Реферат: Гидро-климатические условия на космических снимках

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). 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.