Снищенко Д.В., Снищенко Б.Ф. Рекомендации по использованию аэрокосмической информации при изучении руслового процесса - файл n1.doc
приобрестиСнищенко Д.В., Снищенко Б.Ф. Рекомендации по использованию аэрокосмической информации при изучении руслового процесса
скачать (1720.5 kb.)
Доступные файлы (1):
| n1.doc | 1721kb. | 13.09.2012 17:15 | скачать |
- Смотрите также:
- "Методические рекомендации по использованию сети Интернет в целях поиска информации о должниках и их имуществе" утв. Фссп РФ (Документ)
- Jonathon Shlens. A Tutorial on Principal Component Analysis (Документ)
- Методические рекомендации по решению задач при изучении некоторых тем курса и материалы для подготовки к прохождению зачета (Документ)
- Физическая химия (Документ)
- Инструктивно-методическое письмо министерства образования республики беларусь (Документ)
- Кульбак С. Теория информации и статистика (Документ)
- Рабочая программа по физике 10 класса (Документ)
- Курьянов М.А., Половцев В.С. Активные методы обучения (Документ)
- Борисова А.Б. Греческий без репетитора. Книга (Документ)
- Згурскиий В.С., Лисицын Б.Л. Элементы индикации (Документ)
- Малышкин Е.В., Мильчин А.Э. Настольная книга издателя (Документ)
- Батищев Д.И., Шапошников Д.Е. Многокритериальный выбор с учетом индивидуальных предпочтений (Документ)
n1.doc
И КОНТРОЛЮ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
ПРИ ИЗУЧЕНИИ РУСЛОВОГО
ПРОЦЕССА
Одобрены Методической комиссией
Государственного гидрологического института па приборам
и методам получения и переработки гидрологической информации
(22 ноября 1984 г.)
ЛЕНИНГРАД ГИДРОМЕТЕОИЗДАТ 1985
Ответственный редактор - канд. геогр. наук В.Ф. Усачев
В Рекомендациях раскрываются возможности применения материалов разных видов аэрокосмических съемок для анализа руслового процесса при: типизации руслового процесса, определении плановых деформаций, проведении наземных работ, оценке антропогенного воздействия в речных бассейнах, восстановлении истории развития рек.
Рекомендации предназначены для научных, проектных и производственных организаций водохозяйственного профиля.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Привлечение аэрофотосъемочного материала для изучения речных русел открыло новый этап в развитии теории руслового процесса и в ее практическом использовании. Так, обработанный в Государственном гидрологическом институте (ГГИ) массовый аэрофотосъемочный и картографический материал открыл широкие возможности для формирования некоторых важных положений гидроморфологической теории руслового процесса, а также для внедрения результатов съемок рек в практику его гидроморфологического анализа [23, 26, 36]. Методическая сторона применения аэрофотосъемок при исследовании режима русел и пойм получила отражение в Рекомендациях [38, 39].
Дальнейшим развитием аэросъемок явились космические съемки, имеющие ряд преимуществ: охват больших территорий и любых регионов Земли, периодичность, всесезонность, многократная повторяемость.
Высокая эффективность анализа руслового процесса в разных регионах нашей страны достигнута при комплексном рассмотрении материалов космических съемок (космического фотографирования), аэрофотосъемок и наземных обследований. Выполненные исследования позволили расширить применительно к горным странам типизацию руслового процесса, ранее созданную ГГИ, составить карту типов русел рек зоны БАМ и обобщить первый опыт работ института в этой области [9, 37, 40, 47].
Тем не менее следует подчеркнуть, что использование, особенно комплексное, аэрокосмических материалов при анализе руслового режима рек пока не нашло широкого применения.
Настоящие Рекомендации призваны активизировать эту важную для теории и практики руслового процесса деятельность в научных, проектных и производственных организациях разных ведомств.
В Рекомендациях не изложены вопросы первичной (вводной) подготовки дешифровщиков. Сведения о процессах фотосъемки, обработки фотоматериалов, а также по дешифрированию элементов гидрографической сети, контуров растительности и др. можно получить в публикациях, многие из которых введены в учебный процесс, в частности, на географических факультетах университетов [1, 3-5, 10, 16, 17, 20, 26-28, 32, 36, 42, 43].
Рекомендации подготовлены в аэрокосмической лаборатории и отделе русловых процессов ГГИ на основе обобщения опыта использования аэрокосмических съемок при изучении руслового процесса. Они призваны раскрыть возможности применения материалов разных видов съемок и показать методические приемы использования аэрокосмической информации при решении некоторых вопросов теории и практики руслового процесса (его типизации, выявления плановых (горизонтальных) деформаций на участке реки и др.), проведении наземных работ, оценке влияния антропогенного воздействия, восстановлении истории развития котловин, долин, пойм и русел.
Рекомендации составлены ст. инж. Д.В. Снищенко и д-ром техн. наук Б.Ф. Снищенко.
Рецензент - канд. техн. наук З.Д. Копалиани.
Ценные замечания при просмотре рукописи высказаны проф., д-ром геогр. наук И.В. Поповым.
1. ХАРАКТЕРИСТИКА АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
Носителем информации при аэрокосмических съемках является многоспектральное отраженное излучение, характеризующее оптические свойства природных объектов. По этим свойствам можно судить о состоянии и строении последних. Оптические свойства объектов меняются в течение года, сезона и суток. На них оказывает влияние целый ряд природных факторов и явлении [5, 19].
