Методологія використання матеріалів багатоспектральної космічної зйомки для вирішення гідрогеологічних задач

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методологія використання матеріалів багатоспектральної космічної зйомки для вирішення гідрогеологічних задач

05.07.12 - дистанційні аерокосмічні дослідження

Сахацький Олексій Ілліч

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державній установі “Науковий Центр аерокосмічних досліджень Землі Інституту геологічних наук Національної академії наук України”

Науковий консультант: член-кореспондент НАН України, доктор геолого-мінералогічних наук, професор Лялько Вадим Іванович, Науковий центр аерокосмічних досліджень Землі Інституту геологічних наук НАН України, директор ЦАКДЗ ІГН НАН України

Офіційні опоненти: доктор геолого-мінералогічних наук, професор Білявський Георгій Олексійович, Національний авіаційний університет, професор кафедри екології

доктор геолого-мінералогічних наук, професор Огняник Микола Степанович, Інститут геологічних наук НАН України, завідувач відділу охорони підземних вод

доктор біологічних наук, старший науковий співробітник, Шадчина Тамара Михайлівна, Національний університет біоресурсів і природокористування України, професор

Захист відбудеться “ 23 ” березня 2010 р. об 11 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 26.162.03 при Державній установі “Науковий центр аерокосмічних досліджень Землі Інституту геологічних наук НАН України” (01601, м. Київ, вул. Олеся Гончара, 55-Б)

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Інституту геологічних наук НАН України (01601, м. Київ, вул. Олеся Гончара, 55-Б)

Автореферат розісланий “ 12 ” лютого 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.162.03 О.І. Левчик

супутниковий гідрогеологічний водообмін наземний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Процеси водообміну, теплообміну та масообміну різного часового та просторового масштабу, які спостерігаються в природі в геосистемах, взаємопов'язані між собою і визначають параметри середовища життєдіяльності людини в межах біосфери. Тому оцінка інтенсивності цих процесів, зокрема, процесів водообміну, та визначення того, як вони знаходять своє відображення на матеріалах космічної зйомки, є актуальною перш за все у зв'язку з погіршенням екологічного стану навколишнього середовища, та необхідністю раціонального його використання. Адже процеси водообміну та формування підземних вод, особливо у верхніх шарах Землі, в ґрунтових водах, часто є визначальними щодо багатьох показників природного середовища. З процесами водообміну пов'язана родючість ґрунтів, врожайність сільськогосподарських культур, стан і продуктивність лісових екосистем, газообмін в них, зокрема, вуглецевий баланс. Крім того, від інтенсивності водообміну залежать ресурси та стан поверхневих і підземних вод верхньої гідродинамічної зони, які використовуються для водопостачання, їх захищеність від забруднення, можливості підтоплення територій внаслідок підйому рівня ґрунтових вод або катастрофічних паводків тощо. Спостереження за цими процесами має бути складовою екологічного моніторингу.

Без використання аерокосмічних даних, які мають перевагу в оперативності та оглядовості перед картографуванням наземними методами, створити ефективну систему екологічного моніторингу практично неможливо. Космічні дані останнім часом набувають усе більшої ваги при проведенні моніторингу навколишнього середовища також у зв'язку з швидким вдосконаленням технології космічної зйомки, одним із сучасних видів якої є багатоспектральна космічна зйомка. До багатоспектральних космічних зображень відноситься сукупність зображень, на кожному з яких відбита одна й та сама сцена і які зроблені синхронно у часі, але одержані в різних частинах (зонах) електромагнітного спектра випромінювання. В наш час суттєво збільшується просторова, спектральна та часова розрізненість багатоспектральної космічної зйомки, а також чутливість супутникових сенсорів. Застосування багатоспектральної космічної зйомки для вирішення тематичних задач та моніторингу довкілля знаходить дедалі ширше застосування. Але отримання якісних результатів потребує поглиблення теоретичного обґрунтування та доопрацювання методів і прийомів обробки даних аерокосмічних зйомок з метою вирішення різних тематичних задач. По суті необхідно створювати відповідні методології. Це стосується також застосування матеріалів багатоспектральних супутникових зйомок при вирішенні гідрогеологічних задач, пов'язаних з оцінкою підземного водообміну на основі моделювання гідрогеологічних процесів.

Враховуючи значні перспективи, що відкриваються при застосуванні космічних зйомок для моніторингу навколишнього середовища, в тому числі в інтересах вивчення і попередження кліматичних змін, Європейське космічне агентство при підтримці Євросоюзу у 1998 році започаткувало ініціативу проведення Глобального моніторингу природного середовища (GMES), у якому ключова роль належить системам космічного спостереження. Декілька десятків спеціальних проектів, які вже виконуються в рамках цієї ініціативи, досліджують на різних масштабних рівнях (від планетарного до локального), використовуючи супутникові дані, зміни клімату, стан земельних ресурсів, лісів, водних об'єктів, а також ризики від будівництва промислових підприємств тощо. Слід відзначати, що багато проектів в цій та інших міжнародних та національних програмах присвячені водообміну в природі, визначенню елементів водного балансу, включаючи підземну гідросферу, адже відомо, що водообмін тісно пов'язаний в природі з іншими процесами і часто має на них значний вплив. Зокрема, це стосується природного водообміну та вуглецевого обміну, що необхідно враховувати при вивченні кліматичних змін. В той же час ефективне застосування матеріалів аерокосмічних зйомок для визначення елементів водного балансу, вивчення процесів енергомасообміну в геосистемах та формування підземних вод, що, як відомо, відноситься до основної проблеми гідрогеології, потребує суттєвої розробки методологічної основи з врахуванням нових можливостей одержання та спільної обробки космічних та наземних даних.

