн. др. В нашей стране наибольший опыт тематического картографи- рования на основе космической информации накоплен в процессе работы по программе Комплексной картографической ин- вентаризации природных ресурсов (ККИПР). Созданы серии карт геологического строения, почв, растительности, ландшафтов, ис- пользования земель и др. Они отражают современное состояние природных ресурсов, антропогенную нарушенность и загрязнение природной среды, содержат оценку природных условий и ресурсов и дают прогноз ожидаемых изменений. Серии карт созданы для ряда важнейших хозяйственных районов России – Ставрополья, Тверской области, Калмыкии, Прибайкалья, Южной Якутии. 4.2. Применение данных дистанционного зондирования в метеорологии и климатологии В метеорологии космические методы начали применять раньше, чем в других направлениях изучения Земли. До 1970-х гг. космические снимки получали именно в целях изучения атмо- сферы и метеорологических процессов, и съемка велась предна- значенными для этого метеорологическими спутниками. Они впервые в истории науки дали глобальную картину облачного покрова и наглядно отразили атмосферную циркуляцию, прояв- ленную в структуре облачности. Радиационные измерения со спутников поставляют обширные экспериментальные данные по тепловому балансу Земли. Спутниковые системы изучения гло- бальных изменений, например EOSAM,ведут наблюдения за водяным паром, аэрозолями в атмосфере, температурой на верхней границе облаков, состоянием озонового слоя и другими параметрами, имеющими экологическое значение. В до- полнение к этому спутники выполняют оперативный сбор одно- родных метеоданных для всей Земли с помощью системы авто- матических метеостанций. Поэтому появление метеоспутников радикально расширило возможности развития глобальной и ре- гиональной климатологии. Наблюдения за облачностью. Данные спутниковых на- блюдений за облачностью продолжают вызывать особый инте- рес, поскольку облачность является чувствительным и нагляд- 100 ным индикатором погодообразующих процессов и условий по- годы. Процесс дешифрирования космических изображений об- лачности имеет важное значение: при правильной идентифика- ции облачности можно определить положение циклонов и анти- циклонов, связанных с ними атмосферных фронтов, центров за- вихренности; установить стадию барических образований, оп- ределить их эволюцию, предвидеть циклогенез и т. п. Облачность циклонических возмущений, антициклонов и гребней. Форма и структура облачности циклонических обра- зований на ИК-снимках очень разнообразны. Они зависят от географической широты, характера атмосферных процессов, ха- рактера подстилающей поверхности (рельефа, термической од- нородности) и других факторов. Но при всем многообразии рисунка облачных полей цикло- нов они имеют некоторые черты, которые позволяют опреде- лить, какой стадии развития циклона соответствует то или иное облачное образование и к каким широтам (тропическим или средним) они относятся. Развитие внетропического циклона и эволюция его облач- ного поля разбиты на ряд стадий: волны, молодого циклона, ци- клона максимального развития, окклюдирующегося циклона, окклюдированного циклона, циклона в стадии заполнения. По мере развития циклона происходит преобразование об- лачности (рис. 4.2), вызванное перестройкой термобарического поля, которое сопровождается изменением вертикальных дви- жений воздушных масс. Утолщение фронтальной облачной по- лосы с прогибом в сторону холодного воздуха на стадии волны по мере развития циклона приобретает очертания фронтальной системы молодого циклона. Наступающий процесс окклюдиро- вания приводит к сближению облачных полос теплого и холод- ного фронтов и образованию облачной спирали фронта окклю- зии, которая по мере окклюдирования циклона все больше за- кручивается. Окклюдированному, заполняющемуся циклону со- ответствует или хорошо закрученная спираль из слоистообразной облачности темно-серого и серого тона изображения, или не- сколько сходящихся к центру узких облачных спиралей кучево- образной облачности светло-серого и белого тона изображения. Имеют свои особенности и облачные образования орогра- фических циклонов (например, Северного Кавказа, юга Сканди- навии), местных (термических) циклонов, возникающих под 101 влиянием неоднородности поля температуры подстилающей по- верхности (например, зимой над Черным, Каспийским, Балтий- ским морями), средиземноморских циклонов. Рис. 4.2. Развитие циклона от зарождения до разрушения на серии спутниковых снимков AVHRR В антициклонах и гребнях, как правило, наблюдаются внутримассовые облака нижнего яруса и вертикального разви- тия или малооблачная погода. Зимой над континентом и в антициклоне, сформированном в холодном воздухе, – ясно, над теплой морской поверхностью 102 или теплой сушей преобладают открытые конвективные ячейки или гряды. В теплое время года в хо-лодных антициклонах мо- гут