При аэрокосмических исследованиях земная поверхность изучается в видимой и ближней инфракрасной области спектра (визуальные наблюдения, телевизионная съемка, фотосъемка), а также в других частях спектра (инфракрасная, радиолокационная, спектрометрическая съемка), кроме того, выполняется ряд специальных съемок. Характеристики основных видов аэрокосмических съемок приведены в табл. 1 [10].
В настоящее время основной объем информации, полученной при дистанционных исследованиях, представлен материалами, отснятыми в видимой области спектра (длины волн ? = 0,38...0,76 мкм). Видимое излучение с различной длиной волны воспринимается глазом в виде светового и цветового изображения объектов.
Для получения наиболее полной информации об объекте исследований - реке с ее долиной, поймой, руслом, по возможности следует одновременно рассматривать материалы съемок, выполненных в различных диапазонах спектра.
Аэровизуальные наблюдения проводятся с вертолета или с самолета с целью общего осмотра района работ, контроля полноты и достоверности выполненного дешифрирования, выделения границ затопления пойм, ледовой разведки на реках и озерах. Аэровизуальные наблюдения выполняются по маршрутам, заранее намеченным на картах или фотосхемах, иногда проводятся одновременно с аэрофотосъемкой и часто сопровождаются перспективной съемкой любительской камерой. Наблюдаемые объекты наносятся на карты (снимки) кодовыми обозначениями [38].
При наблюдениях из космоса скорость перемещения космического корабля (8 км/с) резко ограничивает время разового наблюдения, но позволяет повторить наблюдение через небольшой промежуток времени. Выбор объектов наблюдения ограничен орбитой, которая может проходить вдоль или поперек долин крупных рек. При большой обзорности, высокой разрешающей способности аппаратуры и смене одного региона другим возможно выделение региональных особенностей у рек, видимых с выбранной орбиты [5, 8].
Таблица 1
Характеристики основных видов аэрокосмических съемок
Фотосъемка (аэрофотосъемка - АФС, космическое фотографирование - КФ), проводимая в видимой или ближней инфракрасной части спектра, является универсальным, наиболее используемым и самым доступным методом при русловых исследованиях. Фотоснимки характеризуются высоким уровнем разрешения, геометрической определенностью положения точек, высокой информационной емкостью, определяемой большим числом выделяемых объектов, объективностью и однозначностью их воспроизведения.
К основным недостаткам фотосъемки можно отнести зависимость качества изображения от метеорологических условий и времени производства съемок [10, 27, 28].
Материалы маршрутной или площадной фотосъемки представляются в виде негативов (фильмов), позитивов - контактных или проекционных (уменьшенных или увеличенных) фотоснимков, фотосхем (маршрутных, площадных, уточненных), фотопланов [28]. С полученных фотосхем (фотопланов) путем пересъемки изготавливаются репродукции. Наиболее часто в работе используются контактные отпечатки с размером кадра 18Ч18 см.
Объективы современных фотоаппаратов обладают высокой разрешающей способностью (разрешающая способность - количество линий, свободно различаемых на участке фокальной плоскости, длиной 1 мм). У современных объективов она достигает 160 лин./мм в центре поля с падением по краям изображения (см. табл. 1).
Негативы имеют большую разрешающую способность по отношению к отпечаткам. У контактных отпечатков разрешающая способность ниже, хотя они выдерживают 4-5-кратное увеличение с помощью приборов без потери информации. Подобные увеличения применяются при детальном изучении конкретного участка. Коэффициент предельного увеличения (фотоувеличения) определяется исходя из размера разрешения зрения (5 лин./мм), графической точности представления (2,5 лин./мм) и размера наименьшего картографического контура (4-9 мм2) [7].
Из всех материалов фотосъемки наиболее распространенными и используемыми являются фотоснимки с черно-белым изображением.
Цветное фотографирование в значительной мере моделирует физиологический процесс восприятия цвета человеческим глазом. На цветных фотоснимках появляется дополнительный признак дешифрирования - цвет. Методы цветной фотографии основаны на применении многослойных материалов с цветным проявлением как в негативно-позитивном варианте, так и с получением позитивного изображения (слайда), минуя негатив. Цветная съемка не получила широкого распространения вследствие дороговизны и значительного снижения разрешающей способности негативов по сравнению с черно-белыми. Цветные аэропленки имеют низкую чувствительность, что сокращает возможное время съемки и детальность воспроизведения [20].
Материалы ранее выполненных цветных фотосъемок используют при анализе руслового процесса для получения более полных данных о распределении и состоянии растительности на пойме и склонах долины.
Дополнительную информацию для анализа может предоставить многозональная съемка. Она позволяет получать серии снимков в нескольких узких зонах (каналах) видимой и ближней инфракрасной (ИК) частей спектра с помощью одной многообъективной фотокамеры или комплекта синхронизированных фотокамер с разными комбинациями фотопленок и светофильтров (см. табл. 1). Анализ многозональных снимков, предусматривающий сравнение и выявление различий в контрастах одних и тех же объектов, лучше всего выполнять на многоканальном синтезирующем приборе МСП-4. С его помощью по зональным черно-белым позитивным и негативным изображениям (на пленке) синтезируются ложноцветные изображения, выбираются наиболее эффектные их комбинации и цветовая гамма [16, 21]. Благодаря пятикратному увеличению и смене цветовых комбинаций на экране усиливается контрастное восприятие. При этом хорошо выделяются: русло с внутрирусловыми образованиями (пляжи, осередки), рисунок строения поверхности поймы, растительность, коренные берега и др.
При покрытии поймы и склонов долины снегом, а русла льдом изображения в четырех сравниваемых каналах (1, 3, 4, 6) одинаковы. Примерно та же картина бывает при отсутствии льда в русле, но наличии снега на островах, пойме и склонах долины. При наличии льда в русле и отсутствии снега на пойме наиболее четко проявляются различия между льдом в русле (белый тон) и пляжами (осередками), имеющими светло-серый тон (в первом канале).
