CC BY
39Б01: 10.24411/9999-010А-2019-10005
А.Р. АМИРОВА
Казанский (Приволжский) федеральный университет; ООО «ЭкоЛидер», г. Казань, Россия
ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ПО ТОПОГРАФИЧЕСКИМ КАРТАМ ГРАНИЦ ЗОН ЗАТОПЛЕНИЯ (НА ПРИМЕРЕ Р. ВЯТКИ В ЧЕРТЕ Г. КИРОВА)
Явления природы, препятствующие хозяйственной деятельности человека, наносящие ему материальный ущерб и даже угрожающие его жизни, относятся к опасным. Явления считаются стихийными или особо опасными, если из-за своей интенсивности, района распространения и продолжительности наносят особенно значительный ущерб. Среди гидрологических, к одним из опасных следует отнести высокие уровни воды (при половодьях, дождевых паводках, заторах льда, зажорах, ветровых нагонах) -уровни, при которых возможно затопление пониженных частей населенных пунктов, посевов сельскохозяйственных культур, дорожной инфраструктуры или повреждение крупных промышленных и транспортных объектов (Буланенков и др., 2001; Пьянков, Шихов, 2014).
Согласно Постановлению Правительства Российской Федерации от 18 апреля 2014 г. №360 «Об определении границ зон затопления, подтопления», зоны затопления определяются в отношении:
а) территорий, которые прилегают к незарегулированным водотокам, затапливаемых при половодьях и паводках однопроцентной обеспеченности (повторяемость один раз в 100 лет) либо в результате ледовых заторов и зажоров; в границах зон затопления устанавливаются территории, затапливаемые при максимальных уровнях воды 3, 5, 10, 25 и 50%-ной обеспеченности (повторяемость 3, 5, 10, 25 и 50 раз в 100 лет);
б) территорий, прилегающих к устьевым участкам водотоков, затапливаемых в результате нагонных явлений расчетной обеспеченности;
в) территорий, прилегающих к естественным водоемам, затапливаемых при уровнях воды однопроцентной обеспеченности;
г) территорий, прилегающих к водохранилищам, затапливаемых при уровнях воды, соответствующих форсированному подпорному уровню воды водохранилища;
д) территорий, прилегающих к зарегулированным водотокам в нижних бьефах гидроузлов, затапливаемых при пропуске гидроузлами паводков расчетной обеспеченности.
При построении границы зоны затопления учитываются данные об отметках наблюденных высших уровней воды в пунктах государственной наблюдательной сети, а при их отсутствии - по результатам гидрологических изысканий. По этим данным рассчитываются высшие уровни воды заданной обеспеченности, по которым в последующем, используя топографические карты крупных (1:10 000 и крупнее) масштабов, производится восстановление границ зон затопления с учетом рисунка горизонталей, высотных отметок и прочих обозначений (обрывов, противопаводковых дамб и насыпей, отдельных строений и т.п.). Такая процедура является общепринятой и с исчерпывающей полнотой описана в нормативных руководствах и наставлениях (Методические рекомендации..., 2005, 2009).
Вместе с тем при практической реализации этой процедуры всегда остаются сомнения в правильности проведения границ зон затопления, иными словами - сомнения в степени соответствия положения границы, проведенной по картографическим изображениям, фактическому положению на местности той же границы. Сведения о фактическом местоположении границ зон затопления могут быть получены из натурных
© 2019 Амирова Алина Рустамовна, [email protected] 34
наблюдений (например, при опросах местных жителей или топографической съемке в момент установления высоких уровней). Однако более универсальным инструментом выступает анализ космических снимков высокого пространственного разрешения, сделанных при прохождении высоких паводков и половодий.
Цель предлагаемого исследования заключается в оценке степени взаимного соответствия границ зон затопления одинаковой обеспеченности, построенной по топографическому плану и по космическим снимкам на примере р. Вятки в черте г. Кирова. Вятка является главной рекой Кировской области; на ее берегах расположена большая часть городов региона, включая г. Киров. Город расположен в месте рассечения Верхнекамской возвышенности долиной реки, в пределах небольшой Средневятской (Кировской) низменности. Основная (историческая) часть городской территории находится на левом крутом берегу р. Вятки, на противоположном правом берегу, для которого характерны небольшие относительные высоты, располагаются новые районы города.
