Методы мониторинга водных объектов с использованием ДДЗ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методы мониторинга водных объектов с использованием ДДЗ

Баджанов Б.М., Ким В.А., Таласбаев М., Кермалиев У.Т.

Концептуальные основы мониторинга наблюдаемого мира (НМ) изложены в [1]. При создании системы мониторинга необходимо определить как содержательные аспекты описания, так и эффективную форму представления описаний. Важное требование - преемственность описаний, т.е. возможность их развития при модернизации подсистемы сбора данных и сохранение старых приложений при расширении круга решаемых задач. В ГИС- приложениях описания НМ представляются в картографическом виде. Масштаб карт зависит от пространственных размеров территории и объектов мониторинга. Обычно, при выборе базовых масштабов за основу принимают мировую картографическую разграфику земного шара (WRS).

Одна из основных функций мониторинга заключается в обнаружении и пространственной локализации изменений в состоянии НМ. Методы детектирования изменений обычно предусматривают сравнение описаний НМ отвечающих различным моментам времени. В системах космического мониторинга исходная информация о состоянии НМ поступает в виде цифровых космических снимков.

Главными недостатками, ограничивающими широкое применение спутниковой информации при гидрологических исследованиях, являются: эпизодичность съёмок, косвенный способ оценки гидрологических параметров, значительные погрешности их определения, высокая стоимость спутниковой информации высокого разрешения.

Тем не менее, наличие непрерывного потока космической информации создает базу для мониторинга природной среды как в региональном, так и в глобальном масштабах. водосбор спутниковая информация речной

Вместе с тем, единственной возможностью для повышения эффективности результатов гидрологических исследований в настоящее время является совместное применение аэрокосмических и наземных данных, а также различных видов карт, что наилучшим образом объединяется в географических информационных системах (ГИС).

В [2] описаны методология и некоторые результаты использования дистанционных методов для оценки экологических рисков бассейна реки Иртыш.

Использование космических снимков (КС) Landsat с пространственным разрешением, соответствующим масштабу 1:100000, позволило выделить границы природно-территориальных комплексов. Космические изображения SPOT с разрешением в пределах 1:50 000 - 1:100 000 использовались для создания цифровой модели рельефа (ЦМР), а КС ASTER - для получения отметок урезов воды для каждой маски водной поверхности.

Для характеристики рисков водности Иртыша дистанционными методами, учитывая высокую степень его зарегулированности, авторами [3] оценивалась динамика уреза воды крупных водохранилищ Казахстана (Усть-Каменогорского, Бухтарминского, Шульбинского) за многолетний (1973-2009 гг.) и сезонный (май - сентябрь 2009 г.) периоды. В качестве индикатора проходящих процессов рассматривались местоположение уреза воды водохранилищ и площади их зеркал.

В ходе обработки дистанционных материалов было установлено, что на сток бассейна Иртыша в последние годы, наряду с увеличением объёмов водопотребления, сильно влияет естественная изменчивость природных факторов. Для всех водохранилищ не отмечено превышений нормального подпорного уровня (НПУ). Но выявлена значительная динамика колебаний уровней водохранилищ. В то же время, только для Бухтарминского водохранилища отмечается негативная тенденция существенного снижения уровня воды за последний год. Отмечено увеличение объёма водохранилищ и площадей водного зеркала при уменьшении отбора воды на хозяйственные нужды.

Аэрокосмический мониторинг состояния природных гео- и экосистем в последнее время широко используется для изучения экологических проблем трансграничных бассейнов на Дальнем Востоке [4]. Здесь приведено описание основы информационного обеспечения мониторинга, состоящее из трех групп источников:

- регулярные натурные данные, получаемые со стационарных наземных полигонов, пунктов наблюдений, расположенных на водотоках и водосборе, в прибрежной и открытой части приемного трансграничного водоема (гидрометеорологических и гидрохимических стационарных и передвижных постов), а также результаты различных сезонных полевых обследований;

- материалы дистанционного зондирования разных масштабов и типов съемки, содержащие новые сведения о гидрологических, гидробиологических и других особенностях рек и акваторий, степени антропогенного воздействия на водосбор и обеспечивающие возможность пространственно-временной экстраполяции данных локальных наблюдений;

- изданные ранее картографические материалы (топографические, батиметрические, навигационные, специализированные), которые служат для получения первичной информации о строении гидрографической сети, структуре землепользования водосбора, привязки и интерпретации космических изображений.