В различных регионах в период полного отсутствия снега на пойме и льда в русле в 1-м канале нет контраста между открытой водной поверхностью и поймой, тон изображения один - темно-серый. Изображение в 3-м и 4-м каналах обладает наилучшей детальностью воспроизведения. В 6-м канале безошибочно выделяются все участки с открытой водной поверхностью, на затопленных поймах резче проявляется гривистый рельеф, безошибочно определяются прорвы в береговых валах и дамбах обвалования. Съемки в 5-м и 6-м каналах рекомендуется использовать для картирования затопленных пойм, для получения снимков мелководных распластанных русел (горная русловая, русловая и склоновая многорукавность). Благодаря высокой разрешающей способности снимки с МКФ-6, полученные в межень в 3-м и 4-м каналах, могут быть использованы для совмещения при определении плановых деформаций на участках рек с незначительными деформациями и при малом интервале между съемками. При дешифрировании предпочтительнее использовать негативы. К существенным недостаткам съемки аппаратом МКФ-6 (самолетный вариант) можно отнести малый размер кадров, т.е. малый захват площади при съемке.
На спектрозональных фотоснимках, являющихся разновидностью многозональных фотоснимков, обеспечивается одновременная съемка объектов в двух (трех) различных спектральных зонах и получение на одном негативе двух (трех) разноцветных изображений, обладающих наибольшим цветовым контрастом. На спектрозональных фотоснимках объекты изображены в искаженных (ложных) цветах. В зависимости от спектральных зон эффективной светочувствительности элементарных слоев возможно применение различных негативных аэрофотопленок. Применение спектральных аэрофотопленок СН-6 и СН-6М эффективно для дешифрирования растительности, опознавания увлажненных участков и уточнения границ водных объектов. Подводный рельеф в руслах рек проявляется на аэрофотопленках, реагирующих на желто-зеленые и зеленые лучи [20]. Для распознавания подводного рельефа необходимо проведение съемок в масштабах 1:5000 - 1:10000.
Материалы космического фотографирования имеют высокую разрешающую способность, что позволяет для камерального дешифрирования использовать снимки с увеличением до 8-10* [6, 7, 13]. Полученные путем увеличения снимки сопоставимы с материалами АФС и используются для определения плановых деформаций. При рассмотрении материалов космического фотографирования совместно с материалами аэрофотосъемки они именуются как аэрокосмические материалы крупного (1:5000 - 1:50000), среднего (1:50000 - 1:200000) и мелкого (мельче 1:200000) масштабов.
Материалы космического фотографирования открыли дополнительные возможности для изучения законов формирования и развития рек. К ним относятся: проверка общности и выявление региональных особенностей типизации речных русел и пойм; однозначное выделение высоких структурных уровней руслового процесса - морфологически однородных участков и водотоков в целом; сравнительный анализ гидрографических элементов разных водосборов и самих водосборов; сравнительный анализ роли рельефа Земли в образовании геоморфологических элементов реки - долины, террас, поймы, русла - и роли последних в формировании типов руслового процесса; уточнение определяющих факторов руслового процесса и их характеристик; выявление картины формирования и движения волны половодья; проведение анализа и контроля трансформации рек под действием антропогенной деятельности в их бассейнах и др.
Рис. 1. Телевизионные изображения (МСУ-С) участков рек с разными типами руслового процесса.
а - свободное меандрирование; б - незавершенное меандрирование; в - пойменная многорукавность; г - русловая многорукавность; д - горная русловая многорукавность; е - вынужденное меандрирование; ж - свободно меандрирующие малые реки, видимые в половодье в зоне тундры; з - симметричные врезки излучин в коренной берег при ограниченном меандрировании; и - водохранилище озерного типа на р. Зее.
Телевизионная съемка ведется регулярно с искусственных спутников Земли системы «Метеор» сканирующими устройствами малого (МСУ-М) и среднего (МСУ-С) разрешения (см. табл. 1). Телевизионные снимки используются при выделении границ затопления широких пойм [11].
По телевизионным снимкам с МСУ-С хорошего качества можно опознать некоторые типы руслового процесса на участках крупных и средних рек, например свободное, незавершенное и вынужденное меандрирование, три разновидности многорукавности - пойменную, русловую и горную русловую (рис. 1 а-е). Нe опознаются ленточно-грядовый и побочневый типы руслового процесса, участки рек с ограниченным меандрированием, наледной и склоновой многорукавностью. Неопознаваемые типы руслового процесса встречаются на участках незначительного протяжения. Определение типов русел на беспойменных и коротких участках рек следует производить по снимкам крупных масштабов [48].
По последовательным снимкам с МСУ-С, полученным с достаточным интервалом времени между ними, можно качественно оценить изменения в русле на участке крупной реки, например Лены, т.е. отметить появление или исчезновение островов и проток. Существенное преимущество телевизионной съемки заключается в возможности регулярного получения информации. Повторим, что синтезирование цветного изображения на МСП-4 улучшает условия дешифрирования и расширяет возможности извлечения информации.