Дані сучасних авіаційних та космічних спостережень здебільшого не використовуються при моделюванні водообміну у геосистемах, яке є потужним засобом оцінки ресурсів підземних вод, особливостей їх формування та руху в підземній гідросфері, що дозволило б виконати інтегрування дистанційних та наземних даних. Практично відсутні методичні підходи, які дозволяють вирішувати, використовуючи дані дистанційного зондування Землі (ДЗЗ), гідрогеологічні задачі, що пов'язані з ідентифікацією гідрогеологічних параметрів геосистеми, необхідних для побудови математичних моделей підземного водообміну верхньої гідродинамічної зони.

На всіх етапах моделювання геофільтраційних процесів на основі використання тільки даних наземних точкових спостережень та опробування у свердловинах, колодязях, шурфах виконавець завжди зустрічається з браком даних і з тим, що вони характеризують, власне, лише точку опробування. Разом з тим при моделюванні необхідно оперувати узагальненими та інтегральними характеристиками для розрахунків блоків моделі, що може бути досягнуто при використанні матеріалів маловитратних аерокосмічних зйомок. Отже, в галузі виконання гідрогеологічних робіт при побудові гідрогеологічних моделей існує наукова проблема визначення гідрогеологічних параметрів та їх коректного узагальнення по всій площі гідрогеологічної моделі між точками опробування.

Використання сучасних багатоспектральних супутникових зйомок може надати необхідну інформацію для коректного визначення необхідних параметрів водообміну в кожному розрахунковому блоці моделі між точками опробування, що значно підвищить ефективність та достовірність гідрогогеологічних робіт. Саме цим питанням присвячена дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження виконані в рамках науково-дослідних робіт, що проводились в Державній установі “Науковий Центр аерокосмічних досліджень Землі” (ЦАКДЗ) ІГН НАН України: “Методика визначення видового складу та стану лісів” (шифр “Космокарта” № держреєстрації 0104U007804); “Розробка теоретико-методичних основ нових аерокосмічних технологій на базі гіперспектральних зйомок та комплексної синергетичної інтерпретації даних дистанційного зондування Землі“ (№ держреєстрації 0100U006712); “Дослідження фундаментальних процесів енергомасообміну в системі “ґрунт-вода-рослина” з метою обґрунтування формування на земній поверхні інформативних спектральних сигналів для пошуків корисних копалин та контролю екологічного стану за допомогою аерокосмічних зйомок“ (№ держреєстрації 0102U000926); “Розробка теоретико-методичних основ прогнозування природних змін з використанням матеріалів космозйомок та моделювання енергомасообміну в геосферах“ (№ держреєстрації 0106U000510); “Методологія пошуку корисних копалин на основі геоінформаційного підходу до комплексного інтерпретування матеріалів аерокосмічного багатоспектрального / гіперспектрального знімання і даних наземних фізичних вимірювань та спостережень” (№ держреєстрації 0107U002302); “Координація досліджень по створенню аерокосмічного блоку системи GMES” (№ держреєстрації 0107U002303); а також при виконані Науковим центром аерокосмічних досліджень Землі ІГН НАН України НДР розробки методики та її практичної реалізації з метою використання матеріалів космічних зйомок для визначення зон підвищеної водопроникності та інтенсивного живлення підземних вод у зв'язку з проблемою їх захищеності від радіонуклідного забруднення в Зоні відчуження Чорнобильської АЕС у період 1998-2007 рр. Крім того, частина досліджень за темою дисертації проведена та реалізована при виконанні НДР в рамках співробітництва між Комітетом із системного аналізу при Президії НАН України та Міжнародним інститутом прикладного системного аналізу (IIASA) за спільними дослідницькими проектами “Лісове господарство” та “Землекористування” у період 2001 - 2009 рр.

Мета роботи і завдання дослідження. Мета роботи - розробка методичних підходів для використання даних багатоспектральної космічної зйомки при вирішенні гідрогеологічних задач, пов'язаних з математичним моделюванням гідрогеологічних процесів, схематизацією природних умов та визначенням параметрів моделей водообміну в геосистемі у верхній гідродинамічній зоні.

Дослідження фокусується на аналізі можливостей раціонального застосування космічних знімків різної просторової та спектральної розрізненості сенсорів SPOT, Landsat TM/ETM, AVHRR/NOAA, TERRA/ASTER, TERRA/MODIS, ENVISAT Meris на різних етапах побудови гідрогеологічних моделей для визначення складових водообміну та ресурсів підземних вод у верхніх шарах Землі, в системі ґрунтові води - рослина - атмосфера на прикладі ряду полігонів в межах території України.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувались такі завдання:

– виконати аналіз літературних джерел стосовно передумов та можливостей використання багатоспектральних космічних зйомок для вирішення гідрогеологічних задач;

– дослідити можливості використання сучасних супутникових даних для схематизації гідрогеологічних умов та побудови моделей водообміну в геосистемах;

– розробити ефективні методичні підходи для оцінки складових водообміну в системі грунт-рослина-атмосфера з врахуванням особливостей гідрогеологічних моделей верхньої гідродинамічної зони;

– виконати розробку комплексної методики оцінки основних гідрогеологічних параметрів водоносних горизонтів верхньої гідродинамічної зони (інфільтраційне живлення, водопровідність), використовуючи комплексну обробку наземних та супутникових даних;

– провести теоретичні та експериментальні польові дослідження з метою застосування методичних розробок для визначення параметрів водообміну.

Об'єктом дослідження є процеси водообміну верхньої гідродинамічної зони геосистеми і їх відображення на матеріалах багатоспектральної космічної зйомки земного покриття.