Основными, а часто и единственными, источниками информации о состоянии трансграничных водосборов в последние годы являются данные наблюдений, выполняемые искусственными спутниками Земли, которые обеспечивают регулярное получение и систематическое накопление разнохарактерных сведений для всей исследуемой геосистемы, в том числе и труднопроходимых малоизученных территорий (высокогорий, болот и т.д.). Спектрозональные данные дистанционного зондирования крупного масштаба и высокого разрешения (от 2-5 до 20-30 м) несут в себе огромный информационный потенциал, сокращая время на ознакомление со всей территорией, позволяя решить проблему сопоставления данных, полученных единовременно и обработанных по одной методике.

Для изучения трансграничных водных объектов и их водосборов целесообразно совместное использование картографических и дистанционных материалов. Первоначально карты могут использоваться в качестве основы для привязки и предварительного дешифрирования снимков. Затем космические снимки дополняют и обновляют содержание базовой карты и служат основой для создания новых тематических карт, отображающих современное состояние изучаемых территорий международного водного бассейна (любой площади, разного иерархического уровня), специфику его развития. Наконец, разработанные тематические карты преобразуются в геоинформационную среду.

Несколько иной перечень задач космического мониторинга водных объектов предлагается в [5]. С помощью данных ДЗЗ и программных комплексов по их обработке предлагается решать такие задачи, как:

- инвентаризация водохранилищ и других водных объектов;

- постоянные наблюдения за состоянием дамб и других водозащитных и гидротехнических сооружений;

- оценка экологического состояния водных объектов, в том числе выявление загрязненных в результате аварийных сбросов и разливов вредных веществ участков водоемов, выявление источников загрязнения;

- изучение русловых процессов и картографирование микрорельефа дна на мелководье;

- прогнозирование и оперативный мониторинг наводнений, моделирование процессов затопления территории в результате наводнений;

- мониторинг состояния водоохранных зон, несанкционированного строительства в их пределах промышленных и жилых объектов;

- разрешение судебных споров, связанных с водопользованием и нарушениями Водного кодекса РФ;

- определение биологической продуктивности водоемов, выявление водных биоресурсов, решение рыбоводческих задач и многие другие.

В работе отмечено, что для решения задач экологического мониторинга крупных водных объектов подходят данные, получаемые с радиометра MODIS с пространственным разрешением 250 м, 500 м и 1 км. Для решения задачи оценки качества воды наиболее информативной является сине-зеленая область спектральных каналов MODIS. Низкое пространственное разрешение ограничивает широкое применение данной системы. Она пригодна только для мониторинга крупных водоемов и масштабных процессов, происходящих в них.

Как отмечается в научной литературе, при инвентаризации водохранилищ и других водных объектов и мониторинге изменения их границ традиционно береговые линии водоемов определялись однократно в меженный период при обновлении картографической продукции. Космическая съемка позволяет не просто выполнить разовое установление границы водоема, но и осуществлять регулярное определение положения береговой линии водохранилищ и других водных объектов, отслеживать все изменения конфигурации водного зеркала с заданной степенью периодичности.

Для мониторинга состояния водозащитных и гидротехнических сооружений, водоохранных зон и выявление источников загрязнения эффективно использование космических снимков сверхвысокого разрешения (не меньше 1 м на местности). Данные ДЗЗ из космоса позволяют оценивать техническое состояние сооружений, проектировать новые объекты. Особенно перспективно применение таких данных для протяженных объектов как при строительстве, так и при эксплуатации, например, водоохранных дамб, гидротехнических сооружений в труднодоступных районах и т. д. Немаловажное значение имеет постоянный оперативный мониторинг состояния дамб и плотин с целью своевременного выявления начинающихся процессов их эрозионного размыва, ветрового разрушения, образования каверн в результате развития карстовых, термокарстовых процессов, физического и химического выветривания.

Поверхностная гидрографическая сеть (реки, озера, водохранилища) имеет специфическую линейную и площадную конструкцию. Поэтому при дешифрировании водных объектов используются в основном геометрические, а не спектральные или текстурные признаки.

Изменчивость плановых очертаний водных объектов связана с сезонными колебаниями уровня воды. Поэтому при обосновании сроков съемки для топографии необходимо учитывать соответствие фазы уровенного режима состоянию вод. Нередко важен учет площадных гидрологических характеристик, так как многие параметры (например, площадь разлива рек, граница распространения снежного покрова) чрезвычайно динамичны и для их изучения требуется временная привязка аэрокосмической съемки с точностью до дня.

Кроме того, в [6] приводятся рекомендации к оптимальным срокам дистанционной съемки рек, озер и водохранилищ, соблюдение которых необходимо при проведении космической 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:

1) когда наблюдается фаза водности, уровни воды при которой находятся в пределах картографического интервала высот;

2) какова продолжительность стояния уровней воды (число дней в году) в картографическом интервале высот. Последняя важна для оценки категории сложности съемки.

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.

При использовании дистанционных материалов эффективно использовать принцип комплектности, который обеспечивается применением сканерных снимков с нескольких спутников: Landsat-1-7, SPOT-4, ASTER [9].

