Космический мониторинг и оценка риска затопления урбанизированных территорий в периоды половодий Часть 3
Публикации. Материалы диссертационного исследования опубликованы в 23 печатных работах, из них три в журналах, рекомендованных ВАК и в одном отчете о НИР.
Структура диссертационной работы. Работа изложена на 135 страницах, состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, заключения, библиографического списка и приложений. Имеет, кроме текста, иллюстрационный дополняющий материал в виде 22 рисунков и 24 таблиц, библиографический список, состоящий из 154 наименований, в т. ч. 20 на иностранных языках. Диссертация включает 5 приложений.
Содержание работы
Во введении обосновывается актуальность, определяется объект и цель, ставятся задачи исследования, формулируется научная новизна и практическая ценность работы.
В первой главе диссертации даются понятия риска, уязвимости и опасности, вызываемые затоплением территории в периоды половодий. Проведен критический анализ работ по мониторингу паводков с применением данных ДЗЗ и ГИС.
Рассмотрено техническое и программное обеспечение космического мониторинга.
По известной вероятности затопления территории (P) и величине возможной уязвимости (V) можно оценить риск затопления (R) для территории в количественных показателях. Такие показатели представляют собой вероятностные величины, характеризующие возможную гибель, увечье людей и возможные материальные потери (экономический ущерб) [Осипов, 2004].
Вероятность проявления затопления (P) территорий рассчитывается исходя из многолетних наблюдений за максимальными уровнями воды на гидропостах и информации о паводкоопасных зонах. Величина уязвимости (V) тесно связана со степенью хозяйственного освоения затапливаемых территорий в зонах различной обеспеченности.
|
Риск затопления (R) территории можно выразить следующей функцией:
R = f (P, V),
где P – вероятность затопления территории; V – величина возможной уязвимости.
Оценка риска затопления невозможна без развертывания системы мониторинга наводнений. Действующая сеть гидропостов Гидромета не может дать всю необходимую информацию об опасности затопления. С учетом обширности речных пойм дополнительные данные о затоплении могут быть получены методами ДЗЗ из космоса.
Методические аспекты мониторинга природных процессов с использованием данных ДЗЗ в последние 30 лет разрабатывались в НИИ Росгидромета и его региональных подразделениях, Московском государственном университете имениМ. В.Ломоносова, Институте водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН, Институте географии Сибирского отделения РАН, Институте космических исследований РАН, Московском государственном университете геодезии и картографии и др. учреждениях. Значительный вклад в применении геоинформационных технологий и аэрокосмических методов в системах автоматизированного экологического мониторинга окружающей природной среды внесла федеральная целевая программа "Оздоровление экологической обстановки на реке Волге и ее притоках, восстановление и предотвращение деградации природных комплексов Волжского бассейна" ("Возрождение Волги"), осуществляе­мая под научным руководством академика PAACH B. B. Найденко.
Анализ опыта использования данных ДЗЗ показал их широкое применение при мониторинге паводков и наводнений. Космические снимки, полученные в реальном режиме времени, используется для оперативного слежения за прохождением весеннего половодья и анализом его развития. Важным достоинством оперативных космических снимков среднего пространственного разрешения является наглядность данных и возможность получения покрытия на всю территорию, в частности, Нижегородской области.
Однако использование космических снимков высокого пространственного разрешения в реальном масштабе времени связано с планированием заказа съемок и большими финансовыми затратами. По архивным снимкам высокого пространственного разрешения возможно определять положение урезов воды на даты прошлых лет и выделять затопленные участки поймы. Съемка в радиоволновом диапазоне дает возможность получать информацию о наводнениях независимо от освещенности и облачности. Обработка радарных снимков требует специализированного программного обеспечения, к тому же их стоимость значительно превышает аналогичные данные в видимой и инфракрасной области электромагнитного спектра, в связи с чем они не были применены в данной работе.
Во второй главе рассмотрены методологические вопросы и технологические аспекты предлагаемой методики моделирования затопления территории по космическим снимкам высокого пространственного разрешения в сочетании с данными об уровнях воды, определяемых на гидропостах.
Методика состоит из трех последовательных этапов:
I этап – Формирование базы данных космических снимков территории:
1. Произвести анализ развития половодий.
1.1. Анализ водного режима рек.
1.2. Составление графиков максимальных уровней для гидропостов.
1.3. Расчет обеспеченности уровней воды.
1.4. Выявление периодов стояния высоких вод с целью заказа архивных космических снимков на даты максимального разлива вод.
2. Произвести анализ обеспеченности данными ДЗЗ.
2.1. Выбор космических аппаратов.
2.2. Выбор поставщиков данных ДЗЗ.
2.3. Анализ архивов поставщиков данных ДЗЗ.
3. Произвести обработку космических снимков.
3.1. Выбор картографической основы.
3.2. Выбор комбинации каналов для визуализации.
3.3.
Выбор картографической основы для контроля привязки и трансформирования изображения.
3.4. Обработка космических снимков в специализированном программном обеспечении.
II этап – Создание геоинформационной базы данных (ГБД) зон затопления:
4. Выбрать участки паводкового контроля.
5. Сформировать зоны затопления по участкам.
6. Занести в ГБД информацию по участкам паводкового контроля.
7. В случае недостатка космических снимков произвести моделирование зон затопления с помощью ЦМР в виде грида.
III этап – Моделирование затопления территории:
8. Составить карты затопления территории при различных уровнях обеспеченности.
Отработка методики производилась на тестовых участках Нижегородской агломерации. С учетом времени прохождения весенних половодий проводился анализ обеспеченности данными ДЗЗ территории Нижегородской области со следующих космических аппаратов: Terra (Aster), Landsat 5, 7, Метеор-3М (МСУ-Э), IRS (Liss 3),
Spot 4, 5. Анализ архивов ведущих российских поставщиков данных ДЗЗ (ИТЦ «СканЭкс», «Совзонд», НЦОМЗ и др.) показал, что для периодов весенних половодий на территорию Нижегородской области космических снимков достаточно мало. Это вызвано отсутствием достаточного количества космических съемок высокого разрешения, а также наличием облачности в паводковый период.
В результате было отобрано 16 архивных космических снимков с космических аппаратов Terra (Aster), Landsat 5, 7 и Метеор-3М (МСУ-Э), которые были приобретены в рамках НИР при финансовой поддержке Главного управления МЧС по Нижегородской области.
Космические снимки были получены от поставщиков поканально в формате GeoTIF, после чего была произведена их обработка: визуализация в режиме RGB, контрастирование изображений, коррекция цветового баланса. Как известно, «вода» на космических снимках лучше всего отображается в инфракрасных и красных каналах. Исходя из этого для космических снимков Landsat и Aster были опытным путем подобраны комбинации, на которых затопляемые территории выглядят темно синими и почти черными и резко контрастируют с прибрежными территориями. Для Landsat это комбинация 7-5-3, а для Aster 9-3-2. Космические снимки с космического аппарата Метеор-3М (МСУ-Э) по своему качеству сильно уступают данным Landsat и Aster, в связи с чем далее работа с ними не проводилась.
