CC BY
52
Полякова Е.В.
Институт экологических проблем Севера УрО РАН
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ В ИЗУЧЕНИИ АРКТИЧЕСКИХ ТЕРМАЛЬНЫХ ЭКОСИСТЕМ (НА ПРИМЕРЕ
УРОЧИЩА ПЫМВАШОР)
Аннотация
В настоящее время в связи с активным развитием технических средств и геоинформационных технологий, все более значимым становится направление, связанное с внедрением беспилотных летательных аппаратов в гражданскую сферу деятельности современного общества. В комплексе с космической съемкой и как самостоятельный продукт аэрофотосъемка играет существенную роль при изучении процессов и явлений, происходящих на уникальных арктических территориях.
Summary
Now in connection with active development of means and geoinformation technology, more and more significant there is a direction connected with introduction of unmanned aerial vehicles (UA V) in a civil field of activity of a modern society. In a complex with space shooting and as an independent product aerial photography plays an essential role at studying of processes and the phenomena occurring in unique Arctic territories.
Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, космические снимки, беспилотный летательный аппарат, термальное урочище
Keywords: remote sounding of the Earth, space pictures, the unmanned aerial vehicles, thermal natural boundary
Введение. Наиболее эффективным инструментом, позволяющим оперативно и детально исследовать состояние окружающей среды и получать достоверную информацию о том или ином процессе и явлении являются данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Под дистанционным зондированием понимается наблюдение земной поверхности космическими и воздушными аппаратами, оснащёнными различными видами съемочного оборудования. Космические снимки широко используются в самых разных областях человеческой деятельности - исследование природных ресурсов, мониторинг стихийных бедствий и оценка их последствий, изучение влияния антропогенного воздействия на окружающую среду, строительные и проектно-изыскательские работы, городской и земельный кадастр, планирование и управление развитием территорий, градостроительство, геология и освоение недр, промышленность, сельское и лесное хозяйства, туризм и т.д. [1]. Аэрофотосъемка, т.е. фотографирование земной поверхности с различных летательных аппаратов, известна с начала ХХ века. В настоящее время в связи с активным развитием технических средств и геоинформационных технологий, все более значимым и актуальным становится направление, связанное с внедрением беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в гражданскую сферу деятельности современного общества. Среди многочисленных задач, решаемых с помощью беспилотной техники, наиболее актуальной является получение высококачественной аэрофотосъемки с целью картирования локальных, а также труднодоступных и уникальных участков земной поверхности.
На сегодняшний день известен опыт проведения аэрофотосъемки в труднодоступных районах Крайнего Севера и использование полученных материалов в различных ГИС-проектах [2]. Однако применение беспилотной летательной техники в подобных условиях крайне редко, для территории термального урочища Пымвашор не
известно вовсе. Целью данных работ являлось получение цифровой схемы термального урочища Пымвашор.
Местоположение района исследований. Термальное урочище Пымвашор располагается в восточной части Большеземельской тундры между ручьями Пымвашор и Дэршор - притоками реки Адзьвы, прорезающими каменную гряду Воргамусюр, входящую в состав хребта Чернышева. В широком понимании под урочищем подразумевается часть ландшафта, отличная от остальной окружающей местности. Урочище Пымвашор уникально единственными известными на Крайнем Севере выходами минерально-термальных источников. Название урочища позаимствовано от одноименного ручья (в переводе с языка коми - «ручей горячей воды»), прорезающего известняковые горные породы и образующего живописный каньон. Это группа из 8 источников с общим дебитом 25-30 л/с, температурой воды от 18 до 28 °С круглогодично [3]. Координаты центральной части урочища в месте выхода основного источника - бТ^^ТОб^ с.ш., 60°5Г20Г в.д.
Материал и методика исследований. Работы по исследованию термального урочища Пымвашор и составлению цифровой схемы местности проводились в 3 этапа: предполевой, полевой и камеральный. На первом этапе изучались космические снимки, полученные с искусственных спутников Земли Terra (EOS AM-1) с радиометром теплового излучения и отражения ASTER (рис. 1А) и оперативной спутниковой системы NOAA из интерфейса Google Earth (рис. 1Б). Эти сцены применялись при определении местоположения и границ изучаемого объекта, а также для планирования будущего полета БПЛА CropCam. Помимо снимков использовались топографические карты масштаба 1:100000. На втором этапе коллективом Института экологических проблем Севера УрО РАН были проведены две комплексные экспедиции в район исследований - в августе и ноябре 2009 г. В результате осуществлена летняя аэрофотосъемка с борта вертолета Ми-8 (рис. 2) и зимняя с БПЛА CropCam. На третьем этапе проводилась непосредственная обработка полученного материала и составление цифровой схемы урочища в программном пакете ESRI ArcGIS 9.3.