Основные задачи космического мониторинга крупных речных водосборов, как единой геосистемы, рассмотрены в [10]. Данные дистанционного зондирования в условиях дефицита наземных наблюдений являются основными, а часто и единственными доступными источниками информации о состоянии водных объектов и их водосборах. Обоснование выбора типов космических снимков, пространственного охвата и масштаба зависит от специфики геосистем бассейнов разного ранга, их строения, динамики функционирования в зависимости от природных и антропогенных особенностей.

Анализ публикаций о применении данных дистанционного зондирования к исследованиям водных ресурсов позволил выделить в качестве объектов космической съемки следующие водные объекты и обводнительные системы:

- реки (важной характеристикой бассейна трансграничных рек является высокая природная изменчивость речного стока и уровня грунтовых вод на общем фоне современных процессов аридизации. При мониторинге русловых процессов по многолетней спутниковой информации уточняется расположение и изменение речных русел);

- каналы (наличие исторической спутниковой информации позволяет определить фактическую ситуацию создания сети каналов (протяженность строящихся каналов) и гидротехнических сооружений);

- озера (суммарная площадь водного зеркала легко регистрируется по ДДЗ. Она напрямую связана с обводненностью территории. Для подтопляемых или периодически затопляемых территорий с развитой вегетацией, маскирующей состояние поверхности, регистрация наличия или отсутствия воды через спутник затруднена. При инвентаризации такие объекты могут выделяться в отдельный класс или приписываться к площади болот, т.е. относиться к водному объекту с маскирующим растительным покровом);

- водохранилища (методика дистанционного исследования состояния водохранилищ и определения площади водной поверхности является эффективной для получения объективных данных по мониторингу трансграничных бассейнов и выявлению факторов риска водности.);

- массивы орошаемых земель (на орошаемых территориях состояние растительности напрямую зависит от режима увлажнения. Другим важным фактором, влияющим на реакцию растительного покрова на изменение режима увлажнения, является календарное время. Вегетационный сезон имеет свои границы. Изменение водного режима в разное время внутри вегетационного сезона приведет к неодинаковым результатам за счет разного температурно-влажностного состояния воздуха и интенсивности солнечной радиации).

Таким образом, современные космические снимки позволяют в целом проводить поверхностную оценку различных водохозяйственных объектов на территории сопредельных государств. Временной ряд космических снимков охватывает период с 1980-х по 2011 годы позволяет проводить временную оценку параметров водных объектов, контролировать появление новых и состояние существующих объектов. Оценке поддаются следующие водные объекты и сооружения:

· Крупные реки (Иртыш, Или, Сырдарья) и притоки к ним, у которых прослеживаются: очертания русла, направление течения, контуры берегов и поймы рек, лесные и кустарниковые насаждения.

· Озера площадью более 100 га, где прослеживаются границы берегов, притоки и истоки.

· Водохранилища у которых прослеживаются общие контуры, водная поверхность, основные сооружения: плотина, сбросные каналы, водовыпуски.

· Крупные каналы, у которых прослеживаются общее направление, место водозабора, ширина канала, наличие или отсутствие облицовки канала

· Крупные гидроузлы на каналах и реках, у которых прослеживаются общее местоположение, общие размеры, состав гидроузла.

· Крупные орошаемые массивы и орошаемые участки, направление поливов, общий состав сельхоз культур.

Основными параметрами оценки являются: месторасположение объектов, общие размеры водохозяйственных объектов, отдельные элементы объектов, назначение отдельных элементов сооружений

Техническое состояние водохозяйственных объектов и сооружений с космоснимков не прослеживается. Для создания методики оценки качества и технического состояния объектов необходимо проводить дополнительное наземное обследование объектов, согласовывать согласующиеся характеристики.

Литература

1. Проект «Безопасность плотин в Центральной Азии: создание потенциала и региональное сотрудничество». Вторая фаза. Доклад от Республики Казахстан. Алматы, 2010.

2. Положение о системе отраслевого надзора за безопасностью гидротехнических сооружений.- М.: Союзтехэнерго, 1993.

3. Рекомендации по оценке надежности гидротехнических сооружений: П842-86 / Гидропроект. М., 1986.

4. Алтунин С.Т. Водозаборные узлы и водохранилища. - М. «Колос» 1964, - 431с.

5. 5. Схема комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейна р. Сырдарьи с притоками. Том IV, Книга 1.Предотвращение вредного воздействия вод, Алматы, Производственный кооператив «Институт Казгипроводхоз»,2008 62 стр.

6. Авакян А.Б. Наводнения в прошлом, настоящем и будущем. Концепция защиты // http://www.rfbr.ru/default.asp?doc_id=4466

Размещено на Allbest.ru