Радиолокационная съемка выполняется радиолокаторами бокового обзора, устанавливаемыми на самолетах и на спутниках, и использует радиоволновый диапазон электромагнитного спектра (см. табл. 1). Посланный радиосигнал по нормали отражается от встречающихся на его пути объектов и улавливается специальной антенной, затем фиксируется на фотопленке. Вследствие шероховатости поверхности отражения часть энергии посланного сигнала рассеивается. Частицы поверхности размером меньше половины длины отраженной волны не дают рассеянного отражения. Поэтому РЛ-съемку можно вести в любое время суток и при любой погоде, ибо облачность (за исключением грозовых туч) и туман не отражаются на качестве изображения. Четкость изображения зависит от степени шероховатости поверхности отражения, геометрии объектов, угла падения луча, степени поляризованности и частоты посланного сигнала, физических свойств поверхности отражения (плотности, влажности и др.). В случае резко расчлененного рельефа часть информации скрыта радарной тенью.
На РЛ-снимках четко выделяются долины, поймы и русла рек, особенно если они приурочены к разломам, трещинам и складкам, выраженным в рельефе. Тон изображения меняется от белого до черного. Черный тон отвечает радарной тени - зонам полного поглощения посланного сигнала и идеально гладкой (нешероховатой для данной длины волны) поверхности, которая при бытовом излучении дает полное отражение, уходящее из зоны приема. Тон одних и тех же поверхностей может меняться в зависимости от направления облучения, времени года и погоды. Открытая водная поверхность (при отсутствии волнения) полностью отражает падающие лучи и дает изображение черного тона [12, 20, 22]. Такое же изображение дают незарастающие песчаные пляжи и осередки, что особенно четко проявляется при сравнении аэрофотоснимка с РЛ-снимком (рис. 2е). При русловой многорукавности черный тон изображения русла прерывается на участках островов (рис. 2з). Растительность имеет наименьшее экранирующее значение ранней весной. В летний период влияние растительности на тон изображения проявляется наиболее резко. Неровная водная поверхность горных рек, перекатные участки равнинных рек имеют осветленный тон изображения. Тон изображения водной поверхности осветляется на участках горных рек с крупными валунно-галечными отложениями в русле. Тон изображения участков поймы зависит от состава растительности и увлажнения почвы. Увеличение влажности, особенно в весенний период, ведет к ослаблению отраженного рассеянного сигнала. Изображение увлажненных участков имеет темный тон.
Материалы РЛ-съемок рекомендуется использовать одновременно с материалами АФС. Основное применение они нашли при выявлении границ водных объектов, в частности при картировании затопленных пойм. При РЛ-съемке изображение рельефа сильно зависит от ориентировки посылаемого радиосигнала, получаемая информация часто имеет довольно значительное плановое искажение, затрудняющее ее привязку к картографической основе. Эта съемка отличается также относительно низким разрешением [12, 20, 22].
Рис. 2. Плановое (1), перспективное (2) и схематичное (3) изображения участков рек с разными типами руслового процесса.
а - свободное меандрирование; б - незавершенное меандрирование; в - пойменная многорукавность;
Рис. 2. Плановое (1), перспективное (2) и схематичное (3) изображения участков рек с разными типами руслового процесса.
г - склоновая многорукавность; д - ограниченное меандрирование; е - побочневый тип, образовавшийся на коротком участке реки после смены участка долины (в более мелком масштабе приводится радиолокационное изображение участка, на котором поверхность воды и песчаные образования- побочни - имеют черный тон);
Рис. 2. Плановое (1), перспективное (2) и схематичное (3) изображения участков рек с разными типами руслового процесса.
ж - ленточно-грядовый (переходящий в побочневый) тип; з - русловая многорукавность; снимок сделан в ранний весенний период - в русле лед, приводится радиолокационное изображение участка; и - горная русловая многорукавность;
Рис. 2. Плановое (1), перспективное (2) и схематичное (3) изображения участков рек с разными типами руслового процесса.
к - наледная многорукавность; л - вынужденное меандрирование;
Рис. 2. Плановое (1), перспективное (2) и схематичное (3) изображения участков рек с разными типами руслового процесса.
м - сток по мари (долина-марь); н - русло, по которому периодически сходят сели.
Рис. 3. Аэрофотоснимок (а), дневной (б) и ночной (в) тепловые аэроснимки.
1, 2, 3 - места подтопления трассы [53].
Инфракрасная тепловая съемка основана на использовании изображения, полученного в среднем и начале дальнего диапазонов спектра ИК-излучения (см. табл. 1). Для регистрации ИК-излучения используются тепловизоры типа «Вулкан» с двумя диапазонами съемки (3-5; 8-13 мкм), преобразующие невидимое ИК-излучение в видимое на электронно-лучевых трубках. Контрасты дневного теплового аэроснимка близки к контрастам аэрофотоснимка (рис. 3). Картина меняется на ночном снимке, так как переувлажненные места дольше сохраняют тепло. Выделяются на ночном снимке переувлажненные (теплые - светлые) участки поймы, оттеняются границы между разновысокими участками поймы, за счет разности во влажности вырисовывается гривистый рельеф, очень четко вырисовывается понижение на пойме вдоль коренного берега, проявляются все протоки многорукавного русла. Часть проток сохраняет и в ночное время темный (холодный) тон, таким путем выявляются выходы холодных подземных вод, стекающих по этим протокам. Обнаруживаются на ночных снимках засыпанные протоки и ручьи. Сопоставлением аэрофотоснимка с дневным и ночным тепловыми аэрофотоснимками выявляются места подтопления дорожных трасс, образующиеся в случаях перекрытия насыпями стока со склонов долин. На рис. 13 видно, что участки 2 и 3 наиболее опасны с точки зрения возможного повреждения насыпи накапливающейся водой [53].
Тепловая съемка является эффективным методом обнаружения на склонах долин и поймах рек возможных прорв в дамбах, дорожных насыпях, в засыпанных трубопроводах. Для обеспечения полноты анализа тепловая съемка производится многократно. Весь анализ выполняется в качественном виде.
2. КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОК, КАРТОГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ И РЕЗУЛЬТАТОВ НАЗЕМНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
Возможности использования материалов аэрокосмических съемок при русловых исследованиях очень широки. При одних видах работ они являются основным, а в малоизученных регионах почти единственным источником информации, при других - анализируются в комплексе с картографическими данными и результатами наземных наблюдений. Перечень видов анализа материалов аэрокосмических съемок в комплексе с информацией из других источников приводится в табл. 2. Более подробно методика их использования рассмотрена в самостоятельных разделах.
Таблица 2
Виды анализа руслового процесса при комплексном использовании материалов
Однозначное опознание большинства типов русел на участках рек можно выполнить только по аэрокосмическим материалам. Результаты анализа изображаются обычно на карте-схеме, за основу которой берется карта чаще всего масштаба 1:2500000 [2, 35, 40]. На этой основе (с соответствующей дорисовкой малых рек) создаются серии карт-схем: а) фиксирующих современное состояние рек (фрагмент подобной карты-схемы приведен на вкл. рис. 4); б) показывающих изменение типов руслового процесса под влиянием антропогенного воздействия, т.е. восстанавливающих по аэрокосмическим материалам состояние рек до антропогенного вмешательства; в) выявляющих участки рек, подлежащие охране. Применением аэрокосмических материалов обеспечивается объективность, точность и полнота содержания карт-схем. Одновременно с составлением карт-схем дается описание региональных особенностей проявления типов руслового процесса. Для их выявления составитель карты-схемы должен участвовать в полевых (наземных) изысканиях на реках региона и знакомиться с опубликованными работами по региону в смежных областях науки. Подробные карты-схемы для отдельных регионов выполняются в масштабе 1:1000000. Для обеспечения более полной насыщенности карты-схемы информацией используются материалы аэрокосмических съемок, рабочие масштабы которых в 5-6 раз крупнее масштаба карты-схемы.
Рис. 4. Фрагмент карты-схемы типов руслового процесса на реках зоны БАМ.
1 - свободное меандрирование; 2 - незавершенное меандрирование; 3 - пойменная многорукавность; 4 - склоновая многорукавность; 5 - русловая многорукавность; 6 - горная русловая многорукавность; 7 - наледная многорукавность; 8 - вынужденное меандрирование; 9 - сток по мари.
Данные об изменении плановых характеристик долин, пойм, русел и русловых форм по длине рек извлекаются с фотопланов, уточненных фотосхем или с контактных отпечатков, масштаб которых уточняется по картам. Одновременно с измерением плановых характеристик высказываются предположения о причинах изменений, обусловливающих переход от одного типа руслового процесса к другому. Для обеспечения полноты анализа выявленных изменений морфологических характеристик привлекаются данные о высотных характеристиках тех же морфологических образований, устанавливаемые по картам и при наземном обследовании.
Динамика заполнения и опорожнения пойм на таких крупных реках, как Обь, Волга, Амур, может быть выявлена по ТВ-снимкам среднего разрешения - МСУ-С. В случае недостаточного количества снимков к анализу привлекаются ТВ-снимки малого разрешения - МСУ-М. Контуры разливов по тем и другим снимкам в общем совпадают, но детальность изображения внутри этих контуров неравноценна [11]. При дешифрировании используются данные об уровенном режиме, гидроморфологическое описание участка реки, подробные сведения о пойме, различные карты. В некоторых регионах ко времени паводка почти всегда приурочена сплошная облачность и летно-съемочные работы не выполняются. В этом случае хорошие материалы по затоплению пойм можно получить с помощью радиолокационной съемки.
При определении плановых деформаций (скорости размыва и намыва) подбираются материалы многократных последовательных аэрокосмических фотосъемок (рис. 5).
Рис. 5. Фрагменты аэрофотоснимков участка реки разных масштабов, дат съемки, различного качества исполнения, использованные для совмещения при определении плановых деформаций (данные о масштабах и датах съемки приведены в табл. 5).
а - пойма; б - коренной берег; в - русло с пляжами и осередками.
Полученные разновременные фотоснимки (с достаточным временным интервалом) приводятся к одному масштабу, совмещаются, и на совмещенных схемах выявляются смещения контуров. Это позволяет вычислить плановые деформации - максимальные значения смещений в метрах в год (рис. 6). При отсутствии материалов ранних фотосъемок для получения приближенных данных об изменениях русла и поймы реки материалы аэрокосмических съемок совмещаются со старыми топографическими и лоцманскими картами.
При анализе руслового процесса используются также данные, полученные с помощью аэрогидрометрии [30, 31, 54]. Особую ценность представляют планы течений на пойме, полученные во время паводков редкой повторяемости.
При проведении наземных и аэровизуальных обследований в качестве картографической основы могут быть использованы материалы аэрокосмических съемок, представленные в виде фотопланов, фотосхем маршрутов, набора контактных отпечатков, масштаб которых определяется целями выполняемых работ. К ним привязываются все точки и створы выполненных гидрометрических измерений. В результате подобных обследований получают данные для составления обзорных гидроморфологических схем участка в виде планов и продольного профиля (см. рис. 7, 8 на вкл.). Фотопланы крупного масштаба из-за сложности их изготовления применяются для изучения небольших участков рек. На них с достаточной точностью наносятся все точки и линии измерений в русле и на берегу.
Рис. 6. Совмещенные схемы, полученные с аэрофотоснимков участка реки.
