Реферат: Гидро-климатические условия на космических снимках

Речная и озерная сеть должны изображаться на карте по состоянию на картографический уровень воды. Но в связи постоянно изменяющимся уровнем воды (например, на р. Нижняя Тунгуска суточная амплитуда колебаний может достигать 1-2 м.) зафиксировать на снимке очертания водных объектов по состоянию на заранее установленный уровень воды трудно. Иногда для этого необходимо провести дорогостоящие и трудоемкие работы. Практически при проведении аэрокосмических съемок в картографических целях ориентируются на примерное соответствие мгновенного (при фотографировании) уровня воды срезочному, принятому для ближайшего водомерного поста. При этом каких-либо крите­риев, регламентирующих предельно допустимые отклонения уровня воды во время съемки от принятого за оптимальный, нет. Поэтому нередки случаи, когда дистанционная съемка выполняется в произвольные сроки, без учета уровенного состояния водных объектов, что приводит к не­удовлетворительным результатам.

Вопрос обоснования уровенных условий съемки вод требует специальной проработки. Величина допустимой амплитуды колебаний уровня воды должна дифференцироваться для каждого участка водотока или для каждого озера. Так, сред­няя многолетняя амплитуда колебаний уровня воды открытого русла на р. Подкаменной Тунгуске изменяется по длине реки следующим образом: в верхнем течении — на 1 м, в среднем (с. Ванавара) — на 6 м, в нижнем (с. Байкит) — на 12 м.

Если принять единый допуск на отклонение мгновенного (при дистанционной съемке) уровня воды от установленной нормы по какому-то одному посту, то этот допуск не будет «работать» при удалении вверх или вниз по течению реки. На­пример, если за исходный пункт принять створ у с. Ванавара, то приемлемая для него величина отклонения уровня воды от принятой нормы будет завышенной для верховьев реки и не­достаточной для низовьев. В первом случае (верховье реки) допустимый для створа у с. Ванавара интервал уровня воды будет больше его годовой амплитуды, во втором (низовье ре­ки) — он окажется явно недостаточным. Следовательно, рас­сматриваемый допуск должен соотноситься с амплитудой коле­баний уровня воды, этому критерию удовлетворяет картографический интервал уровней воды, так как его величина функционально связана с ампли­тудой колебаний уровня воды в любом створе реки или в озере.

При проведении аэрокосмической съемки в целях создания или обновления топографических карт, а также для решения ряда задач комплексного изучения и картографирования при­родных условий и ресурсов необходимо иметь следующую ин­формацию о состоянии вод исследуемой территории: во-пер­вых, когда наблюдается фаза водности, уровни воды при ко­торой находятся в пределах картографического интервала высот; во-вторых, какова продолжительность стояния уровней воды (число дней в году) в картографическом интервале вы­сот. Последняя важна для оценки категории сложности съемки.

Для определения этих параметров на опорных гидрологи­ческих створах рек Сибири вычислены: картографи­ческий уровень воды; картографический интервал уровней воды; средняя годовая повторяемость уровней воды в карто­графическом интервале высот. Далее, по данным стандартных гидрологических наблюдений Гидрометеослужбы, установлено наилучшее время дистанционной съемки, т. е. месяцы, в которые наблюдалась наибольшая повторяемость уровней воды в оптимальной шкале высот. По полученным материалам построены карты наилучших сроков аэрокосми­ческой съемки рек в картографических целях (рис. 71, 72). При этом выявлено, что продолжительность стояния уровней воды в картографическом интервале высот изменяется зонально и по высотным поясам, т. е. отражает общие географиче­ские закономерности гидрологического режима рек. Так, в пределах Среднесибирского плоскогорья на широте 55—60" этот параметр для рек местного стока равен приблизительно 100 дней, на широте 70°— 30 дней. В горах с увеличением высоты он уменьшается. Например, в северных предгорьях Саян он находится в пределах 80—90 дней, а в верхнем поясе гор сокращается до 30 дней в году.

