По данным зарубежных источников, за период с 1962 по 1992 гг. число пострадавших от наводнений в мире составило 36% от общего числа пострадавших во всех природных и техногенных катастрофах. Поэтому обеспечение защиты населения и хозяйственных объектов от наводнений является приоритетным направлением.
Наводнения представляют значительную угрозу для населения Украины, проживающего на берегах крупных рек (Днепр, Днестр).Происходит паводок реки. Самый основной это весенний паводок. Во время схода снега объем стока этих рек резко возрастает, иногда более чем в 1000 раз. Бассейн реки поднимается иногда более 1 м. Они часто выходят из берегов и под водой оказываются большие территории. Экономический ущерб от наводнений исчисляется миллионами долларов.
Основные причины весенних паводков можно подразделить на естественные и антропогенные. Естественные причины весенних паводков:
• сложная гидрометеорологическая ситуация (количество осадков выше нормы, их интенсивность и продолжительность) после влажных лета и осени, что вызвало насыщения грунта влагой и уменьшения его водопоглащяющей способности и водопроницаемости и его промерзание;
• резкого уменьшения способности растительного покрова задерживать дождевые воды;
• повышение температуры воздуха после снегопадов вызвало быстрое таяния снега на верхних частях горных склонов и оказало содействие дополнительному поступлению воды к горным рекам;
• высокая водность рек перед началом паводка. Антропогенные причины весенних паводков:
• вспашка склонов в горных районах, где формируются паводки;
• уничтожения лесов;
• интенсивная эксплуатация леса, ухудшение санитарного состояния лесов, в особенности хвойных пород, и уменьшения их водотрансформационной и защитной функции;
• заиление русел рек селевым материалом с повышением их высоты на 1-2 м. что привело к расширению территории подтопления и затопления, снижению регулирующей (защитной) способности дамб;
• транспортирование древесины при лесоразработках с использованием устаревших технологий;
• несоблюдения режима хозяйствования в водоохранных зонах и прибрежных защитных полосах рек, застройка пойм горных рек вплоть до их русел;
• отставания темпов строительства защитных сооружений от необходимого, а также разрушения их во время паводков;
• неполное выполнение мероприятий по инженерной защите территорий на речных водосборах.
Космическая информация позволяет не только наблюдать развитие паводка или половодья, но и получать оперативный прогноз зон затопления, оценивать принесенный ущерб, решать задачи выбора защитных дамб для сдерживания наводнения, выявлять участки, которым еще угрожает затопление и т.д. Применение компьютерных алгоритмов обработки данных делает возможным автоматическое определение границы воды и суши, площадей затопленных земель, а также выявление территорий, находящихся в опасности из-за поднимающегося уровня воды.
Послепаводковая оценка изменений состоит, в первую очередь, в фиксации последствий механического влияния (разрушенных мостов, прорывов дамб, эрозионных процессов и активизации оползней), гидрологического (затопления земель, русловые изменения). Определения таких последствий может сопровождаться как визуальными наблюдениями, так и применением дистанционных методов – космической съемки. Последняя разрешает значительно экономить исследовательские ресурсы.
Большинство населенных пунктов традиционно расположено вблизи водных объектов. В последние годы отмечается тенденция ускорения застройки прибрежных территорий — пойм и прирусловых террас. Важная особенность космического мониторинга — это возможность совмещения оперативной информации о состоянии местности (фотопортрета местности) и цифровых картографических слоев ГИС, содержащих данные о планировании городского строительства, проектировании защитных сооружений, развитии инфраструктуры, для оценки риска возможного затопления.
В ходе подготовительного этапа проекта необходимо выполнить следующие мероприятия:
— подготовить цифровую карту или геопривязанную мозаику спутниковых снимков на регион половодья для обеспечения оперативной привязки новых снимков, дешифрирования и идентификации объектов на них;
— подготовить векторную карту русла реки в меженный период, уточненную по данным актуальных спутниковых съемок; карта русла реки необходима для оперативной оценки территорий и площади подтопления;
— подготовить геосервис и фтп-сайт для оперативной передачи продуктов заказчику.
В целях моделирования подъема уровня реки на опасных участках необходимо создать цифровую модель рельефа (ЦМР) на основе стереопар, интерферометрических пар или доступных топокарт.
Планирование спутниковых съемок.
Спутниковая аппаратура съемки высокого и среднего пространственного разрешения (3–60 м), в отличие например от датчиков MODIS (250 м – 1 км), имеет ограниченную полосу захвата и большой период повторного просмотра (2–5 суток и более). Поэтому для обеспечения гарантированной ежесуточной съемки необходимо планировать координированную работу 6–8 спутников ДЗЗ с оптической и радиолокационной аппаратурой.