1 - линия коренного берега; 2, 3, 4 - линии обрушаемого берега и границы растительного покрова на пляжах соответственно за 1948, 1976 и 1981 гг.; 5 - зона размыва; 6 - зона намыва; 7 (а, б, в) - урез воды, соответственно за 1948, 1976 и 1981 гг.; 8 - высота берега над меженным уровнем, м; 9 (а, б) - максимальное значение смещения линии обрушаемого берега, соответственно в метрах за паводок и за год (осредненное за период между съемками); 10 - характерные линии на пойме.
При лабораторных исследованиях в качестве основы для строительства моделей можно использовать аэрокосмические материалы. На них более подробно отражается ситуация на тот момент, который хотят отразить в модели. Масштаб используемых материалов определяется в зависимости от масштаба модели.
Рис. 7. Схема участка реки, полученная по материалам наземного обследования и аэрофотосъемки.
1 - контур русла; 2 - границы поймы; 3 - урез воды; 4 - контуры зарастающих стариц; 5 - гребни ленточных гряд; 6 - навалы деревьев; 7 - поваленные деревья вдоль подмываемых берегов; 8 - галька и валуны в русле и на пойме; 9 - места отбора фотопроб грунтов; 10 - расстояние от устья, 11 - скала; прк - перекат; 0,8/1,3 - значения соответственно поверхностных скоростей (м/с) и глубины потока (м); 3,0-3,5 - высота подмываемых берегов, м; 0,8-1,0 - высота пляжей, м.
Рис. 8. Гидроморфологическая схема участка реки.
i - средний уклон водной поверхности, ‰; hб - высота подмываемых берегов, м; hпл - высота пляжей, м; hобд. коры - высота «обдиров» коры льдом на деревьях вдоль подмываемых берегов, м; Вп - ширина поймы; Bпр - ширина пояса руслоформирования, м; Bр - ширина русла, м; Сраз, Снам - максимальные значения скорости плановых деформаций соответственно размыва и намыва, осредненные за период, м/год; vпов - поверхностная скорость течения воды, м/с; Н - глубина потока, м; d50 % - диаметр частиц наносов 50 % обеспеченности на приверхах пляжей, мм;
- характеристики неравномерности крупности отложений.На аэрокосмических снимках фиксируются все изменения, происходящие в долинах, поймах и руслах рек. Последовательными съемками хорошо выявляется перестройка рек под влиянием хозяйственной деятельности, документально подтверждаются все стадии развития этих влияний. При анализе всех имеющихся материалов выявляется причина происшедших изменений.
Воссозданию истории развития реки, ее долины, поймы и русла предшествуют обширные региональные исследования. При подобных исследованиях создаются подборки материалов. В них входят и аэрокосмические материалы от самых мелких до самых крупных масштабов, разнообразные карты, гидроморфологические схемы и описания, опубликованные материалы в смежных областях науки.
По аэрокосмическим материалам мелких масштабов решаются вопросы о строении котловины, долины, определяются типы руслового процесса на крупных и средних реках; при привлечении материалов средних масштабов выявляются границы рыхлых отложений в днищах котловин, высказываются предположения об их происхождении. При использовании всей подборки материалов выполняется подробный гидроморфологический анализ руслового процесса от верховьев до устьев рек; составляются подробные гидроморфологические схемы рек; вычерчиваются плановые схематические изображения участков рек с нанесенными на них результатами наземных обследований, анализируются изменения ширины долины, поймы, русла в пространстве и во времени, устанавливаются участки с разными скоростями и глубинами потока, уклонами долины и русла. После анализа всех материалов высказываются предположения об истории развития реки (долины, поймы, русла).
Прогноз переформирований на участке составляется на основе воссозданной истории развития реки с привлечением данных о скоростях современных плановых деформаций русел на участках значительного протяжения. При прогнозировании учитывается возможность повторения катастрофических явлений, следы которых были выявлены на аэрокосмических снимках, и ориентировочно рассчитывается время их появления.
Информация, извлеченная из аэрокосмических материалов и представленная в форме графиков, таблиц, расчетов, схем, карт-схем, подробных описаний и др. может служить основой для важных теоретических обобщений и расчетов.
3. ОПОЗНАНИЕ (ДЕШИФРИРОВАНИЕ) ТИПОВ РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА ПО АЭРОКОСМИЧЕСКИМ СНИМКАМ
3.1. Общие сведения о дешифрировании
Дешифрирование - сложный творческий процесс, требующий от дешифровщика определенных навыков. Начинать дешифрирование следует с крупномасштабных аэрофотоснимков при использовании их во время полевых изысканий и аэровизуальных обследований. Существенную помощь при дешифрировании оказывает топографическая карта, так как она представляет собой результат географического дешифрирования.
Для выполнения дешифрирования необходимо иметь элементарные знания о процессах фотосъемки и обработки, материалов съемки, о возможностях использования материалов тех или других видов съемок и быть специалистом в области русловых процессов [1, 4, 16, 17, 42].
Дешифрирование - многоэтапный процесс, при котором приходится неоднократно обращаться в процессе работы к подборке материалов разновременных и разномасштабных съемок. По материалам, полученным в разные годы и сезоны, рассматривается не отдельный участок русла, а участок реки значительного протяжения с ее поймой и долиной. Дешифрирование выполняется визуальным путем с использованием луп и стереоскопов. Методы автоматизированного дешифрирования, например, для опознания типов руслового процесса пока не разработаны.
Для повышения точности, детальности и достоверности дешифрирования при картографировании используются стереофотограмметрические приборы [28]. Перенос отдешифрированных данных на основу осуществляется с помощью различных трансформирующих аппаратов, например фототрансформатора (ФТБ) и универсального топопроектора (УТП). Дешифрирование многозональных снимков выполняется с помощью синтезатора изображений МСП-4.