Предмет дослідження - взаємозв'язок між даними багатоспектральної космічної зйомки земного покриття та основними гідрогеологічними параметрами моделей водообміну верхньої гідродинамічної зони, а також методичні підходи комплексної обробки наземних і супутникових даних для визначення параметрів гідрогеологічних моделей.

Методи дослідження - методи первинної обробки та класифікації багатоспектральних космічних знімків, імовірнісно-статистичні методи для оцінки результатів класифікації та встановлення кореляційних залежностей, лабораторні та дистанційні методи визначення вологості ґрунтів, метод взаємокорегування основних гідрогеологічних параметрів, методи чисельного вирішення задач геофільтрації для моделювання гідрогеологічних процесів, методи створення тематичних карт з використанням ГІС-технологій.

Наукова новизна одержаних результатів. Найважливіші наукові результати роботи наступні:

1. Розроблена методологія використання матеріалів багатоспектральних супутникових даних для вирішення гідрогеологічних задач, пов'язаних з побудовою гідрогеологічних моделей для оцінки складових водообміну та ресурсів підземних вод.

2. Запропоновано методичні підходи для оцінки складових водообміну, використовуючи аналіз стану рослинного та ґрунтового покриву на основі класифікації земного покриття за багатоспектральними космічними знімками.

3. Розроблено методичний підхід комплексування даних космічної зйомки з гідрогеологічним моделюванням для ідентифікації параметрів гідрогеологічних моделей з використанням методу взаємокорегування основних гідрогеологічних параметрів.

4. Показана ефективність використання даних багатоспектральної космічної зйомки сенсорів NOAA AVHRR, TERRA MODIS, Landsat TM/ETM, SPOT 4/5 та ін. для класифікації земного покриття з метою схематизації гідрогеологічних умов, визначення ділянок живлення та розвантаження підземних вод при побудові гідрогеологічних моделей різного масштабного рівня (регіонального та локального), оцінки складових водообміну (евапотранспірація, інфільтраційне живлення підземних вод).

5. Запропоновано водний індекс NWI для ефективного визначення зволоженості земного покриття та виявлення локальних зон живлення та розвантаження підземних вод при вирішенні гідрогеологічних, екологічних та агротехнічних задач.

6. Розроблену методологію використання багатоспектральних супутникових даних застосовано для визначення складових водообміну та основних гідрогеологічних параметрів водоносних горизонтів в ряді районів в межах території України:

· отримано оцінку та побудовані уточнені карти параметрів водообміну та основних гідрогеологічних параметрів перших двох від поверхні водоносних комплексів верхньої гідродинамічної зони в четвертинних відкладах та в еоценових відкладах (балансова складова інфільтраційного живлення та водопровідність водоносних комплексів) в межах Чорнобильської зони відчуження для прогнозування радіонуклідного забруднення та ґрунтових вод в межах агрофітоценозів басейну р. Трубіж для визначення складових водообміну;

· проведено класифікацію та оцінку зволоженості земного покриття для прогнозування врожайності агрофітоценозів в межах Київської та Миколаївської областей;

· виконано класифікацію земного покриття для оцінки процесів водообміну в межах лісових екосистем на прикладі лісів України (Чорнобильської зони відчуження та Карпатського регіону).

7. Проведена кількісна оцінка транспіраційних витрат рослинними угрупованнями показує, що вони для територій досліджень є суттєвою складовою водного балансу і можуть перевищувати модуль поверхневого стоку. Для басейну р. Трубіж транспіраційні витрати у середньому становлять біля 145 мм/рік і майже втричі перевищують модуль поверхневого стоку. В межах заболочених ділянок та долин річок евапотранспірація забезпечує основне розвантаження ґрунтового потоку і значно впливає на рівні ґрунтових вод.

8. Виявлено вперше на основі обробки супутникових даних високої розрізненості періодичну зміну зон з меншою та більшою вологістю на ділянках живлення в басейні р. Трубіж. Ширина цих зон - декілька десятків метрів. Вони орієнтовані у північно-східному та північно-західному напрямках і, вірогідно, відповідають особливостям тектоніки даного району. У вузлах перетину зон, як правило, розташовані западини мікрорельєфу з підвищеним інфільтраційним живленням, але оцінена для більшості ділянок з інфільтраційним живленням балансова його складова для ґрунтових вод у середньому для розрахункових блоків не перевищує (+0,5 - +1,0)·10-⁴ м/доб, або приблизно 20-40 мм/рік. Отримані результати дозволяють стверджувати, що значна частина інфільтраційного живлення, особливо в межах западин мікрорельєфу, надходить до нижчезалягаючих водоносних горизонтів у палеогенових відкладах.

Обґрунтованість і достовірність наукових результатів. Достовірність результатів досліджень забезпечується шляхом проведення великого обсягу обробки багатоспектральних космічних знімків SPOT 4/5, Landsat TM/ETM, NOAA/AVHRR, TERRA/ASTER, TERRA/MODIS, ENVISAT/Meris та EO-1 Hypеrion для визначення типів земного покриття та складових енергомасообміну і, зокрема, водообміну у верхніх шарах Землі на прикладі ряду територій в межах України з використанням розроблених методичних підходів, що складають запропоновану методологію. Обґрунтованість та достовірність запропонованих методичних підходів, зокрема, для класифікації земного покриття при вирішенні поставлених задач підтверджується наземними завірковими даними, що отримані в ході виконання польових маршрутних спостережень та даними з літературних джерел. Достовірність отриманих кількісних оцінок також підтверджується результатами статистичного аналізу при обробці реальних багатоспектральних космічних знімків.

