Гидро-климатические условия на космических снимках

Содержание

Введение___________________________________________ 1

Методические вопросы использования

дистанционной информации___________________________ 3

Оптимальные сроки дистанционной

съёмки рек, озер и водохранилищ_______________________ 8

Дешифрирование вод на аэрокосмических

фотоснимках______________________________________13

Заключение_________________________________________ 21

Сибирский Государственный Технологический Университет

Реферат

Тема: Гидроклиматические условия на космо-снимках.

Выполнил ст-нт: Данилин А.И.

Группа: 32-3

Проверила: Шевелёва Г.А.

Красноярск 2000

ВВЕДЕНИЕ

Правильное картографическое изображение гидрографи­ческой сети — рек, озер и водохранилищ имеет большое науч­ное и практическое значение. Водные объекты являются су­щественными элементами содержания большинства географи­ческих карт и во многом определяют их «лицо». Прежде всего это относится к топографической карте — главной карте го­сударства.

Вода — природный ресурс, без которого невозможна жизнь человека на земле. Водные объекты, показанные на карте, служат надежным ориентиром для экипажа воздушного судна, геолога, жителя малонаселенного района. Знание пространст­венного размещения, качественных и количественных харак­теристик гидрографической сети необходимо при проектирова­нии, строительстве и эксплуатации социально-промышленных. объектов, организации мониторинга природной среды, прове­дении специальных полевых, производственных и научных изысканий. Наконец, речная и озерная сеть являются свое­образным «каркасом» при составлении многих тематических карт. Она выступает здесь как важный элемент топографи­ческой основы.

Характер гидрографической сети в различных природных зонах и высотных поясах Сибири неодинаков. Различия гео­логии и рельефа, климата и растительности и других компо­нентов географической среды региона обусловливают свое­образный гидрологический режим водных объектов. Реки гор­ных районов обычно полноводны, поэтому даже небольшие из;

них труднодоступны для переправы или передвижения на лодке. Реки равнин весной разливаются на десятки километ­ров, но после спада весеннего половодья характеризуются ма­лой водностью и спокойным течением. Своеобразен гидроло­гический режим рек, зарегулированных крупными водохрани­лищами.

Многие особенности характера и гидрологического режима водных объектов находят непосредственное отображение на топографических картах. К таким показателям относятся:. конфигурация рек, озер и водохранилищ, отметки уреза воды,. ширина, глубина и скорость течения рек, ряд других коли­чественных и качественных характеристик. Чем полнее пока­зана гидрографическая сеть на карте, тем выше ее качество. При этом важно, чтобы карта отражала основные, типичные черты режима рек и других водных объектов. Это повышает ее географическую достоверность. Для обогащения содержа­ния карт необходимо также отображение на них различных динамических состояний гидрографической сети, например, разливов рек, плановых перемещений русел, изменения во времени конфигурации озер и водохранилищ.

Основной источник гидрологической информации при картографировании территории - аэрокосмические снимки. Поэтому знание дешифровочных признаков вод имеет решаю­щее значение при создании карт.

Методические вопросы использования дистанционной информации

Основной целью дистанционных методов является получе­ние информации о местности по снимку. Разработке теории и практики дешифрирования аэрокосмических снимков посвяще­на обширная литература.

С методической точки зрения дешифрирование снимка сво­дится к установлению адекватности исследуемого изобра­жения одному из эталонов, внутреннее содержание которого известно. Морфологию ландшафта в принципе можно раскрыть на эталоне с любой детальностью. Но в связи со сложной структурой природного ландшафта, зависящей от множества физико-географических факторов [9], строгий аналог данному эталону не всегда находят даже в пределах ограниченной тер­ритории — фации, урочища или местности. Поэтому на эта­лоне должны быть зафиксированы основные, характерные для данного объекта (процесса, явления) показатели конструкции фотоизображения.

В практике устанавливаются дешифровочные признаки тех объектов, процессов и явлений и с той глубиной проработки взаимосвязей, которые интересуют исследователя и могут быть получены по имеющейся дистанционной информации с учетом вида съемки, масштаба снимка, времени съемки и других усло­вий. Таким образом, идеология анализа снимка заключается в расшифровке генерализованного фотографического изобра­жения местности по данным натурных исследований (от объ­екта к эталону) и использовании полученной информации в обратном порядке (от эталона к объекту). Иными словами, «космическая» система изучения природных ресурсов, является системой наземно-дистанционной. Она состоит из комплекса научно-технических мероприятий, включающего непосредственные природоведческие (например, контактные) и дистанционные (например, фотографические) исследова­ния. На необходимость комплексирования наземных, авиаци­онных и космических методов указывают многие ученые.