Оптимальные сроки дистанционной съемки крупных, осо­бенно зарегулированных рек, могут не совпадать со сроками съемки рек местного стока. В этих случаях целесообразна до­полнительная съемка по маршрутам вдоль крупных рек. Возможно также использование материалов ранее выполнен­ных аэрокосмических съемок, удовлетворяющих поставленным требованиям. Этот вариант более экономичный, так как ко­смические съемки ведутся несколько раз в год, а плановые деформации русел рек за 1—2 года в большинстве случаев не превышают графическую точность даже крупномасштабных карт. При дистанционной съемке половодий и паводков на ре­ках необходима оперативная информация территориальных управлений по гидрометеорологии, поскольку время их наступления и максимального развития находится в зависимо­сти от гидрометеорологических условий конкретного года.

Годовой ход уровня воды озер в целом повторяет ход уров­ня воды рек. Поэтому сроки их аэрокосмической съемки прак­тически совпадают.

Водохранилища, за исключением мелких, наносятся на топографическую карту при нормальном подпорном уровне воды. Аэрокосмическая съемка их должна выполняться после наполнения, что для большинства крупных водохранилищ Си­бири отмечается в сентябре (Новосибирское водохранилище — в июле, Усть-Илимское — в августе). Уровни воды, близкие к НПУ, держатся практически до появления ледовых явлений. Как и для рек, для водохранилищ можно обозначить допу­стимые пределы высоты уровня воды во время дистанционной съемки. Такой интервал ΔА зависит от величины проектной сработки водохранилища А и вычисляется по формуле

ΔАвдхр=НПУ±0,1А.

Для отображения сезонной динамики береговой линии це­лесообразно наносить на карту положение уреза воды и при сработке водохранилищ. Поэтому дистанционная съемка их должна производиться в два срока, т. е. дополнительно еще весной, сразу после очищения воды ото льда. Для водохрани­лищ юга Сибири, это время обычно наступает в конце апре­ля-начале мая, для северных водохранилищ-во второй по­ловине июня или в начале июля.

Дешифрирование вод на аэрокосмических фотоснимках

В связи с развитием дистанционных исследований методи­ка тематического дешифрирования снимков быстро наполня­ется новым содержанием. Двигателем этого прогресса являет­ся практическая необходимость значительного расширения круга изучаемых природоведческих проблем (ресурсного, ди­намического, прогнозного и других направлений), а также внедрение автоматизированных систем обработки дистанцион­ной информации, что требует более глубокого учета геогра­фических закономерностей и взаимосвязей между компонен­тами природной среды. Новые подходы, базирующиеся на комплексной интерпретации мелкомасштабных снимков, осо­бенно заметны в космическом землеведении.

С уменьшением масштаба на снимке теряются многие де­тали изображения природной среды, но в результате «косми­ческой» (спектральной, геометрической и тематической) ге­нерализации на нем «проявляется» новая информация. Например, за счет более высокой степени визуализации круп­ных полей с различной оптической плотностью надежно де­шифрируются линеаменты, кольцевые структуры, морские течения и другие природные объекты и явления. С другой стороны, потеря деталей привела к необходимости бо­лее глубокого учета взаимосвязей между составляющими при­родных комплексов (выявления косвенных, ландшафтных признаков дешифрирования), что в свою очередь значительно повысило достоверность результатов.

Известно, что объем регистрируемой на снимке информа­ции во многом зависит от спектрального  диапазона съемки. При   съемке   в   видимом   диапазоне   электромагнит­ных  волн   (0,4—0,8 мкм) определяющее значение имеет интегральная яркость объекта, а при съемке в узком диапа­зоне — спектральная.

Природные тела (вода, растительность, горные породы и др.) характеризуются различной отражательной способностью, которая дифференцируется также для фиксированных длин электромагнитных воли. Эксперименты показали, что, несмотря на влияние на яркостные характеристики местности внешних факторов (высоты солнца, прозрач­ности атмосферы и др.), выделяются длины электромагнитных волн, в которых та или иная группа объектов регистрируется на снимке более контрастно.