Наукове значення роботи. Розроблено методологію використання багатоспектральних супутникових даних для вирішення ряду гідрогеологічних задач, що дає змогу на основі нової інформаційної бази підвищити достовірність та ефективність виконання гідрогеологічних робіт, пов'язаних з побудовою регіональних та локальних гідрогеологічних моделей для оцінки складових водообміну та ресурсів підземних вод. Представлена методологія доповнює методологічні підходи застосування даних ландшафтно-індикаційного та структурного дешифрування матеріалів ДЗЗ для вирішення вказаних гідрогеологічних задач.

Розроблена методологія використовує переваги багатоспектральної космічної зйомки і включає низку запропонованих розрахункових методів. Обґрунтовано оригінальні методичні підходи для оцінки складових водообміну на основі класифікації земного покриття за багатоспектральними космічними знімками з різною просторовою та спектральною розрізненістю. Представлено новий методичний підхід для оцінювання зволоженості земного покриття та інтенсивності водообміну поверхневих шарів геосистеми на основі запропонованого водного індексу та показано ефективність його використання для визначення локальних зон живлення та оцінки зволоженості земного покриву при виконанні гідрогеологічної схематизації та побудові гідрогеологічних моделей для вирішення гідрогеологічних, екологічних та агротехнічних задач.

Показані принципові можливості та розроблено методичний підхід комплексування даних космічної зйомки та наземних вимірювань з гідрогеологічним моделюванням для ідентифікації параметрів гідрогеологічних моделей.

Практичне значення отриманих результатів полягає у підвищенні ефективності та достовірності гідрогеологічних досліджень для побудови гідрогеологічних моделей з метою оцінки складових водообміну та ресурсів підземних вод. Методичні підходи, які дозволяють на основі комплексного використання наземних та супутникових даних виконувати класифікацію типів земного покриття та проводити оцінку інтенсивності водообміну і основних гідрогеологічних параметрів в верхній гідродинамічній зоні, були апробовані при визначенні параметрів водообміну водоносних горизонтів в межах Чорнобильської зони відчуження (результати у вигляді звітів передано до адміністрації зони відчуження ЧАЕС) та басейну р. Трубіж.

Розроблені методичні підходи дозволяють одночасно отримати ряд картографічних результатів щодо різних характеристик земного покриття. Зокрема, запропонована методика класифікації лісових рослинних угруповань дозволяє отримати просторовий розподіл різних типів лісів (Чорнобильська зона відчуження, Карпатський регіон), що може бути використано, як в лісовому господарстві при розробці лісотехнічних заходів (підтверджено актом впровадження від УкрНДІгірліс ім. П. Пастернака, м. Івано-Франківськ від 10.06.2009 р.), так і в гідрогеології як основа для подальших воднобалансових розрахунків, а також для забезпечення гідрометеорологічних спостережень (підтверджено двома актами впровадження від ЦГО Міністерства екології та природних ресурсів України від 07.03.2003 р. та від 20.05.2004 р).

Запропоновані методичні підходи до класифікації агрофітоценозів та оцінки зволоженості земного покриття на основі використання багатоспектральної космічної зйомки були використані для оцінки стану посівів озимих сільськогосподарських культур та прогнозування їх врожайності в межах Київського регіону.

Методичні розробки для оцінки інтенсивності процесів водообміну, включаючи оцінку евапотранспірації, інфільтрації поверхневих вод у підземні, накопичення вологи в ґрунтах, можуть застосовуватись при екологічних дослідженнях взаємозв'язку водного та вуглецевого циклів, що можна використати для вивчення кліматичних змін локального та регіонального рівня.

Особистий внесок здобувача. Основні результати роботи одержано особисто автором. Результати співпраці з колегами та спеціалістами інших наукових галузей відображено в спільних наукових публікаціях, що наведені в списку опублікованих праць за темою дисертації. Проведений автором аналіз використання супутникових даних в гідрогеологічних дослідженнях розглянуто в працях [1, 2, 4, 5, 8, 40, 42, 45]. Загальні питання та окремі методичні підходи до методології використання багатоспектральних супутникових даних для вирішення гідрогеологічних задач розроблені автором самостійно й опубліковані в роботах [1-5, 8, 15, 21, 22, 40, 42, 45]. Методичні підходи до класифікації земного покриття в межах лісів для забезпечення вирішення поставлених в дисертації питань розроблені автором і наведені в роботах [1-3, 18, 20, 24, 26, 27, 30, 31, 35, 37, 38, 49, 51-53]. Методичні підходи розроблені автором до класифікації земного покриття в межах агрофітоценозів для вирішення поставлених задач наведено в працях [3, 6, 11, 32, 36, 44, 47, 50]. Розробка методики використання космічних знімків для оцінки зміни водної поверхні та заболочених територій представлено в роботах [14, 16, 28, 48]. Розроблені автором методичні підходи до використання багатоспектральних супутникових даних для визначення складових водного балансу та параметрів гідрогеологічних моделей опубліковано в роботах [1, 2, 4, 5, 8, 40, 42, 45]. Розроблений автором метод визначення вологості земного покриття на основі індексу NWI наведено в роботах [4, 5, 7, 9, 10, 18, 40, 42, 45, 46]. Окремі питання застосування супутникових даних для екологічного моніторингу наведено в роботах [2, 3, 12, 14, 15, 17, 19-25, 35, 37-39, 41, 52-54]. Питання забезпечення робіт завірковими наземними даними висвітлено в роботах [3, 13, 33, 34, 43]. Апробація методичних розробок автора в межах конкретних районів представлена в роботах [1-11, 14, 16, 18, 20, 23, 24-27, 30-32, 35-40, 42, 44, 45-54].