Качественно новым способом получения информации о данной местности являлось применение высокоточной аэрофотосъемки с БПЛА CropCam. Беспилотный летательный аппарат CropCam - это радиоуправляемая модель планерного самолета, оборудованная собственным GPS-приемником, миниатюрным автопилотом (производство компании MicroPilot, Canada), а также цифровой фотокамерой с набором фильтров для съемки в различных диапазонах. Вес самолета около 3 кг, запускается «с руки», взлетает и садится автоматически, двигается по заранее спланированному в специальной ГИС-программе маршруту. Программа наземного контроля и радиомодем позволяют непрерывно наблюдать за передвижением самолета на экране монитора и в случае необходимости вносить коррективы в курс полета. Камера работает автоматически, получая цифровые снимки высокой точности, привязанные по GPS.
Результаты работ и обсуждения. Следует отметить, что по сравнению со спутниковыми изображениями аэрофотосъемка с БПЛА имеет ряд существенных преимуществ. Во-первых, высокое разрешение получаемых снимков: максимальное - до 1-2 см (при высоте полета 30-50 м), среднее - 8-10 см (при высоте 250-300 м). Во-вторых, получать снимки и проводить их первичную обработку можно в течение очень короткого времени и, не покидая поля работ. В-третьих, возможность проведения съемки локальных и труднодоступных территорий, космическая съемка и традиционная аэрофотосъемка которых не являются рентабельными. В-четвертых, качество получаемых снимков никак не зависит от облачности, поскольку можно проводить съемку под облаками в пасмурные дни, что является особенно актуальным для северных регионов. В-пятых, рентабельность самой съемки: самолет работает на комплекте Po-Li аккумуляторных батарей, тем самым, исключаются затраты на топливо, как при авиационной съемке [4].
На основе полученного панорамного изображения с БПЛА СгорСат (рис. 3), а также с использованием летней авиационной и космической съемки, топографических карт, был сформирован послойный ГИС-проект термального урочища Пымвашор. На рисунке 4 приведена цифровая схема урочища, отображающая все его основные элементы: растительные фации (тундровые участки, пойменные луга и кустарники, березовые и еловые редины), скальные выходы горных пород, перепады высот в изолиниях рельефа, выходы термальных источников на дневную поверхность, карстовую пещеру Хэмят-Пээн-зи. На зимнем варианте данной схемы имеются также незамерзающие участки ручья Пымвашор и промоины в местах впадения термальных водотоков.
Выводы. Космические снимки, как основной продукт аэрокосмической съемки, применяются в различных областях исследований Земли. Они чрезвычайно важны в исследованиях литосферы, т.к. показывают раздробленность геологического фундамента линейными тектоническими нарушениями (разломами) и обилие кольцевых структур; атмосферы, поскольку на них основываются метеорологические прогнозы; гидросферы, что необходимо для оценки талого стока рек, предотвращения паводков, наводнений, ледовых заторов; а также биосферы в целом. Дешифрирование космоснимков дает огромные возможности при решении многочисленных экологических задач, делает их ценным материалом при анализе современной ситуации, составлении карт экологической оценки территории, разработке экологических прогнозов [5]. Таким образом, космическая съемка является незаменимой при решении глобальных экологических задач. Однако существует огромное количество локальных участков, представляющих научный и практический интерес, но плохо различимых, либо совсем не поддающихся дешифрированию на космоснимках. Подобные ситуации возможно разрешить, применяя высокоточную аэрофотосъемку с беспилотных летательных аппаратов. При проведении исследований на уникальных территориях следует применять трехступенчатый метод получения информации: проработка космической информации - детальная аэрофотосъемка с БПЛА - камеральная обработка полученных материалов в ГИС-среде.
,VJ. " J . г..
Рисунок 1 - Данные дистанционного зондирования Земли, полученные со спутников Terra EOS AM-1 (А) и NOAA из интерфейса Google Earth с планом полета БПЛА CropCam (Б).
С: I 7
Is \&Щп \jT\l2 I ■ Iii
Рисунок 2 - Цифровая схема термального урочища Пымвашор: 1 - тундровые участки, 2 - пойменные луга, 3 - пойменные кустарники, 4 - березовые редины, 5 - еловые редины, 6 - скальные выходы и обрывы, 7 - останец, 8 - изолинии рельефа, 9 - термальные водотоки, 10 - холодные ручьи, 11 - балок и заброшенная буровая вышка, 12 - пещера, 13 - термальный бассейн.
Литература
1. Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И., Тутубалина О.В. Аэрокосмические методы географических исследований. М.: Академия, 2004. 336 с.
2. Андреев Г.Г., Беляева Н.В., Чабан Л.Н. Комплексное использование материалов космической и аэрофотосъемки в геоинформационных технологиях экологического мониторинга труднодоступных территорий Сибири и Крайнего Севера // Исследование Земли из космоса, 2004. №4. С. 63-72
3. Семь чудес света в одном регионе // Северо-Запад: сегодня и завтра. С.-Пб.: Ассоциация «Северо-Запад». № 4(7), 2009. С. 31-34
4. Полякова Е.В. Возможности подспутникового ДЗЗ с использованием БПЛА CropCam в условиях Европейского Севера // Вестник ПГУ. Сер. Естественные науки. № 2. Архангельск, 2010. С. 22-26
5. Jensen J.R. Remote sensing of the environment: an Earth resource perspective. Prentice Hall, 2000