Задача спутникового слежения за продвижением ледохода по рекам протяженностью 500 км и более требует внесения изменений в заказы в связи с быстро меняющейся обстановкой. В этом случае наиболее эффективными средствами на сегодняшний день зарекомендовали себя РСА спутника RADARSAT-1 (режим съемки SCANSAR Narrow) и широкополосный многоспектральный датчик AWiFS спутника IRS-P6 (период повторного обзора 1–2 суток для северных широт). Перечисленные средства позволяют гарантированно получить РСА снимки районов половодья при заказе за 3 суток до пролета без переплаты даже при грубых прогнозах а в случае благоприятных метеоусловий — получать оптические снимки с периодичностью 1–2 суток.
Многоканальный потоковый прием и обработка съемок половодья.
Программные средства приема и первичной потоковой обработки должны обеспечивать (рис. 2.3):
— нарезку на кадры, формирование метаданных и каталогизацию изображений из «сырого» потока данных маршрутной оптической съемки;
— просмотр «квиклуков» (уменьшенных копий) принятых изображений заданных участков мониторинга и первичную оценку качества снимков;
— извлечение из потока по команде оператора и синтез изображения района мониторинга стандартного уровня обработки;
— геометрическую и радиометрическую коррекцию;
— передачу снимков для дальнейшей тематической обработки.
Тематическая обработка и интерпретация радиолокационных снимков для съемок половодья.
В силу специфики РСА изображения сложны для восприятия даже опытных гидрологов. Необходимый опыт дешифровки можно получить при сопоставлении квазиодновременных оптических и радиолокационных снимков одного и того же района. При РСА съемке целесообразно использовать сигналы горизонтальной поляризации НН или нескольких поляризаций, включая НН, для уверенного выделения границы «вода – лед» и подтопленных районов.
При сравнении оптического и РСА изображений видно, что лед и снег отображаются светло-серым тоном, более темные тона РСА снимка соответствуют обводненным участкам льда, участки открытой воды (полыньи, промоины) на РСА снимках отображаются черным цветом в силу зеркального отражения водной поверхностью радиосигналов. На снимках выделяются также участки торошения льда. При затруднении в дешифрировании РСА снимков (отличие участков открытой воды или участков обводненного льда) надежным информативным признаком наличия ледяного покрова на реке является сохранение ледовых переправ через реку у населенных пунктов, которые видны на снимках в виде белых полос.
Неоспоримым преимуществом радиолокационной съемки является гарантированное предоставление в заявленные сроки данных, позволяющих извлекать количественные и качественные характеристики гидрологической обстановки, основными среди них являются:
— общая качественная характеристика состояния ледовой поверхности на реке (неподвижный лед, обводнение и дефрагментация льда, наличие и расположение промоин и полыньи, районы ледохода и свободной от льда воды);
— граница «вода – лед», твердый сухой лед, обводненный лед и открытая вода, процентное соотношение «вода – лед» в пределах заданного участка русла;— наличие участков торошения и ледовых заторов (в отдельных случаях);
— наличие факта подтопления по сравнению с меженным периодом, площадь подтопления;
— динамика процессов вскрытия, подтопления и спада половодья (при сравнительном анализе снимков из временной серии).
Тематическая обработка и интерпретация оптических многоспектральных съемок половодья.
В процессе комплексной обработки оптические снимки высокого разрешения необходимы в качестве важнейшего источника информации о характеристиках ледяного покрова, получаемых в температурно-зависимых спектральных каналах съемки инфракрасного (ИК) диапазона, а также как инструмент для облегчения процессов дешифрирования и идентификации процессов на РСА изображениях.
Несмотря на зависимость работы оптической аппаратуры от погодных условий, оптические многоспектральные снимки также дают возможность получать количественные и качественные характеристики гидрологической обстановки:
— общая качественная характеристика состояния ледовой поверхности на реке (неподвижный лед, обводнение и дефрагментация льда, наличие промоин и полыньи, ледоход, чистая вода);
— граница «вода – лед», твердый сухой лед, обводненный лед и открытая вода, процентное соотношение «вода – лед» в пределах заданного участка русла;
— наличие участков торошения и ледовых заторов (в отдельных случаях);
— наличие факта подтопления по сравнению с меженным периодом, площадь подтопления;
— динамика процессов вскрытия, подтопления и спада половодья (при сравнительном анализе снимков из временной серии).
Оптические снимки позволяют дешифрировать кромку «вода – лед» и отличать чистую воду от обводненного снега. Особый интерес представляют многоспектральные снимки с ИК каналами как источник информации о состоянии льда, особенно непосредственно перед вскрытием реки.