Дешифрирование аэрокосмических снимков должно проверяться результатами наземных изысканий. Наземные работы на небольшом участке реки являются «ключом» к выполнению дешифрирования на участках реки значительного протяжения [1, 32, 42]. Они позволяют подтвердить достоверность предварительного дешифрирования, в частности опознания типов руслового процесса.
Одновременно с дешифрированием снимков необходимо приступить к изучению литературных и картографических материалов.
Сложный процесс дешифрирования для удобства разделяется на этапы.
Первый этап - обнаружение русла с его внутрирусловыми образованиями, выделение поймы и долины.
Второй этап - опознание типа руслового процесса. Тип русла сначала угадывается, затем выделяются признаки того или другого типа, далее признаки группируются и опознается тип руслового процесса. У опытных дешифровщиков эти моменты сливаются.
Третий этап - анализ руслового процесса на участке реки. Если при опознании типа руслового процесса основная роль принадлежит прямым демаскирующим признакам, то при анализе используются и косвенные признаки.
К прямым демаскирующим признакам относятся: тон (или цвет), тень, размер и форма объектов [42].
Тон фотоизображения определяется атмосферно-оптическими условиями съемки (состояние атмосферы, освещенность местности, отражающаяся способность объектов), свойствами фотоматериалов и режимом фотообработки. Факторы эти изменчивы, и поэтому тон изображения сам по себе не может служить надежным признаком дешифрирования.
На черно-белых фотоснимках выделяются шесть тонов изображения: белый, почти белый, светло-серый, серый, темно-серый, черный. Цвет выступает как прямой (или условный) признак в зависимости от изображения в натуральных или ложных цветах.
Наличие теней позволяет определить направление долины и получить общее представление о рельефе местности даже без стереоскопа. Расположение теней на изображении в горных районах зависит от времени съемки.
Размеры объекта учитываются при распознавании типов русел и использовании снимков для получения количественных данных. Благодаря высокой разрешающей способности фотоснимков, можно использовать предельные увеличения размеров объектов для улучшения условий их дешифрирования.
Форма изображения является основным прямым признаком дешифрирования. Именно в контурах объекта заключена основная часть информации, так как главными элементами зрительного восприятия являются линии и контуры, а не площади, заключенные в них [42].
Опознание типов русел выполняется по комплексным признакам, представляющим собой сочетание прямых признаков, которое создает рисунок изображения.
Рисунком передается структура всей системы, образовавшейся при том или другом типе руслового процесса. По характерным рисункам типы руслового процесса непосредственно опознаются на снимках.
Передаваемая рисунком структура природного комплекса связана, с одной стороны, с генезисом системы, с другой - ее функционированием. Классификация рисунков строится на морфогенетическом принципе [42]. В структуре фотоизображения отражаются внутренние связи между руслоформирующими факторами: стоком воды, стоком наносов и ограничивающими условиями. Рисунок изображения зависит от условий, сезона, масштаба и характера технических средств съемки.
Условия дешифрирования различны на крупномасштабных и мелкомасштабных снимках. При уменьшении масштаба съемки происходит генерализация изображения, что особенно проявляется на космических снимках. Особенно чувствительны к уменьшению масштаба внутрирусловые формы (пляжи, осередки), хотя ширина (длина) их соизмерима с шириной выделяемого русла. С уменьшением масштаба исчезает изображение гривистого рельефа на пойме, но начинают проявляться линии коренных берегов, т.е. исчезают детали русла и поймы, а на первый план выступает строение всей поймы, долины (котловины).
В качестве примера по дешифрированию рассматривается участок, на котором река свободно меандрирует на широкой пойме; четыре следующие одна за другой излучины находятся примерно на одной стадии развития (см. рис. 5). При анализе снимков разновременных и разномасштабных съемок выявляется, что изображение участка реки зависит от масштаба, сезона и качества исполнения съемки. На снимках средних масштабов (1-4) в разные сезоны по-разному проявляются пойма со старицами и следами древних спрямлений излучин (а), коренные берега (б), выделяется русло с пляжами и осередками (в), растительный покров. На снимках крупных масштабов (6-8) изображен значительно меньший по площади участок поймы и русла. На этих снимках просматриваются детали строения русла и поймы: в русле на участках перекатов просматривается дно (6), на поверхности зарастающего пляжа и на пойме выделяются участки с древесной и кустарниковой растительностью (7), и не столько по разности тонов изображения, сколько по прямому выделению четко видимых крон деревьев. Значительна разница в изображениях в разные сезоны года. В весенний период (3) в русле еще сохранился лед, не везде проявляется линия уреза, общим белым тоном выделяются границы паводочного русла (за исключением полосок открытой водной поверхности); на пойме четко видны только старицы, покрытые льдом. После стаивания льда (6, 8) белым тоном выделяются все песчаные образования - пляжи, осередки, выносы песка на пойму. В этот весенний период резкой разницы в изображении растительности на пойме и на склонах долины нет. На снимках, полученных в летний период (4, 5, 7), наиболее резко очерчиваются границы между растительностью на пойме и песчаными образованиями в русле, проявляются линии бровок склонов долины за счет разницы в изображении лиственных деревьев и кустарников на пойме (темно-серый тон) и разреженных сосновых боров без подлеска на песчаных почвах склонов долины (светло-серый тон); растительностью маскируется рисунок рельефа поймы.