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на міжнародному семінарі “EARSel Workshop on Pollution Monitoring and GIS” (Brandys nad Labem, Gzech Republic, 1995), міжнародному конгресі “Congress of the International Society for Photogrametry and Remote Sensing” (Vienna, 1996), республіканській науково-практичній конференції “Наука Чорнобиль 98” (Київ, 1999), науково-технічному семінарі “Нові методи в аерокосмічному землезнавстві” (Київ, 1999), міжнародному симпозіумі “22^nd EARSeL Symposium & General Assembly” (Prague, Chesh Republic, 2002), міжнародній науково-практичній конференції “Інформаційні технології управління екологічною безпекою, ресурсами та заходами у надзвичайних ситуаціях” (с. Рибаче, АР Крим 2002), міжнародній конференції “Фотосинтез і продуктивність рослин” (м. Київ, 2002), республіканській конференції “Національне картографування: стан, проблеми та перспективи розвитку” (Київ, 2003), “Першій Українській конференції з перспективних космічних досліджень” (м. Київ, 2001), міжнародному симпозіумі “24^th EARSeL Symposium New Strategies For European Remote Sensing” (Dubrovnik, Croatia, 2004), “Четвертій Українській конференції з космічних досліджень” (с. Понізовка, АР Крим, 2004), “31-у міжнародному симпозіумі ІSPRS (Міжнародного співтовариства з фотограмметрії та дистанційного зондування)” (м. Санкт-Петербург, 2005), на П'ятій, Шостій та Сьомій Українських конференціях з космічних досліджень (Євпаторія, 2005, 2006, 2007), міжнародному симпозіумі “ISPRS Mid-term Symposium Remote Sensing: From Pixels to Processes” (Enschede, Netherlands, 2006), Першій науковій конференції “Науки про Землю та Космос - Суспільству” (м. Київ, 2007), на семінарах за тематикою європейської ініціативи Глобального моніторингу для збереження навколишнього середовища і безпеки (GMЕS) в рамках проекту Twinning “Прискорення українсько-європейського співробітництва в космічній сфері” (НКАУ, м. Київ, 2008 - 2009), на спільних нарадах співробітників Міжнародного інституту прикладного системного аналізу (IIASA) та представників робочих груп від НАН України за проектами “Лісове господарство” та “Землекористування” (м. Київ - Luxenburg, 2001 - 2008) і на наукових семінарах ЦАКДЗ ІГН НАН України (м. Київ, 1992 - 2009).

Матеріали дисертації увійшли до циклу робіт на тему “Розв'язання проблем раціонального природокористування методами аерокосмічного зондування Землі та моделювання геодинамічних процесів”, які були нагороджені Державною премією України в галузі науки та техніки у 2005 р.

Публікації: За темою дисертації опубліковано 54 наукових праці, з них 3 монографії у співавторстві, 36 статей, 15 тез та матеріалів конференцій. 23 наукові публікації розміщено в виданнях, що визнані фаховими виданнями ВАК України. 8 - без співавторів.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, трьох основних розділів, 19 підрозділів, висновків, списку використаних джерел з 358 найменувань і 3 додатків, містить 76 рисунків і 33 таблиці. Загальний обсяг роботи 384 сторінки машинописного тексту, з них основного тексту 297 сторінок.

Автор висловлює щиру подяку науковому консультанту директору Наукового Центру аерокосмічних досліджень Землі Інституту геологічних наук НАН України чл.-кор. НАН України В.І. Ляльку за наукові консультації, постійну увагу та допомогу при виконанні роботи і можливість працювати у доброзичливих та творчих умовах. Автор щиро дякує чл.-кор. НАН України О.Д. Федоровському, д.т.н. М.Г. Демчишину, д.т.н. О.М. Попову, д.г. - м.н. А.А. Вальтеру, д.г. - м.н. А.В. Матошку, д.б.н. В.М. Стародубцеву, д.б.н. С.В. Сябряй за сприяння в підготовці роботи та обговоренні результатів досліджень. Особливу подяку автор висловлює колегам з ЦАКДЗ ІГН НАН України, з якими безпосередньо проводив теоретичні та експериментальні дослідження і що були співавторами ряду робіт: к.ф. - м.н. З.М. Шпортюк, к.г. - м.н. А.Я. Ходоровському, к.б.н. Г.М. Жолобак, к.б.н. О.І. Левчик, д.т.н. С.А. Станкевичу, д.геол.н. О.Т. Азімову, О.М. Сибірцевій, О.А. Апостолову, М.В. Ющенку, к.т.н. А.А. Козловій та ін. За сприяння в роботі автор щиро вдячний співробітникам ЦАКДЗ ІГН НАНУ к.т.н. В.Г. Прокопенку, Т.В. Цимбал, Т.М. Буніній, В.С. Оголенку, І.В. Прокопенку, Е.М. Дорофей, В.Г. Авраменко, Г.П. Оленович, Г.М. Джунь та ін. За сприяння в зборі супутникової інформації автор вдячний директору ДНВЦ “Природа” к.г. - м.н. В.С. Готиняну. Автор вдячний керівникові відділу ІПНБ РНБО України к.ф. - м.н. Л.Д. Грекову, керівникові ЦГО Міністерства екології та природних ресурсів України О.О. Косовцю та завідувачу відділом ЦГО В.В. Соколову, керівникові ОГМС Баришівка Т.М.Федоренко, керівникові відділу “Чорнобильліс”, к.б.н. С.М. Бідній, пров. н. с. УкрНДІгірліс, к.с. - г.н. Ю.С. Шпарику, керівникам гідрогеологічних підрозділів НІЦ РПД НАН України, к.г. - м.н. Ю.Ф. Руденку, к.г. - м.н. В.Н. Бублясю. та к.ф. - м.н. О.С. Богуславському, доценту кафедри гідрогеології та інженерної геології КНУ О.Л. Шевченку за допомогу в зборі інформації, в проведені спільних досліджень, а також за поради в розробці окремих питань та за сприяння в реалізації наукових ідей.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Вступ. Обґрунтовується актуальність досліджень та їх практична цінність, сформульовані мета й задачі дисертаційної роботи, висвітлюються наукова новизна та практична значимість результатів роботи. Крім того, наводяться результати апробації та загальні характеристики роботи.