Разработка информационных продуктов
Перечень продуктов, разрабатываемых на основе спутниковых снимков, определяется информативными параметрами, которые можно оценить или рассчитать по спутниковым снимкам. К наиболее значимым параметрам, которые свойственны описанному методу комплексного оперативного мониторинга половодья и которые не определяются по съемкам низкого разрешения, следует отнести:
1) характеристики состояния льда, наличие, число (площадь) промоин и открытой воды, влагосодержание или обводнение льда, классификация льда, оценка процентного соотношения площади тонкого мокрого льда и толстого заторного льда в заданных сегментах русла;
2) наличие и состояние ледяных заторов, контроль результатов взрывных работ и работы ледоколов по подготовке русла к ледоходу, оценка эффективности принятых мер по спуску льда;
3) динамика развития ледохода и продвижение кромки льда, наличия льда в руслах рукавов, образование ледовых заторов и начало подтопления поймы;
4) оценка территории подтопления и общей площади, залитой водой в заданных сегментах территории; оценка границ максимального распространения воды;
5) оценка инфраструктуры, попавшей в район подтопления, включая дороги, мосты, зоны застройки и населенные пункты, сельхозугодья.
Верификация спутниковой информации по наземным данным.
Важным компонентом схемы космического информационного обеспечения является наличие обратной информационной связи в виде уточненных прогнозов гидрологической обстановки, данных контактных измерений и результатов авиаразведки, передаваемой в адрес специалистов тематической обработки спутниковых изображений и планирования съемок.
Методика выделения водных объектов по космическим снимкам.
При дешифрировании космических снимков с целью локализации затопленных территорий важно точно провести границу раздела «вода – суша». Для этого необходимо использовать несколько правил:
1. В видимом диапазоне спектра (VIS) вода имеет более высокий коэффициент поглощения. На дневных снимках водные поверхности темнее, чем земля.
2. В ближнем инфракрасном диапазоне (NIR) отражательная способность воды ниже, чем в видимом (VIS), поэтому индекс вегетации NDVI = (NIR – VIS) / (NIR + VIS) для воды имеет отрицательные значения, а для мокрой земли – близкие к нулю.
3. Вода обладает более высокой тепловой инерцией, поэтому водные поверхности ночью теплей, а днем холодней, чем почва.
Нужно отметить, что в реальных условиях построению точных границ зон затопления препятствует целый ряд факторов. В первую очередь это облачный покров, который часто сопутствует наводнениям. Дополнительные помехи создают тени от облаков и солнечные блики на поверхности воды. Кроме того, нужно знать нормальное состояние водных объектов, чтобы регистрировать отклонения в их расположении.
Технология мониторинга наводнений.
Структурная схема мониторинга приведена на рис. 1. Она состоит из трех основных компонент (блоков): оперативного картирования, прогноза (моделирования) и верификации.
Рисунок. 3. Структурная схема космического мониторинга паводков и наводнений
Блок оперативного картирования зон затопления использует ежедневные съемки русел рек. Для мониторинга наводнений используются ночные снимки NOAA (AVHRR) (разрешение 1,1 км), Aqua (MODIS) и Terra (MODIS) (разрешение 250 м., 500 м., 1 км) в инфракрасном диапазоне, а также дневные снимки Aqua (MODIS) и Terra MODIS (разрешение 250 м., 500 м., 1 км).
Блок моделирования служит для прогноза развития ситуации на особо опасных участках. Для расчетов затопления прирусловых территорий при паводках и формирования стока на водосборах используется нестационарная двумерная модель открытого потока с подвижной границей (уравнения Сен-Венана):
Блок верификации осуществляет сравнение результатов прогноза и оперативных карт зон затопления, построенных на соответствующую дату (время). По результатам сравнения выявляются различия, определяются причины ошибок и осуществляется корректировка модели.
Список используемой литературы
Л.Ф. Спивак, О.П. Архипкин, В.С. Панкратов, Л.В. Шагарова, Г.Н. Сагатдинова. Технология мониторинга паводков и наводнений в западном Казахстане.
В. Серенко, Я. Пархисенко. Материалы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в исследованиях влияния вод на экологию водных бассейнов.
Отчет по результатам спутникового мониторинга весеннего половодья на реке Северная Двина.
Классификатор тематических задач оценки природных ресурсов и окружающей среды, решаемых с использованием материалов ДЗЗ. Редакция 7. ООО «Байкальский центр», ООО Инженерно-технологический Центр «СканЭкс». Иркутск. 2008.
Ю.А. Мельник. Радиолокационные методы исследования Земли.
И.А, Лабутина. Дешифрирование аэрокосмических снимков. 2004. – 184 с.
И.К. Лурье, А.Г. Косиков. Теория и практика цифровой обработки изображений /Дистанционное зондирование и географические информационные системы. Под ред. A.M. Берлянта. -М.: Научный мир, 2003. - 168 с.
Г.Я. Красовский, В.А.Петросов. Космический мониторинг водных экосистем с использованием ГИС-технологий. 2002.