На графике видно, что, например, для целей гидрологи­ческого дешифрования повышенной информативностью обла­дают снимки, полученные в диапазоне 0,6—0,8 мкм. В этом случае водная поверхность резко «вычленяется» на фоне изо­бражения других природных образований. Появляется широ­кая возможность автоматизированного распознавания объек­тов посредством математической формализации процесса дешифрирования и использования современных систем цифро­вой обработки изображений.

Методика топографического и тематического специального' дешифрирования природных объектов и явлений на дистан­ционных снимках базируется на общих принципах, изложен­ных в ряде работ.

При топографическом картографировании главное внима­ние уделяется отображению внешних очертаний объектов местности, показу их взаимного расположения и раскрытию внутренних свойств. Эти так называемые топографические объекты местности определяют главное содержание карт соответствующих масштабов и назначения (использование в народном хозяйстве, в Вооруженных Силах, при решении за­дач научно-исследовательского характера и др.).

Основное содержание тематических карт, в частности карт природы, представляет отображение того или иного элемента или явления (элементов или явлений) физико-географической среды — вод, растительного покрова, почв, ландшафтов и т. д. Некоторые карты могут содержать узкую специальную информацию: мутность вод, норма стока, корневые гнили леса и др. При тематической интерпретации аэрокосмических сним­ков широко используется ландшафтный метод дешифриро­вания.

Набор современных средств и методов изучения природной среды с использованием дистанционной информации очень широк. Он включает применение самолетных и космических съемок, привлечение картографических, справочно-географических, литературных и фондовых источников, проведение по­левых работ. Многие авторы отмечают большие преимущества космических материалов при создании серий взаимосвязанных тематических карт, т. е. при реализации комплексного изуче­ния и картографирования природных условий и ресурсов. Все это относится и к дистанционному исследованию вод.

Гидрологический анализ аэрокосмических снимков пред­полагает знание не только прямых (видимых) признаков де­шифрирования, но и учет существующих в природных комп­лексах взаимосвязей и взаимозависимостей, как на региональ­ном, так и на глобальном уровнях. Устанавливаемые в поле­вых условиях гидрологические дешифровочные признаки це­лесообразно систематизировать в виде аэрокосмофотоэталонов, которые в оптимальном варианте должны представлять собой наборы разномасштабных, разновременных и разнотип­ных снимков с отдешифрированными на них гидрологическими элементами и комплексами природной среды, характеризую­щими сущность и динамику происходящих гидрологических процессов. При этом необходимо устанавливать технические и природные параметры съемки, которым соответствует ландшафтно-гидрологическая интерпретация эталонного фотоизо­бражения. В данных условиях основные количественные и качественные характеристики вод, снятые с эталонов, можно экстраполировать в границах ландшафта определенного ран­га.

Распознавание открытых водных поверхностей, снега и льда на материалах аэрокосмической съемки производят в основном по прямым признакам дешифрирования. Снимки, полученные в видимой области электромагнитного спектра, весьма информативны для дешифрирования речной и озерной сети, заснеженности территории, ледовой обстановки, что объясняется значительной вариацией спектральных коэф­фициентов яркости указанных объектов — от 0,1 для чистых и глубоких водных масс в спокойном состоянии до 0,9 для све­жевыпавшего снега. Главными дешифровочными признаками поверхностных вод являются: ровный фототон и специфиче­ская монотонная или выразительная структура изображения воды, снега и льда; извилистость непрерывно линейно вытяну­того рисунка рек; овальная форма озер и приуроченность во­дотоков и водоемов к пониженным элементам рельефа.

По темному фототону и вытянутой форме уверенно распо­знаются реки шириной до 0,05—0,07 мм в масштабе снимка, что соответствует его разрешающей способности 10/15 ли­ний/мм. Меньше указанного предела реку на снимке обычно не видно. При этом большое значение имеют факторы, обуслов­ливающие резкость и градационную характеристику фотогра­фического материала: внешние условия съемки, структура эмульсионного слоя и режим фотографической обработки, от которых во многом зависит информационная емкость снимка. Как показали   исследования, проведенные в ЦНИИГАиК, дешифрируемость цветных снимков на 15—30% выше соответствующего показателя черно-белых панхромати­ческих изображений.