Космический снимок на территорию исследования покрывает большую часть Первомайского района г. Кирова. Снимок сделан 6 мая 2016 г. Снимок получен путем мозаицирования (композиции) небольших фрагментов, каждый из которых содержит одинаковое число слоев и имеют равный размер ячейки растра (cell size). Каждый фрагмент был получен посредством программы Google Earth Pro (2019), с высоты 1 000 м над земной поверхностью. Значительная часть космических снимков высокого разрешения в программе Google Earth Pro предоставлена DigitalGlobe - коммерческим оператором нескольких гражданских спутников дистанционного зондирования Земли. Каждый фрагмент мозаики на этапе предпроцессорной подготовки был обработан в программном продукте ERDAS Imagine 2010 (2015); предобработка включала в себя импорт изображения, ортотрансформирование (устранение за наклон визирной оси), назначение проекции и координатную привязку в системе координат Пулково 1942 г. Исходные фрагменты и результирующий снимок имеют пространственное разрешение 0,5 м на пиксель. Площадь покрываемой снимком территории составляет 19,94 км .
Среднесуточный уровень воды на дату съемки получен из материалов режимных наблюдений на посту Вятка, г. Киров и составил 108,39 м в Балтийской системе отсчета высот (БС), что на кривой обеспеченности высших уровней соответствует 30%-ной вероятности превышения (обеспеченности). При этом пик половодья 2016 г. (109,12 м БС) отмечен 28 апреля; такой уровень отвечает 3%-ной вероятности превышения. К сожалению, снимок на дату высшего уровня отсутствует.
Очевидно, что береговая линия на снимке является границей зоны затопления заданной обеспеченности. Ее дешифрирование проводилось визуально. Основным прямым дешифровочным признаком акватории водного объекта и его береговой линии является фототон. Темные тона, которые соответствуют водным поверхностям, относились к акватории. Участки, покрытые растительностью, при условии, что между ними не видна вода, - относились к суше. К суше также относилась застроенная территория. Кроме того, во внимание принимались косвенные признаки, основанные на связях между объектами, на возможности выявления невидимых на снимке объектов по другим объектам, хорошо изобразившимся. Косвенными признаками служат местоположение объекта и географическое соседство (Янутш, 1991; Лабутина, 2004). Однако, из-за повышенной облачности в день съемки, некоторые участки игнорировались из-за сложности распознавания береговой линии водного объекта.
Для построения границы зоны затопления по картографическому изображению был использован топографический план города масштаба 1:2 000. План составлен по материалам аэрофотосъемки и отражает состояние на местности на 2008-2011 гг. Рельеф суши передан системой горизонталей с высотой сечений 1 м (полугоризонтали проведены через 0,5 м). Помимо горизонталей рельеф охарактеризован высотными отметками, а на участках с нарушенным рельефом - дополнительными условными знаками.
Построение границы зоны затопления 30%-ной обеспеченности по картографическому изображению проводилось общепринятыми методами. Вначале по оси потока р. Вятки расставлялись расчетные точки на расстоянии 400-500 м друг от друга; в расчетных точках по уклону водной поверхности переносился зафиксированный на гидрологическом посту уровень воды на дату получения снимка. Частное падение водной поверхности на участке между точкой входа реки в границы города и точкой выхода реки за его пределы составило около 2 м, что при длине исследуемого участка р Вятки, равной 20 км, обеспечивает частный уклон в 0,2%о. В последующем уровни в расчетных точках выносились на береговую зону по горизонталям и высотным отметкам. На завершающем этапе вынесенные на сушу точки соединялись плавной кривой, границей зоны затопления, построенной с учетом изгибов горизонталей, высотных отметок и различных нарушений рельефа.
В результате были получены две линии, изображающие границу зоны затопления р. Вятки в черте г. Кирова равной обеспеченности, одна из которых построена по космическому снимку, а вторая - по топографическому плану (рис. 1). Если оба способа установления границы зоны затопления обеспечивают одинаковый результат, то положение обеих линий в пространстве должно совпасть; любые же несовпадения следует рассматривать как несовершенство методик определения зон затопления.
Для количественной оценки степени несоответствия пространственного положения двух линий вдоль границы затопления, установленной по космическому снимку расставлялись так называемые оценочные точки на расстоянии 100 м друга от друга (рис. 1). Предварительный анализ методики выполненных работ, а также полученных результатов позволил сделать вывод, что граница зоны затопления, установленная по космическому снимку, обладает большей документальной точностью; следовательно, вычисление ошибок следует проводить по отношению к ней. От оценочных точек рассчитывалось наименьшее расстояние до границы зоны затопления, проведенной по топографическому плану. Расстояние Д (ошибка определения) принималось положительным, если по топографической карте площадь зоны затопления в створе оценочной точки оказывалась больше, чем по космическому снимку. В противном случае исчисляемое расстояние бралось с отрицательным знаком. В тех случаях, когда соответствие в положении линий было кардинально различным (вплоть до невозможности установления кратчайшего расстояния от оценочной точки до границы зоны затопления, установленной по топографической карте) ошибки положения не рассчитывались.