При изучении природных ресурсов и динамики природной среды, а также при постановке мониторинга на базе дистан­ционных фотоснимков следует учитывать, что детальность анализа зависит от метода исследования, поскольку в каче­стве лимитирующего условия выступает уровень генерализа­ции фактического материала. Таким образом, при трехуровенных наблюдениях (наземных, с самолета и из ко­смоса) реализуется возможность изучения геосистем любых размерностей. При этом осуществляется поэтапная ге­нерализация частных природных связей и выход на более вы­сокий уровень обобщения.

Важным постоянством современных дистанционных мето­дов является наличие непрерывного потока аэрокосмической информации, что создает базу для мониторинга природной среды как в региональном, так и в глобальном масштабах. Вся территория СССР покрыта несколькими разновременными «слоями» аэрофотосъемки и многократно—космической съем­кой. Объем дистанционной информации продолжает нарастать. Имеются топографические и большое число тематических карт, накоплен огромный банк природоведческих данных, по­лученных традиционными наземными методами. Системный подход к анализу этих материалов на основе дистанционных методов открывает принципиально новые горизонты для ре­шения проблем рационального природопользования.

С точки зрения топографического и тематического карто­графирования космический снимок (не заменяя самолетный) начинает все более и более играть роль корректирующего (в топографии) и связующего (в тематической картографии) ма­териала. Можно утверждать, что в деле познания природы мы не находимся на «голом месте». Как и в любой области зна­ний, в природоведении движение вперед возможно, если име­ется новый шаг, сделанный за старым. Сейчас едва ли кто серьезно будет говорить о создании, например, гидрографи­ческой или ландшафтной карты только по результатам интер­претации космических снимков без привлечения имеющихся картографических, натурных или иных данных. В то же время можно с уверенностью утверждать, что последние материалы могут получить новую «космическую» трактовку, базирую­щуюся на анализе многоотраслевого содержания снимка. Та­ким примером служат серии тематических карт, разработан­ные по программе КИКПР (комплексного изучения и карто­графирования природных ресурсов на основе космической информации) на ряд регионов страны.

Водная поверхность при пассивном способе дистанционной съемки почти полностью поглощает световой поток, поэтому на фотоизображении, полученном на панхроматическом мате­риале в видимой зоне спектра (0,4—0,8 мкм), она бывает в целом темная и ровная. Однако величина возвращаемого па­дающего на воду потока энергии, т. е. отражающая способ-кость водной поверхности, зависит от многих факторов: угла 'наклона солнечных лучей, глубины водного объекта, харак­тера грунта и водной растительности, твердого стока (речной мути) и др. Поэтому на черно-белых снимках тональность фо­тоизображения меняется, варьируя в очень широких преде­лах. Более плотный тон изображения (до черного) имеет глу­бокая и чистая вода, более светлый (до белого)-мелкая и загрязненная. На цветных снимках, в том числе спектрозональных, эти различия цветовые. В большинстве случаев ука­занные тоновые и цветовые вариации водной поверхности на снимке локальны и сравнительно легко распознаваемы, так как структура любой «неводной» поверхности характеризует­ся значительно более мозаичным рисунком фотоизображе­ния.

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. В то же время в определенных диа­пазонах электромагнитных волн реален анализ вариации оп­тических плотностей, вызываемых растворами и взвесями ор­ганических и неорганических веществ, а также зависящих от толщины слоя чистой воды. Это позволяет устанавливать степень загрязнения и глубину вод.

Материалы аэрокосмической фотосъемки широко исполь­зуются как в процессе создания топографических карт, так и при их обновлении. Роль самолетных и космических снимков различна. Аэроснимки применяются при картографировании в крупном масштабе, и заменить их космическими снимками пока невозможно, так как большая высота фотографирования и съемка длиннофокусными камерами не позволяют получать материалы из космоса для детального изучения рельефа фо­тограмметрическим методом.

Космические фотосъемки эффективны при обновлении карт. Практика показала, что при использовании космических методов можно отказаться от традиционного поэтапного ме­тода картосоставления и перейти на технологию обновления карты требуемого масштаба, а не всего масштабного ряда. Это сокращает цикл работ на несколько лет. Кроме того, в связи с большим территориальным охватом космического снимка и малыми искажениями контуров в горных районах уменьшается трудоемкость работ по обновлению карт.

На наш взгляд, можно повысить эффективность космиче­ских методов, если использовать снимок как неотъемлемое дополнение к топографической карте. «Космическое» обеспе­чение карты снимет остроту проблемы постоянного и неизбеж­ного при существующей технологии картографирования «ста­рения» ее содержания. На практике потребитель пользуется картой, составленной несколько (нередко до 10 и более) лет назад. Поэтому ему нужно выдавать устаревшую, даже на 2— 3 года, топографическую карту и в качестве приложения — современный космический снимок. Снимок должен быть при­веден к масштабу карты. В случае необходимости можно монтировать уточненную фотосхему.

Если пойти дальше, то в оптимальном варианте «косми­ческое» сопровождение карты должно иметь тематическую направленность. Например, если потребителя интересует ра­стительный покров, то наиболее информативной для него бу­дет осенняя спектрозональная съемка и т. д.