Таким образом, на наиболее распространенных среднемасштабных (1:200000) и мелкомасштабных (1:1000000) ко­смических снимках по прямым признакам надежно распозна­ются относительно крупные реки. Озера дешифриру­ются, когда становится различимой их форма. Но при большом скоплении озер иногда удается опознать даже очень мелкие из них, которые изображаются на снимке в виде не­больших точек. Поэтому при дешифрировании по­верхностных вод косвенные признаки имеют особое значение.

Если прямые признаки дешифрирования на разномасштабных снимках относительно стабильны в любых ландшафтах, то косвенные признаки следует отнести к категории мобильных, потому что они способны варьировать в очень широких пре­делах при изменении масштаба съемки, а также в значитель­ной степени зависеть от природных условий. Так, фототон вод­ной поверхности и конфигурацию рек, каналов, озер и водо­хранилищ можно считать одинаковыми как в лесной, так и в степной или тундровой зонах. Однако увлажненные выше фо­нового уровня территории индицируются в лесной зоне по уг­нетенной растительности, а в степной, наоборот, по буйной растительности. Примеры такого рода очень многочисленны, так как косвенные (ландшафтные) признаки могут быть весь­ма «тонкими» и иметь локальный характер. Рассмотрим основ­ные признаки дешифрирования поверхностных вод на конкрет­ном материале.

Спутниковые съемки содержат обширную информацию о снежном покрове, которая необходима для оценки влагозапасов, объема и режима поступления талой воды в речную сеть. При использовании многократных съемок в видимом (0,4—0,8 мкм), ближнем инфракрасном (ИК) (0,7—1,3 мкм) и тепловом ИК (8—12 мкм) спектральных диапазонах можно определять степень заснеженности водосборов, высотное по­ложение заснеженных участков, продолжительность залегания:

снега по высотным поясам, его глубину и плотность. На космических снимках четко фиксируется площадь тающего снега. На белом фоне снежного покрова уверенно дешифрируются верхние звенья речной сети, так как обильно пропитанный водой снег по тальевгам выделяется более темными узкими полосами. После схода снега эту ин формацию об истоках получить уже невозможно.

Космическая съемка очень эффективна для изучения сов ременного и древнего оледенения. При фотографировании горных районов с космических орбит уменьшаются плановые искажения, которые достигают больших значений на материалах аэрофотосъемки. Даже на мелкомасштабных дистанционных материалах хорошо просматриваются тело ледника, троговые долины и морены. Имеется опыт реконструкции древнего оледенения и конкретизации парамет­ров четвертичных ледников в максимальную фазу их развития.

Белый тон фотоизображения льда является основным дешифровочным признаком наледей. Кроме прямых признаков (тона, структуры и формы) при распознавании наледей под­земных вод учитывается ряд косвенных признаков дешифри­рования: географическое положение бассейна, высотный пояс, приуроченность к определенным формам рельефа и линиям тектонических нарушений, геологическое строение территории и др. Распознавание наледных тел и наледных полян вполне' возможно на черно-белых снимках, полученных в видимом диапазоне спектра. Но наибольшей гляциологической:

информацией обладают снимки в ближней инфракрасной зо­не. Они обеспечивают более высокий контраст фотоизображе­ния открытого льда и окружающего ландшафта независимо от их физиономичных черт. На спектрозональных снимках лучше выделяются переувлажненные грунты, поэтому они предпочти­тельны для дешифрирования наледных полян после стаивания льда. Исследования показали, что с уменьшением масштаба снимка главнейший признак дешифрирования наледных полян — структура фотоизображения ослабевает и в качестве основного признака выступает фототон.

Высокая контрастность льда и открытой водной поверхно­сти позволяет использовать космические снимки для изучения .ледовых явлений в реках, на озерах и водохранилищах, в мо­рях. Оперативное слежение за динамикой разрушения речно­го льда помогает выявлять заторные участки и прогнозировать наводнения. Для организации такого мониторинга успешно используются данные, получаемые с метеорологиче­ских спутников.