Все мелкие детали рельефа на пойме проявляются наиболее четко в осенний период (2). В этот период, когда лиственные деревья и кустарники сбросили листву, пойма приобретает светло-серый, местами почти белый тон изображения, поэтому исчезает граница между пляжами и заросшими участками поймы. Снимки, полученные в этот период, нельзя использовать для выделения зон намыва.
При дешифрировании следует иметь в виду, что вуалирующее влияние на комплексные признаки оказывает хозяйственная деятельность, в результате которой меняется первоначальный облик долин, пойм, русел [9, 45]. После строительства объектов (населенных пунктов, промышленных предприятий, карьеров, дорог, сельскохозяйственных угодий и др.), торфоразработок, вырубок леса, пожаров на склонах долин и поймах, часто происходит перестройка определяющих факторов и, как следствие, может измениться даже тип руслового процесса.
3.2. Дешифрирование типов руслового процесса
При анализе руслового процесса используются все имеющиеся материалы съемок, но предпочтительнее привлекать материалы съемок, выполненных в низкую межень и в периоды с наибольшими контрастами между руслом, поймой и склонами долины. Круг данных об участке реки расширяется при одновременном дешифрировании резко различных разномасштабных изображений в летнюю межень (чаще всего оптимальный вариант), в паводок, в весенний, осенний и даже зимний периоды.
Каждый тип руслового процесса формируется при закономерном сочетании определяющих факторов: ограничивающих условий, стока воды и наносов. Специфика этих сочетаний отражается в строении долины, поймы, русла. Особенности каждого типа изображаются на аэрокосмических снимках и выявляются с помощью характерных комплексных признаков, выделяемых непосредственно по снимкам, проще или сложнее в зависимости от масштаба снимков, уровня воды и фенологической фазы растительного покрова. Основной комплексный признак при выделении типа руслового процесса - это рисунок русла и поймы, на котором относительно неизменна форма объекта и значительно изменяется во времени тон отдельных частей изображения: открытой водной поверхности, внутрирусловых морфологических образований, растительности.
Схемы деформаций русел равнинных рек, согласно гидроморфологической теории руслового процесса ГГИ, подразделяются на семь типов: свободное меандрирование, незавершенное меандрирование, пойменная многорукавность, ограниченное меандрирование, побочневый тип, русловая многорукавность, ленточно-грядовый тип [23, 44].
В горных районах выделены и другие типы - схемы развития деформаций речных русел: горная русловая многорукавность и вынужденное меандрирование [24, 25]. В горных районах зоны многолетней мерзлоты дополнительно выявлены следующие типы: наледная многорукавность; склоновая многорукавность; сток по мари (долины-мари); русла, по которым периодически проходят сели [37, 40, 41, 47, 49].
Границы опознания типов русел на снимках рабочих масштабов различны для всех типов руслового процесса (рабочий масштаб - это масштаб контактных или проекционных фотоснимков, непосредственно используемых в работе; необходимо иметь в виду, что фотоснимок во многих случаях не имеет той высокой разрешающей способности, которая заложена в негативе). На всех мелкомасштабных снимках основным дешифровочным признаком опознания типов руслового процесса является рисунок русла. Долина, пойма, пояс меандрирования выделяются после опознания русла.
Выделение границ поймы в меженный период затруднено при всех типах руслового процесса [56]. Четко проявляются границы поймы в паводок, но часто исчезает рисунок русла - основной дешифровочный признак. Этим еще раз подчеркивается, что дешифрирование - многоэтапный процесс. Как уже упоминалось, при дешифрировании неоднократно используются материалы разновременных и разномасштабных съемок. Таким способом достигается полнота и достоверность, извлекаемой со снимков информации. Мезоформы (острова, осередки, пляжи) выделяются в руслах рек в зависимости от их плановых размеров. Гряды с шагом до 300 м удалось выделить на снимках с рабочим масштабом 1:200000. На снимках более мелких рабочих масштабов в руслах гряды не выделялись.
Рис. 9. Распределение типов руслового процесса в зависимости от ширины русла реки B и ширины дна долины B0
1 - свободное меандрирование; 2 - незавершенное меандрирование; 3 - пойменная многорукавность; 4 - ограниченное меандрирование; 5 - побочневый тип; 6 - русловая многорукавность.
По картам и материалам аэрокосмических съемок выявлено, что соотношение ширины русла на уровне пойменных бровок В с шириной дна долины В0 и с шириной пояса руслоформирования Впр в границах активной части поймы, включающей и русло (относительная ширина), различно при разных типах руслового процесса [23, 44]. На рис. 9 и 10 каждая ветвь графиков характеризует область существования определенного типа процесса, необходимым условием которого является определенное значение относительной ширины.
Рис. 10. Распределение типов руслового процесса в зависимости от ширины русла реки В и пояса руслоформирования Впр.
Усл. обозначения см. на рис. 9.
При переходе от свободно меандрирующего русла к прямолинейному показатели В0/В и Bпр/B уменьшаются на порядок (табл. 3). Значения показателей В0/В и Bпр/B (их параметры определяются по аэрокосмическим снимкам) являются дополнительным критерием однозначного опознания типов руслового процесса по рисункам изображения.
Для облегчения дешифрирования подобраны наиболее характерные фотоизображения участков рек с разными типами руслового процесса (см. рис. 1 и 2). Большинство типов руслового процесса имеют настолько характерный рисунок русла и поймы, подчеркиваемый контрастом между сушей и водой, что уже по одному этому признаку они распознаются на аэрокосмических снимках разных масштабов. Само дешифрирование на его первом этапе сводится к поиску на фотоснимках признаков того или иного типа руслового процесса.
Таблица 3
Средние значения относительной ширины при разных типах руслового процесса
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И КОНТРОЛЮ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