CC BY
57
УДК: 528.88
В.П. Ступин, А.О. Паженцева, Л.П. Ланина ИрГТУ, Иркутск
ВОЗМОЖНОСТИ ДАННЫХ ДЗЗ ОТКРЫТОГО ДОСТУПА ДЛЯ КАРТОГРАФИРОВАНИЯ МОРФОСИСТЕМ ВОДОХРАНИЛИЩ АНГАРСКОГО КАСКАДА
В статье приведены результаты анализа имеющихся в свободном доступе данных ДЗЗ в интересах картографирования и мониторинга зоны влияния ангарских водохранилищ.
V.P. Stupin, A.O. Pagenceva, L.P. Lanina Irkutsk State Technical University (ISTU)
83 Lermontova UI, Irkutsk, Russian Federation
POSSIBILITY OF FREE REMOTE SENSING DATA FOR MAPPING MORFOSYSTEMS OF ANGARA CASCADE RESERVOIRS
In the article is considered results of the analysis of free remote sensing data for mapping and monitoring zone of influence of reservoirs of the Angara cascade.
Мониторинг такого гигантского объекта, как каскад Ангарских водохранилищ (общая длина его главных ветвей, без учета изрезанности берегов, превышает 1500 км), невозможен без привлечения материалов ДЗЗ [1], стоимость которых зачастую не соответствует возможностям исследователей. В то же время существует общедоступная и практически бесплатная поисковая система Google Earth. Настоящая статья посвящена анализу возможностей использования данной системы в интересах декларируемого направления исследований.
Основу данных в системе Google Earth представляют спутниковые снимки, полученные от компании DigitalGlobe. Базовое покрытие осуществляется снимками, точность которых, по информации поставщика [2], соответствует точности карт масштаба 1:25 000. Эти снимки представлены компанией EarthSat, получены после 1999 года со спутника Landsat-7 камерой ETM+ и имеют итоговое разрешение на местности равное 15 м/пк. Выходные изображения составлены с помощью комбинирования исходных 30-метровых спектрозональных и 15-метровых панхроматических данных, получаемых одновременно со спектрозональными; это позволяет увеличить пространственное разрешение данных.
Крупные города и значительная часть обжитых территорий отображаются с точностью масштаба 1:2 000. Эти снимки произведены со спутников GeoEye-1 (разрешение 0,41 м/пк, первые снимки получены в октябре 2008 г.) и QuickBird-2)
(разрешение 0,68 м/пк, снимки получены в конце 2001 г.) и также предоставляются фирмой DigitalGlobe. В то же время, снимки на малобообжитые территории, предоставляемые компанией Terra Metrics, часто искусственно загрублены и имеют разрешение порядка 100 м, которое, по нынешним меркам, оставляет желать лучшего.
Для создания ЦМР и перспективных изображений используются данные SRTM (Shuttle radar topographic mission), полученные в результате радарной топографической съемки большей части территории земного шара, а также океанов, за исключением самых северных (>60) и самых южных широт (>54). Миссия была произведена в феврале 2000 г с помощью специальной радарной системы. Двумя радиолокационными сенсорами SIR-C и X-SAR, было собрано более 12 терабайт данных. На сегодняшний день это самая детальная мировая модель рельефа. Данные представлены 16-битным растром и задаются в поперечной цилиндрической проекции Меркатора Universal Transverse Mercator (UTM) по параметрам референц-эллипсоида Кларка (система координат WGS-84).
Исходные данные SRTM (Level-2) имеют размер элемента в 1 угловую секунду (30х30 м), с 20-метровой точностью по высоте. Однако, в связи с угрозой терроризма, все сырые данные и данные Level-2 распространяются только через Министерство Обороны США. На остальную территорию (кроме США) распространяются снимки Level-1, ортотрансформированные по грубой модели рельефа с неисправимыми ошибками. Данные Level-1 комплектуются по квадратам размером 1х1 градус, при разрешении 3 угловые секунды (90х90 м); такой квадрат является матрицей размером 1201х1201 элементов (пикселей).
Исходные данные, используемые в системе Google Earth доступны на весь мир в готовом виде, т.е. их не нужно специальным образом обрабатывать. Однако их нельзя нужным образом настроить, например, сменить систему координат, комбинацию каналов данных, улучшить географическую привязку и т.д.
Прежде всего, мы проанализировали фактическое покрытие территории исследований по состоянию на середину октября 2010 г. Анализ выполнялся как по Ангарскому направлению каскада, так и по его основным ветвям: Окинской и Ийской для Братского водохранилища и Илимской для Усть-илимского. Анализ показал, что больше половины территории исследований покрывается снимками со спутника landsat, возможности которого довольно ограничены для мониторинга динамики береговых морфосистем. При этом снимками высокого разрешения лучше всего обеспечена стволовая Ангарская ветвь, особенно обжитые территории Иркутска, Братска и Усть-Илимска. Боковые ветви такими снимками обеспечены значительно хуже. Также отмечается тенденция повышения доли снимков более низкого разрешения при продвижении к северу. Особенно досадно, что снимки высокого разрешения отсутствуют на наиболее динамичные и восприимчивые к размыву территории Осинского и Окинского расширений, а также на исток Ангары. Некоторые снимки высокого разрешения выполнены в неудачное время года - не сошел или образовался снежный покров, акватория покрыта льдом.