Материалы дистанционного зондирования применяют при изучении транзита речных наносов и режима осадконакопления в прибрежных зонах озер и морей. Область аккумуляции твердого стока в устьях рек дешифрируется по светлому фо­тотону водной поверхности. Это дает возможность следить за динамикой подводного рельефа, заносимостью аква­торий, процессами переформирования берегов.

С помощью аэрокосмической фотосъемки и телевизионной информации успешно изучается динамика речных разливов. По разной степени почернения фототона на снимках достоверно дешифрируются границы и площади разливов, по­следовательность затопления поймы, характер происходящих в ней эрозионно-аккумулятивных процессов и ряд других ги­дрологических явлений. Такие сведения особенно важны при исследовании наводнений на неизученных реках, что имеет большое практическое значение в условиях Сибири.

Особую сложность при гидрологическом дешифрировании дистанционной информации представляет процесс распозна­вания малых рек. Например, в залесенных районах кроны де­ревьев могут полностью скрывать русла шириной до 5—6 м, в связи с чем их выявление нередко затруднено даже на очень крупномасштабных (1:2000 — 1:6000) снимках. Однако во многих случаях при определенных условиях съемки и со­стоянии ландшафта можно получить удовлетворительные ре­зультаты дешифрирования малых рек даже на мелкомасштаб­ных космических фотоснимках.

Так, на залесенных равнинных территориях во время ин­тенсивного снеготаяния в верхнем звене речной сети начинает скапливаться большое количество талой воды. Благодаря контрастному фотоизображению водной поверхности и снега (воды и почвенно-растительного покрова) на космических снимках любого масштаба становятся хорошо заметными да­же мельчайшие водотоки. Это позволяет детально изучить строение речной сети и составить подробную гидро­графическую карту.

Для тундровых районов Сибири характерна задержка схода снега даже в незначительных углублениях рельефа, где в ре­зультате метелевого переноса мощность снежного покрова становится выше фоновой. На 1—2 недели позднее снег стаи­вает также на затененных уступах микрорельефа. При весен­ней съемке этот снег может служить индикатором речной се­ти. После схода снега мелкие тундровые реки на космических снимках не просматриваются.

В условиях залесенной местности в качестве индикаторов малых рек нередко удается использовать растительность. Лес чутко реагирует на изменение условий произра­стания — света, тепла, влаги, минеральной пищи и др. В каждой природной зоне и физико-географической провинции экологические особенности древесных пород различны, поэто­му и индикаторная роль их меняется. Например, на относи­тельно увлажненных днищах долин может произрастать в од­них климатических условиях ель, в других — сосна или бере­за. Особенно  хорошо   видовой   состав растительности разделяется на спектрозональных снимках, поэтому при ги­дрологическом дешифрировании такие материалы более цен­ны. В отдельных случаях эффективно синтезирование черно-белых узкоканальных изображений.

Оттенению рисунка речной сети на мелкомасштабных ко­смических снимках способствует глубокий врез речных долин, особенно в малоконтурных горно-степных районах. Повышению контраста способствует не только затененность склонов и днищ глубоких долин, но и развитие в прирусловой части более мощной растительности.

Широко используются косвенные признаки дешифрирова­ния малых рек в освоенных сельскохозяйственных районах. Надежным индикатором рек являются пруды. Четко выделяются долины водотоков, оконтуренные участками па­шен.

Дешифровочные признаки динамики вод подробно рас­смотрены В. И. Орловым. Несмотря на то, что им использованы в основном материалы аэрофотосъемки, изло­женная методика комплексного анализа хода развития компо­нентов природы и их взаимосвязей может быть применима к фотоснимкам любого масштаба. Достоинства космических методов здесь особенно ощутимы, так как при большом территориальном обзоре динамические процессы можно анализировать с учетом более широкого спектра гео­графических закономерностей и взаимосвязей между компо­нентами природной среды.

Как видно из приведенных примеров, в качестве косвенных признаков дешифрирования вод могут выступать не только долговременные, но и кратковременные состояния элементов местности. Все их перечислить невозможно, так как они специфичны для конкретных ландшафтов и условий съемки. На­ша задача заключалась в том, чтобы обратить внимание ис­следователя на необходимость широкого географического под­хода к процессу интерпретации снимка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ ритмики природной среды и выделение наиболее устойчивых состояний ее компонентов является необходимым условием географически достоверного картографического изо­бражения природного ландшафта, его коренных черт, особен­ностей строения и направления развития. Наиболее значимы такие исследования при изучении и картографировании вод дистанционными методами.