Розділ 1. Передумови та обґрунтування використання матеріалів багатоспектральної космічної зйомки для вирішення гідрогеологічних задач моделювання процесів підземного водообміну в геосистемах. В розділі проведено обґрунтування вибору теми роботи, задач, що вирішуються, та методологічних підходів. В різних підрозділах та пунктах за даними вітчизняних і закордонних публікацій розглядаються проблеми моделювання водообміну та можливості використання багатоспектральної космічної зйомки для їх вирішення на кожному основному етапі створення гідрогеологічної моделі. Представлено огляд використання матеріалів аерокосмічної зйомки в гідрогеологічних дослідженнях, особливості багатоспектральних космічних зйомок та переваги їх використання при вирішенні поставлених гідрогеологічних задач.

Результати аналітичного огляду зводяться до наступного. В наш час вже існує розуміння того, що без використання аерокосмічних даних, які мають перевагу щодо оперативності та оглядовості, створити ефективну систему екологічного моніторингу практично неможливо. Одним з ключових елементів екологічного моніторингу є контроль за процесами водообміну в геосистемах. Адже часто саме ці процеси визначають стан природного середовища з екологічної точки зору. Але аналіз літературних джерел показує, що визначення параметрів водообміну в верхній гідродинамічній зоні інтенсивного водообміну, як правило, недостатньо обґрунтоване через брак даних. В деяких випадках всю балансову неузгодженість між складовими водного балансу (кількістю атмосферних опадів, поверхневим стоком, випаруванням з поверхні ґрунтів та водоймищ, транспірацією рослин і т.п.) необґрунтовано відносять до інфільтрації поверхневих вод у підземні без подальшої перевірки на основі створення відповідних фільтраційних моделей, що дозволило б уникнути фізично нереальних значень геофільтраційних параметрів.

При вирішенні гідрогеологічних задач супутникові дані надають, як правило, опосередковану інформацію і її використання можливе тільки у поєднанні з великою кількістю різнобічних допоміжних даних. Характерною особливістю таких досліджень є необхідність точної просторової прив'язки даних до системи географічних координат для порівняльного аналізу. Крім того, ця інформація потребує логічної організації, систематизації та створення загальної бази даних. Саме таку можливість надає використання ГІС-технологій. Але, більш повне використання потенціалу сучасних супутникових технологій для вирішення гідрогеологічних задач буде реалізовано лише тоді, коли такий інтегрований підхід, по-перше, набуде значно ширшого використання, а по-друге, буде доповнений технологією моделюванням енергомасообміну у підземних водах, що запропоновано В.І. Ляльком (1995). Такий інтегрований підхід та розробка методології його реалізації є фактично предметом розгляду даної роботи.

Взаємозв'язок між складними процесами енергомасообміну в геосистемах і, зокрема, в верхній гідродинамічній зоні інтенсивного водообміну досить ефективно описується рівняннями математичної фізики. Загальний вигляд цих рівнянь та методи їх розв'язку на основі аналітичних методів та чисельного або аналогового моделювання наведено в багатьох роботах, де розглядаються процеси переносу води, тепла та речовини в підземній гідросфері, зокрема, в роботах Ф.М. Бочевера, Б.В. Боревського, Г.О. Білявського, М.М. Верігина, І.Є. Жернова, В.І. Лялька, А.В. Лущика, В.О. Мироненка, М.С. Огняника, А.Б. Ситникова, А.О. Сухореброго, Ю.Ф. Філіпова, В.М. Шестакова, В.М. Шестопалова, З.М. Шпортюк, Г.А. Шнейдермана, Г.П. Євграшкіної, Є.О. Яковлєва, Ю.Ф. Руденка, О.С. Богуславського, А.Л. Брикса, Б.Д. Стеценко та інших. Процеси випаровування вологи з поверхні Землі та їх зв'язок з тепловим балансом земної поверхні детально досліджувались багатьма вченими, зокрема, М.І. Будико, М.І. Гойсою, О.Р. Константиновим, J. L. Monteith, W. Kustas, H.L. Penman, M. Unsworth. Позитивні спроби використання супутникових даних для визначення евапотранспірації були зроблені V. Caselles, R.Rivas, V. Venturini та іншими. Методи оцінки складових водного балансу з врахуванням процесів випаровування в різні роки розроблялись також в роботах Є.Д. Гопченка, О.В. Гушлі, І.О. Запольського, В.С. Мезенцева та інших. Вплив лісових екосистем на водний баланс водозборів ґрунтовно розглядається в публікаціях П.Ф. Ідзона, О.О. Молчанова, І.С. Шпака та інших.

На основі досліджень вказаних авторів в роботі розглядаються фізико-математичні моделі енергомасообміну в геосистемах, з більшої деталізацію для процесів, що проходять в верхній гідродинамічній зоні, у приповерхневих шарах та на поверхні Землі. Крім водообміну у підземній гідросфері, розглянуто процеси вологообміну в системі грунт-рослина-атмосфера, зважаючи на те, що складові водного балансу пов'язані з евапотранспірацією, можуть порівнюватись з річковим стоком, але в практиці гідрогеологічних та гідрологічних розрахунків цьому приділяється недостатня увага.