Реализовать данное предложение несложно. Сделать это можно силами региональных аэрогеодезических предприятий и подразделений Госцентра «Природа». Топографические карты совместно с космическими снимками будут всегда «свежими» и более содержательными, потому что информационная ем­кость снимка намного превышает информационную емкость карты. При этом любой пользователь может самостоятельно отдешифрировать фотоизображение, так как большинство ото­бразившихся на снимке объектов местности уже расшифрова­но на карте. Очевидно, при планировании космических съемок необходимо учитывать и специфику топографического карто­графирования (масштаб, время съемки, зоны спектра и др.), и требования различных потребителей. «Космическое» прило­жение к карте можно поставлять заказчику ежегодно.

'На дистанционном снимке изображается внешний облик природного ландшафта, основными составляющими которого являются: почвенно-растительный покров; поверхностные во­ды; социально-экономические объекты. Все перечисленные группы объектов динамичны, но скорость и направление теку­щих изменений в каждой из них имеют свои особенности.

Оптические свойства природного ландшафта тесно корре­лируют с сезонным ритмом развития растений и увлажнен­ностью почв. Наибольшей изменчивостью сезонного хода спектральной яркости обладает летне-зеленая группа расте­ний, наименьшей — вечнозеленая. Кроме того, спектральная яркость растений изменяется с длиной волны излучения. По исследованиям Е. А. Галкиной при длине волны 0,55 мкм она имеет максимум, при длине волны 0,70 мкм — минимум, за которым следует резкий ее рост.

Влияние фенологического состояния растительного покро­ва на сроки аэрофотосъемки подробно рассмотрено Л. А. Бо­гомоловым, Р. И. Вольпе, Л. М. Гольдманом и Р. И. Вольпе и др. Исходя из требований топографиче­ского картографирования ими рекомендованы сроки съемки почвенно-растительного покрова для всех ландшафт­ных зон СССР. Сроки аэрокосмической съемки растительности для составления фенологических карт проанализированы Н. Г. Хариным.

Отметим, что в целом благоприятные сроки съемки расти­тельности охватывают довольно широкие пределы (от времени завершения формирования листового полога до начала листо­пада) и не являются лимитирующим фактором для съемки поверхностных вод, оптимальный диапазон времени фотогра­фирования которых значительно короче. Вместе с тем под­черкнем, что для целей тематического картографирования (например, лесохозяйственного, почвенного и др.) оптималь­ные сроки дистанционной съемки, выбор типа фотоматериала и зон спектра имеют особое значение.

Как известно, водные объекты характеризуются изменчи­востью плановых очертаний, вызываемой сезонными колеба­ниями уровня воды. Поэтому при обосновании сроков съемки для топографии необходимо учитывать соответствие фазы уровенного режима состоянию вод, которое принято для карто­графирования. На этом вопросе мы подробно остановимся ни­же. При тематическом картографировании 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. Можно указать на литературу, в которой этот вопрос прорабатывается с самых различных по­зиций.

Социально-экономические объекты по сравнению с природным ландшафтом более стабильны. Ход их развития имеет в основном однонаправленный характер (расширяется или су­жается площадь застройки населенных пунктов, прокладыва­ется новая дорога, сооружается дамба и т. д.). Антропогенные объекты обладают, как правило, специфическими дешифровочными признаками и сравнительно легко распознаются на аэрокосмических снимках. Но в некоторых случаях это не исключает необходимости лимитирования сезона, месяца, дня или даже времени суток съемки. Так, при изучении древних оросительных систем эффективна съемка после кратковре­менных дождей или при низком стоянии солнца. После дождей в аридных районах буйно зеленеет пустынная растительность, а при низком стоянии солнца хорошо заметны тени от малей­ших неровностей земли, что является хорошим демаскирую­щим признаком.

Оптимальные сроки дистанционной съемки рек, озер и водохранилищ

Береговая линия рек, озер и водохранилищ наносится на типографическую карту по фотоизображению. В большинстве случаев граница воды и суши непостоянна и смещается в плане на величину, зависящую от амплитуды колебаний уров­ня воды и угла наклона берегового склона. Допустимая вели­чина смещения береговой линии на местности во время ди­станционной съемки при картографировании в разных ма­сштабах неодинакова. При расчете табличных дан­ных принято, что сдвиг береговой линии не должен превышать 0,5 мм на карте. Это соответствует средней ошибке положения. на ней контуров местности.

Как видно из таблицы, наиболее жесткие требования к ста­бильности планового положения береговой линии водных объ­ектов предъявляются при создании карт крупного масштаба Уклоны аккумулятивных берегов многих рек Сибири состав­ляют всего несколько градусов, а колебания уровня воды да­же после схода половодья или в период между паводками исчисляются метрами. В этих условиях возникает необходи­мость строгого учета уровенного состояния водных объектов при аэрокосмической съемке в картографических целях.

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).


28-04-2015, 23:27