образовываться конвективные мезовихри. В антициклонах, сформированных в теплых воздушных массах, характер облачного поля зависит от соотношения тем- пературы подстилающей поверхности и воздушной массы. При равенстве или незначительном различии этих температур в ан- тициклоне наблюдается малооблачная погода, при значительной отрицательной разности (температура подстилающей поверхно- сти ниже температуры воздуха) в антициклонах наблюдаются туманы, слоистообразные и слоисто-кучевообразные облака. Анализ фронтальных облачных полос на космических изо- бражениях. С облачными вихрями вплотную связаны облачные системы атмосферных фронтов, изображаемые на снимках в виде светлых полос различной ширины, протяженности, яркости и структуры. Анализ карт облачности, карт погоды и барической топографии показал, что фронтальные разделы часто прослежи- ваются в поле облачности значительно дольше, чем в поле других элементов. При этом внешний вид облачности и конфигурация облачной полосы часто позволяют определить вид фронта на снимке. Это обстоятельство может служить основой для уточне- ния анализа синоптического положения в конкретном районе. Облачные полосы холодных фронтов (рис. 4.3) имеют чет- кую структуру в виде яркой полосы шириной 200–300 км и дли- ной более 1000 км, очень часто с вкраплениями округлых ярких пятен с резко очерченными краями. Полосы формируются из слоисто-дождевой облачности и отдельных скоплений кучево- дождевых облаков. Обычно они имеют однородный тон изо- бражения, на фоне которого четко прослеживаются вкрапления округлых ярких пятен облаков вертикального развития. Для активных холодных фронтов характерно изображение в виде непрерывной хорошо развитой облачной полосы. Для фронтов с пониженной активностью облачная полоса обычно менее широкая, с отдельными разрывами контура. Очень часто облачные полосы холодного фронта бывают от- делены безоблачными зонами от предфронтальной и зафронталь- ной облачности. На снимках, которые получены для теплого пе- риода года, перед фронтальной зоной на некотором расстоянии от основной облачной полосы очень часто видны гряды кучево- 103 дождевых облаков, расположенные параллельно фронту. За фрон- том иногда могут наблюдаться скопления кучевых облаков, сформированных в гряды, ячейки или ансамбли, не имеющие оп- ределенной структуры. Такие облака являются результатом кон- векции. Для облачных зон холодных фронтов характерна заметная циклоническая кривизна (прогиб в сторону теплого воздуха). Рис. 4.3. Холодный фронт (ХФ) и теплый фронт (ТФ) Теплый фронт (см. рис. 4.3), как правило, хорошо выражен в поле облачности лишь в начальных стадиях развития циклона, поэтому распознавание этих фронтов на снимках гораздо слож- нее, чем холодных. Изображение облачности теплого фронта на 104 ИК-снимках отличается большим разнообразием размеров и ри- сунков облачного покрова. Наиболее типичной для теплого фронта является облачная зона характерного полосного строе- ния шириной 300–500 км и длиной от нескольких сотен до ты- сячи километров, причем длинные облачные полосы на теплых фронтах встречаются редко. Облачная полоса, соответствующая теплому фронту, в про- цессе окклюдирования сливается с облаками холодного фронта. Обычно облачная зона на теплом фронте размывается, и на снимках бывает виден лишь незначительный выступ у точки окклюзии, соответствующий ранее существовавшей облачной полосе теплого фронта. В то же время холодный фронт остается очень четко выраженным. Облачная зона теплого фронта имеет антициклоническую кривизну и выгибается в сторону холодного воздуха. Облачная полоса этого фронта сформирована из однородной слоисто- дождевой облачности. На снимках, полученных в летнее время, очень часто могут наблюдаться отдельные образования кучево- дождевых облаков. Ширина фронтальной облачной полосы на всем ее протяжении неодинакова. Там, где происходит развитие волны и циклона, она расширена, в области тыловых гребней – сужена и размыта. Размытые теплые фронты иногда бывают вид- ны на снимках в виде полос перистой облачности. Отличительной чертой облачности теплого фронта является резкая, часто с округ- лыми очертаниями, тыловая ее граница и изрезанная передняя граница, где отдельные облачные валы и удлиненные просветы располагаются параллельно основной облачной полосе. Перед облачной зоной теплого фронта в холодном воздухе могут наблюдаться мелкие, беспорядочно разбросанные облака кучевых форм, за фронтом в теплом воздухе – облака конвек- ции. Эти облака характерны в основном для летнего времени, они свидетельствуют о неустойчивости и высоком влагосодер- жании теплого воздуха. Исследования показывают, что положе- ние облачной полосы теплого фронта обычно хорошо согласу- ется с положением приземной ложбины. При этом линию фрон- та у поверхности Земли следует проводить вблизи внутреннего края облачной полосы. Облачная зона, соответствующая |