В основу выполненной работы положено представление о том, что в условиях многообразия гидрологического режима рек, закономерно отражающего широкий спектр физико-гео­графических условий их бассейнов, формируются зональные и широтно-поясные инварианты стока и других гидрологиче­ских показателей. Эти инварианты можно считать достаточно стабильными, так как они трансформируются не в порядке динамики геосистем, а в процессе эволюционного развития природной среды.

На большом фактическом материале Гидрометеослужбы показано, что для водных объектов с любым гидрологическим режимом, включая искусственно зарегулированные, таким инвариантом является картографический уровень воды, по со­стоянию на который должна изображаться гидрографическая сеть на карте.

Географическое обобщение уровенного режима рек с кар­тографических позиций позволило выявить гидрологический параметр, пространственное распределение которого тесно коррелирует с основными гидрометеоэлементами — осадками и стоком. На базе комплексной оценки гидролого-климатических, геолого-орографических и ландшафтных признаков построена карта этого параметра на территорию Сибири, с помощью которой можно находить картографический уровень воды по многолетним данным о режиме поверхностных вод, публикуемым Гидрометеослужбой.

Таким образом, главное значение работы заключается в обосновании жесткого опорного уровня воды рек и озер для нанесения его на топографические карты. Высота опорного уровня находится в зависимости от гидрологического режима водных объектов: для равнинных рек с весенним половодьем он является низким меженным, для горно-ледниковых рек — высоким половодным, для зарегулированных рек определяется характером пропуска стока и т. д. Картографический уровень обеспечивает географическую достоверность изображения ги­дрографической сети, так как выделяется по критерию типич­ности и может рассматриваться как картографический стан­дарт на уровень воды гидрографической сети.

Выполненные разработки, в том числе по гидрологическому дешифрированию аэрокосмических снимков, отображению на карте региональных особенностей вод и другим, имеют прак­тическую направленность. Еще раз подчеркнем, что качество гидрологической интерпретации аэрокосмических материалов (дешифрирование гидрологического режима рек, режима поемности, развития болото-образовательного процесса, особен­ностей руслового процесса и др.) определяется глубиной ландшафтной проработки территории.

Применение космической информации при изучении и кар­тографировании природных условий и ресурсов ставит на повестку дня необходимость решения ряда важных научных проблем, ориентированных на рациональное использование и охрану вод.

Первая проблема охватывает широкий комплекс природо­ведческих исследований, направленных на познание законо­мерностей естественного режима геосистем в различных при­родных зонах страны. Особый интерес представляет целевой анализ гидрологического режима вод аридных областей и вы­сокогорных районов. Нужна выработка целостной системы оценки динамических состояний вод применительно к задачам картографии. Иными словами, предстоит расширение «сибирских» рамок исследования до всей территории СССР и апробирование изложенной в книге методологии картографирова­ния вод в других регионах.

Вторая проблема состоит в более углубленной проработке механизмов трансформации природного режима водных объек­тов в условиях техногенного вмешательства и при ликвидации его последствий, то есть в цикле восстановления нарушенных геосистем. Последнее особенно актуально в связи с неизбеж­ной выработкой эксплуатационного ресурса гидротехнических сооружений и их демонтажа. Прогнозирование возможных в этих случаях кризисных ситуаций и их дистанционный и кар­тографический мониторинг пока не имеют достаточного науч­ного обоснования.

Одной из неотложных задач представляется  реализация «космического» обеспечения топографических и других крупно­масштабных тематических карт в виде масштабированных полистных фотосхем, составляемых по материалам ежегодных дистанционных съемок. Такая фотопродукция позволит поль­зователю иметь постоянно обновленную карту местности и осуществлять оперативный мониторинг природной среды.

Литература:

«ВОДЫ-АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ СНИМОК-КАРТА» А.Я. Гиенко