Моделювання енергомасообміну у геосистемах, яке ґрунтується на узагальненні методів чисельного розв'язання задач фільтрації, теплопереносу і масообміну, є універсальним засобом кількісної оцінки природних процесів, їх різних складових та параметрів [Лялько, 1974; Лялько, Митник, Шпортюк, 1983; Огняник, 1983; Лукнер, Шестаков, 1986; Пашковський, 1988; Шестопалов, Руденко, Богуславський, 2001; та ін.]. Гідрогеологічне моделювання, як відомо, умовно поділяється на декілька загальних етапів, які включають схематизацію області досліджень, побудову розрахункової схеми, а також розв'язування обернених та прямих задач геофільтрації. При вирішенні обернених задач геофільтрації для визначення параметрів моделей виконавець майже завжди зустрічається з браком даних і з тим, що вони характеризують власне лише точку опробування. Визнається, що ідентифікація параметрів шляхом вирішення обернених задач геофільтрації є однією з важливих і в той же час важких проблем при побудові моделей підземного водообміну. Цій проблемі присвячено досить багато робіт [Лялько, Шнейдерман, 1965; Гавич, 1971; Мироненко, Шестаков, 1978; Пашковский, 1988; та ін.]. Огляд закордонних робіт з цього напрямку наведено в роботі [Yeh, 1986]. Визнано, що помилки за рахунок невірно визначених параметрів, або, точніше сказати, варіації розв'язків за рахунок зміни параметрів значно перевищують відмінності внаслідок застосування різних розрахункових схем або методів розв'язку прямих задач геофільтрації. Іншою проблемою є коректне узагальнення та визначення інтегральних характеристик для розрахунків блоків моделі. Для цього потрібна достатня кількість даних по кожному блоку моделі. При традиційному підході коректно розв'язати це питання майже нереально через значні витрати коштів та часу на початкову інформацію. Методи регуляризації при розв'язанні обернених задач моделювання лише частково допомагають вирішити дану проблему. Особливо впливає на похибку прогнозів нерівномірний по площі і в часі розподіл точкових даних, на основі яких дослідники повинні будувати моделі, і при цьому мусять суб'єктивно проводити інтерполяцію чи екстраполяцію цих даних.

Наявність даних ДЗЗ кардинально змінює ситуацію на краще. Тому в даній роботі розглядаються методологічні питання використання даних багатоспектральної космічної зйомки для побудови гідрогеологічних моделей для оцінки водообміну в геосистемі, включаючи проведення схематизації області та визначення параметрів моделей водообміну. Значне число публікації свідчать про достатньо обґрунтовані передумови використання на різних етапах розв'язування гідрогеологічних задач, починаючи з етапу гідрогеологічної схематизації, даних сучасних авiацiйних та космiчних зйомок у різних діапазонах [Кринов, 1947; Шилин и др., 1971; Дейвис и др., 1983; Выгодская и др., 1987; Campbell, 1987, Кронберг, 1988; Лялько, 1988; Кочубей и др., 1990; Шадчина, 2001; та ін], особливо у інфрачервоному та мiкрохвильовому дiапазонах, що дозволяє виділити та оконтурити зони живлення та розвантаження підземних вод, визначити рівні ґрунтового потоку для ділянок їх неглибокого залягання на основі, як правило, достатньо формалізованих розв'язків для практично будь-якого місця поверхні Землi. Обробка космічних знімків дозволяє виділити однорідні ландшафтні зони для оцінки значень складових водного балансу (евапотранспірація, iнфiльтрацiйне живлення підземних вод, вологість ґрунту). Спеціальна обробка космічних знімків дозволяє також визначити ділянки підвищеної концентрації забруднення ґрунтів та рослин (наприклад, радіонуклідами) та визначити місця з підвищеною небезпекою їх проникнення в підземні води. Крім того, використання матеріалів космічних зйомок різних років дозволяє говорити про стан навколишнього середовища у попередні роки і про зміни, зокрема в ландшафтах, які відбулися за час, що минув. Ландшафтно-індикаційне та структурне дешифрування матеріалів ДЗЗ у поєднанні з аналізом геолого-геофізичних матеріалів дозволяє: уточнити тектонічні умови, блокові структури району досліджень, що має важливе значення для виділення однорідних ділянок гідрогеологічної моделі; виділити активні на сучасному етапі розвитку кільцеві структури, які впливають на положення ерозійної мережі, вододільних площ, що, в свою чергу, визначає розподіл потоків поверхневих та підземних вод; побудувати карти лінійних структур (лінеаментів), які просторово пов'язані з розломами; провести аналіз поля лінеаментів для деталізації основних напрямків розвитку розломів, їх щільності та вузлів перетину, що може використовуватись для оцінки фільтраційної проникності порід, особливо у вертикальному напрямку.

Запропоновані в даній роботі методичні підходи на основі використання багатоспектральної космічної зйомки суттєво доповнюють традиційне ландшафтно-індикаційне та структурне дешифрування матеріалів ДЗЗ, що застосовується в гідрогеології. Вони дозволяють через використання розрахункових методів та побудову відповідних моделей визначити інтенсивність процесів водообміну у верхній гідродинамічній зоні і фактично оцінити складові водного балансу та наповненість гідрогеологічних структур водними ресурсами.