Следующим этапом анализа представленных в Google Earth снимков стало выяснения их фактического разрешения. Поскольку система предоставляет не исходные, а обработанные материалы, мы полагали, что их фактическое разрешение будет не всегда соответствовать декларируемому, поскольку имеют место неисправимые загрубления разрешения, производимые поставщиком с той или иной целью. При определении предельно-допустимого комфортного увеличения снимков мы применяли упрощенный способ: анализируемый снимок увеличивали до наиболее комфортного, на наш взгляд, разрешения, а затем, используя линейный масштаб основного окна Google, определяли масштаб (но не точность!) удовлетворительного выходного изображения.
Проведенный анализ показал, что снимки с КА Landsat можно без существенной потери качества увеличивать до масштабов в весьма широком диапазоне: от 1:11 000 до 1:22 300. Снимки КА QuickBird-2 можно увеличивать в диапазоне масштабов от 1:800 до 1:1 600. Изображения с КА GeoEye, допускают максимальное увеличение в диапазоне от 1:700 до 1:1 000.
Анализ дешифровочных возможностей рассмотренных снимков позволяет сделать следующие выводы:
Среднемасштабные снимки с КА Landsat. Дают возможность выделять следующие типы берегов:
- Абразионные: по отсутствию полоски пляжа, крутым высоким берегам и берегам, приуроченным к мысам; клифы, однако, не видны;
- Абразионно-аккумулятивные: по светлой кайме вдоль береговой линии, демаскирующей пляжи и полосы осушки, по просвечивающим отмелям и потокам мути;
- Аккумулятивные: по светлому ровному тону и форме аккумулятивных форм (кос, пересыпей, перейм) достаточно больших (40-50 м) размеров;
- Ингрессионные слабоизмененные: по положению в головах заливов с плоскими и низкими берегами и отсутствию светлой полоски пляжа.
Кроме того, снимки с КА Landsat позволяют выделить тип береговых ландшафтов (селитебные, таежные, лесные, степные, лесостепные, заболоченные). На них также хорошо видны дороги и просеки, а также вырубки и гари с дифференциацией на старые и свежие. Не позволяют: произвести дифференциацию пляжей по гранулометрическому составу, выявить сеть мелких промоин и оврагов, определить тип абразионно-денудационных берегов (обвальные, осыпные, оползневые, закарстованные, просадочные). В населенных пунктах невозможно различить строения, с трудом читается структура кварталов.
Крупномасштабные снимки с КА QuickBird и GeoEye. Предоставляют собой удовлетворительный материал для изучения и картографирования береговой зоны в интересах мониторинга ее динамики. Близки по пространственному разрешению к среднемасштабной аэрофотосъемке. Снимки GeoEye предпочтительней по сравнению со снимками QuickBird: лучше разрешение, выше фотометрические характеристики и цветопередача.
На этих снимках хорошо отслеживается береговая линия, побережье и прибрежное мелководье. Видно много важных деталей, позволяющих судить о типе экзогенных процессов в береговой зоне и их динамике.
Четко дифференцируется полоса пляжа (осушки), клифы и опирающиеся на клифы склоны. В пределах пляжа выделяются береговые валы, фестоны, отшнурованные лагуны, дюны и крупная ветровая рябь. Просматривается характер поверхности (оголенная, с разреженным или сплошным травяным покровом, куртины кустарниковой растительности. Различается плавник и упавшие, накренившиеся и полузатопленные деревья. В ряде случаем можно определить слагающие пляж грунты (глыбово-щебнистые, суглинистые, песчаные).
Клифы видны отчетливо, различаются резкие и сглаженные бровки и подошвы, наличие или отсутствие эрозионных рытвин, оползневых тел и цирков, обвально-осыпных шлейфов и конусов выноса у основания, крупных трещин и блоков отседания, характер слагающего клиф грунта (скальный или рыхлый).
На склонах, опирающихся на клиф, хорошо видны эрозионные формы: потяжины, лощины, балки, промоины и овраги; прослеживается свежесть или сглаженность их элементов; тип и характер растительного покрова (отсутствует, разреженный, сомкнутый). Читаются карстовые и суффозионные западины, блюдца, воронки и провалы.