, граница и зона затопления, установленные \ по космостшку
граница зоны затопления, установленная
........... по топоплану
о 97 оценочные точки и их номера
положительные и отрицательные ошибки ±Д определения,местоположения границы зоны затопления, установленной по топоплану
Рис. 1. Принципиальная схема определения различий в местоположении границ зоны затопления на основе различных исходных данных (Пояснения в тексте)
60 50
5 40
< 30 т
20 10 0
Л - сЛ
0 ^ о^
О' оЛ
РАССТОЯНИЕ, М
Рис. 2. Гистограмма распределения величин отклонения границы зоны затопления, установленной по топографической карте, от той же границы, проведенной по космическому снимку
В большинстве случаев обе границы следуют параллельно друг другу, на относительно небольшом расстоянии. Исключение составляют широкопойменные участки, где в силу гривистого микрорельефа на космическом снимке возникают множество островов, не отображающихся в сечение горизонталей, а также участки, интенсивно застроенные в период между датой составления карты (2008-2011 гг.) и датой получения снимка (2016 г.). Средняя ошибка отклонения составляет 20,9 м (рис. 2). Наибольшее отклонение составило немногим более 200 м (в зоне современной городской застройки). Модальные, наиболее часто встречающиеся отклонения составляют 10-15 м с положительным знаком.
Все отклонения в пространственном положении линий так или иначе связаны с тремя группами причин:
1. Свойства и характеристики топографических карт, которые в свою очередь зависят от:
- современности самих карт, т.е. степени их соответствия состоянию местности (например, на картах могут не найти отражения современные противопаводковые дамбы, возведенные в связи с увеличением плотности застройки или, в результате строительства объектов капитального строительства);
- ошибок проведения горизонталей (ошибок интерполирования) в процессе кар-тосоставления;
- значительной высоты сечения горизонталей (на участках со значительными уклонами земной поверхности, с небольшим заложением горизонталей, результат сравнения обычно является лучшим по сравнению с участками распространения пологого рельефа);
- масштабных возможностей карты.
2. Ошибки дешифрирования или точность установления границы зоны затопления по космическим снимкам:
- разрешающая способность снимка (его способность обеспечивать различимость мелких деталей изображения);
- условия освещенности;
- точность координатной привязки.
3. Характер подстилающей поверхности. В эту группу относятся все те факторы, которые скрывают местоположение береговой линии (границы зоны затопления) на космическом снимке либо делают определение высоты рельефа в ходе геодезической съемки затруднительной. К важнейшим факторам этой группы следует отнести крутизну поверхности береговой зоны, степень ее залесенности или закустаренности, застро-енность, характер почвогрунтов и т.п.
Дальнейшее усовершенствование предложенной методики может заключаться в изучении роли отдельных факторов и их вклада в величину ошибки. Аналогичную работу можно провести с использованием космических снимков, полученных с различных съемочных систем, с привлечением методов автоматизированного дешифрирования или иных источников сведений о рельефе (например, цифровых моделей рельефа, данных натурных геодезических съемок и т.д.).
Список литературы
Буланенков С.А., Воронов С.И., Губченко П.П. Защита населения и территорий в чрезвычайных ситуациях. Калуга: ГУП «Облиздат», 2001. 500 с.
Лабутина И.А. Дешифрирование аэрокосмических снимков. М.: Аспект Пресс, 2004. 181 с.
Методические рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при наличии данных гидрометрических наблюдений / Гос. учреждение «Государственный гидрологический институт». СПб., 2005. 103 с.
Методические рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при отсутствии данных гидрометрических наблюдений / Гос. учреждение «Государственный гидрологический институт». СПб.: Нестор-История, 2009. 193 с.
Опасные гидрологические явления / Бузин В.А. Уч. пос. СПб.: Изд-во РГГМУ, 2008. 228 с.
Постановление Правительства РФ от 18.04.2014 №360 «Об определении границ зон затопления, подтопления». иЯЬ-адрес:
http://base.garant.ru/70641858 (дата обращения 03.02.2019).
Пьянков С.В., Шихов А.Н. Опасные гидрометеорологические явления: режим, мониторинг, прогноз. Пермь: Раритет-Пермь, 2014. 296 с.
Центр регистра и кадастра гидротехнических сооружений Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации: официальный сайт, 2019. URL-адрес: http://www.waterinfo.ru (дата обращения 01.02.2019).
Янутш Д.А. Дешифрирование аэрокосмических снимков. М.: Недра, 1991. 240 с.
ERDAS Imagine. Product Features and Comparisons: Product Description. Hexagon Geospatial. 2015. URL-адрес: https://www.geoimage.com.au/ LiteratureRetrieve.aspx?ID=180779 (дата обращения 01.02.2019).
Google Earth Pro (версия продукта 7.3.2.5495), 2019. URL-адрес: http://www.google.com/intl/ru/ earth/index.html (дата обращения 3.02.2019).