В розділі на основі аналізу робіт В.І. Лялька, В.О. Мироненка, М.С. Огняника, А.Б. Ситнікова, В.М. Шестакова, В.М. Шестопалова, D.R. Maidment, A.M.J. Meijerink та з власного досвіду автора розглядаються основні 10 етапів побудови гідрогеологічних моделей верхньої гідродинамічної зони інтенсивного водообміну з оцінкою можливостей залучення на кожному такому етапі даних багатоспектральної космічної зйомки (табл. 1).

В розділі розглядається програмне забезпечення для виконання робіт по створенню гідрогеологічних моделей на сучасному рівні за принципами та основними етапами, що сформульовані в табл. 1.

Особлива увага звертається на програмні продукти, що застосовуються для обробки супутникової інформації. В роботі в основному використовувався програмний продукт ERDAS Imagine компанії ERDAS, який є стандартом де-факто в галузі обробки даних ДДЗ.

Щодо програм моделювання геофільтраційних процесів, то аналіз літературних даних свідчить, що на даний час високу ефективність та широке застосування має програма MODFLOW у програмному середовищі PMWIN. В роботі наводяться приклади також інших програмних засобів.

Для гідрогеологічного моделювання автором створено власні програмні розробки, а саме такі програми: 1. CORP - програма розрахунків основних геофільтраційних параметрів (водопровідність, балансова складова інфільтраційного живлення) по стрічках течії квазістаціонарних сіток фільтрації шляхом їх взаємокорегування. Програма розроблена на основі методу взаємокорегування параметрів [Лялько, Шнейдерман, 1965; Шнейдерман, 1970]. Цей метод потребує значного обсягу апріорної інформації. Автором створена нова версія програми CORP, яка дозволяє використовувати багатоспектральні супутникові дані як апріорну інформацію і коректно подолати ці труднощі методу.

Таблиця 1. Основні етапи побудови гідрогеологічних моделей та можливості залучення даних багатоспектральної космічної зйомки для їх виконання

2. BALANS3 - програма перерахунку параметрів з криволінійних сіток фільтрації, які розраховані програмою CORP, на прямокутну тривимірну сітку для моделювання прямих задач фільтрації на основі скінчено-різницевих схем. Програма виконує балансування основних геофільтраційних параметрів для тривимірної прямокутної сітки та узгоджує їх із квазістаціонарними напорами (рівнями) підземних вод. 3. FILTR3 - програма тривимірної стаціонарної та нестаціонарної фільтрації, яка реалізує скінченно-різницеву модель фільтрації чисельним методом на основі ітераційного методу послідовної верхньої релаксації.

В розділі виконано огляд робіт про застосування дистанційних методів для вирішення ряду гідрогеологічних задач. Аналіз літературних джерел показав, що, в першу чергу, дистанційні методи використовуються для оглядового вивчення закономірностей розповсюдження підземних вод, гідрогеологічного картування, виявлення розривних порушень і оцінки їх ролі в живленні та розвантаженні підземних вод і формуванні поверхневого та підземного стоку. Добре відомі роботи

Є.О. Востокової, О.В. Садова, М.І. Бурлешина, О.С. Вікторова, В.М. Валяха, Р.Г. Джамалова, В.І. Лялька, Б.В. Шиліна та ін.

До останнього часу дешифрування матеріалів супутникових зйомок з гідрогеологічною метою ґрунтувалось в основному на візуальному аналізі з використанням так званих фізіономічних компонентів ландшафту, які виявляються на космічних знімках, а саме: рослинність, рельєф, грунт, гідромережа, які формуються безпосередньо під впливом підземних вод.

За літературними даними розглядаються можливості використання в гідрогеологічних дослідженнях лінеаментного аналізу, що базується на даних структурного дешифрування матеріалів ДЗЗ. Лінеаменти, як доведено багатьма роботами, тісно пов'язані з розривними порушеннями і є їх індикаторами. Тому аналіз поля лінеаментів використовується для встановлення ділянок підвищеної водопроникності гірських порід за рахунок збільшення тріщинуватості порід в зонах тектонічних порушень. Роботи в даному напрямку проводились Б.О. Николаєнком, А.Я. Ходоровським, О.О. Янцевичем, О.А. Апостоловим та ін. З цією точки зору корисними є дослідження Б.С. Бусигіна та ін. Аналіз поля лінеаментів може використовуватись як критерій для вибору розташування водозабірних свердловин, які забезпечують більший дебіт. Прикладом таких досліджень, що виконувались за кордоном, є роботи [Gustafsson, 1993; Krisinamurthy, Srinivas, 1995; Saraf, Choudhury, 1998; Meijerink, 2007; та ін.].

З широким розповсюдженням з кінця 80-х років сканерної космічної зйомки можливості використання даних ДЗЗ значно розширюються. В наш час багатоспектральна сканерна космічна зйомка земної поверхні проводиться, як правило, у значно більшій кількості спектральних каналів (від 3-15 - багатоспектральна зйомка та до десятків і сотень каналів - гіперспектральна зйомка). В розділі розглядаються особливості багатоспектральних космічних зйомок та переваги їх використання при вирішенні поставлених гідрогеологічних задач. Це, по-перше, можливість проводити класифікацію земного покриття на основі даних спектрального відбиття в різних каналах зйомки, що дозволяє для виділених класів земного покриття виконати наближену оцінку характеру та інтенсивності процесів водообміну. По-друге, багатоспектральна зйомка надає можливість обчислювати різні показники та індекси, і особливо так звані водні індекси, які визначаються на основі спектрального відбиття в інфрачервоних діапазонах електромагнітних хвиль, чутливих до зволоженості земного покриття. Це може бути використано для оконтурення зон живлення та розвантаження підземних вод при схематизації гідрогеологічних умов, встановлення западин мікрорельєфу, де можлива інтенсивна інфільтрація поверхневих вод у підземні.