Начиная с версии 5.0, в Google Earth реализована весьма полезная возможность сравнения разновременных снимков на одну и ту же территорию. Однако, эта опция реализована только для снимков высокого разрешения с КА QuickBird и GeoEye, а период возможностей ретроспективы ограничивается 2002 годом. Набор разновременных снимков также неодинаков: в некоторых случаях это два снимка, в некоторых - пять-шесть. Тем не менее, и за этот период на особенно активных участках, приуроченных к открытым мысам, сложенным легкоразмываемыми породами, динамика процесса проявляется весьма отчетливо. Так, был проведен анализ серии разновременных снимков на участок мыса Волчий (правый берег Иркутского водохранилища), сложенного суглинками III террасы Ангары. Шесть разновременных снимков были приведены к одному масштабу и совмещены по общим контурным точкам. Анализ совмещенных изображений показывает отступание берегового клифа на расстояние 40-50 м за период с 2002 по 2009 гг. На другом участке береговой полосы в районе поселка Новоравзводная за 7 лет берег отступил на 20-25 м.
В то же время, 7-летний промежуток времени оказался недостаточным для выявления отступания клифов абразионных берегов, сложенных скальными грунтами. Вероятно, он будет также недостаточным и для мониторинга по материалам аэросъемки; поэтому для получения данных по разрушению подобных берегов водохранилищ, необходимы полевые исследования и стационарные наблюдения на специально оборудованных площадках.
Анализ разновременных снимков предоставляет информацию по динамике полосы осушки, вызванной сезонными колебаниями уровня водохранилищ. Это особенно характерно для Братского водохранилища, где амплитуда таких
колебаний полосы осушки абразионно-аккумулятивных берегов доходит до 10 м по высоте и до 100 м в плане. Еще большие колебания (сотни метров) отмечаются по низким и плоским берегам в изголовьях ингрессионных заливов.
Подборка снимков с Landsat не имеет в Google Earth ретроспективного набора изображений, а их дешифровочные возможности в рамках задач мониторинга ограничены. Тем не менее, сравнительный анализ этих снимков и топографических карт позволил выявить динамику широких полос осушки, приуроченных к низким отмелым берегам Братского водохранилища, сложенным рыхлыми, легко размываемыми отложениями. Здесь ингрессия вод залива в плане достигает нескольких километров.
Возможность построения перспективных изображений, продольных профилей и виртуальных стереопар с использованием встроенной ЦМР дает немного. Эти изображения позволяют улучшить восприятие характера рельефа, дифференцировать высокие, низкие, приглубые и отмелые берега. При этом, однако, искажается восприятие наиболее важных с точки зрения литодинамики крутых и, особенно, отвесных склонов (клифов). Точностные данные ЦМР тоже оставляют желать лучшего - так, при снятии высотных отметок с горизонтального зеркала водохранилищ диапазон разброса высот достигает 20 м.
Выводы. Дешифровочные возможности спутниковых снимков, высокого разрешения QuickBird-2 и GeoEye примерно соответствуют возможностям среднемасштабной аэросъемки, что позволяет использовать их в качестве основы для создания карт экзогенной динамики береговой зоны водохранилищ.
Снимки среднего разрешения с КА Landsat дают возможность отслеживать на пологих (отмелых и ингрессионных) берегах изменения полосы осушки, вызванные разного рода колебаниями уровня водохранилища.
Разновременные снимки позволяют выявлять изменения в рельефе береговой зоны, при условии, что эти изменения порядка нескольких м/год для снимков высокого разрешения и нескольких десятков м/год - для среднего.
Покрытие исследуемой территории снимками высокого разрешения неполное, особенно на малообжитые территории. Однако, постоянное пополнение, обновление и расширение базы данных Google Earth, позволяют надеяться на временность этого недостатка.
Архивы разновременных снимков на одну и ту же территорию не повсеместны, а их временной интервал мал, что тоже должно измениться к лучшему.
ЦМР Google Earth по точности не удовлетворяют требованиям мониторинга берегов, хотя и позволяют создавать перспективные изображения и стереопары, позволяющие уточнить морфодинамический тип берегов и приблизительно оценить энергию их рельефа.
Таким образом, детальный кондиционный мониторинг изменений береговых морфосистем каскада Ангарских водохранилищ пока невозможен без регулярных продолжительных наблюдений на геостационарных участках. Материалы ДЗЗ при этом должны использоваться в качестве исходных при выборе места таких стационаров, организации полевых обследований и
экстраполяции полученных результатов при оценочном и прогнозном картографировании динамичных экзогенных процессов молодых побережий водохранилищ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Межеловский, Н.В. Аэрокосмический мониторинг геологической среды [Текст] / Н.В. Межеловский, Н.С. Рамм, В.В. Шварев. - М.: Знание, 1988. - 64 с.
2. Google Earth [Electronic resource] - Англ. - Режим доступа: http: //www.google.com/ earth/index.html.
© В.П. Ступин, А.О. Паженцева, Л.П. Ланина, 2011
