Разработка содержания и технологии геоинформационного обеспечения космического топографического мониторинга арктических территорий

Современная геоинформатика основана на интеграции многих наук [111]. Это создает возможности для междисциплинарного переноса знаний [112]. Согласно международному стандарту ISO OSI/TC 211: Geographie Information/ Geomatics, International Draft Standart геоинформатика направлена на развитие и приложение методов и концепций информатики для исследования пространственных объектов и явлений. Связующим элементом в геоинформатике являются пространственные отношения [113, 114].

Интеграция, как направление развития геоинформатики, обусловила создание геоинформационного мониторинга [115] как комплексного инструмента исследования [116]. Существенными признаками геоинформационного мониторинга как инструмента исследований являются:

•Разделение данных на три категории временные, координатные и тематические;

•Интеграция данных, получаемых из разных источников;

•Создание единой информационной основы мониторинга;

•Комплексная обработка интегрированной модели;

•Возможность создания специальных моделей, отражающих специфику объекта исследования;

•Возможность создания моделей, основанных на временных рядах, что дает возможности ретроспективного анализа и прогнозирования.

Островное оледенение высокоширотной Арктики быстрее и активнее реагирует на глобальные атмосферные изменения и, поэтому, является более чутким индикатором климатических перемен, чем ледники умеренных широт или громадные ледниковые покровы Антарктиды и Гренландии.

Современные результаты целого ряда гляциологических исследований ледниковых куполов в Арктике указывают на характерные признаки сокращения оледенения в регионе и развития обстановки в соответствии с упомянутым сценарием, который является далеко не самым пессимистичным [4,9,2145,78].

Поэтому, сбор и анализ новых достоверных физико-географических данных о внешних воздействиях и природных изменениях (возможных и действительных), происходящих в акваториях Ледовитого океана и северных морей, наземных экосистемах: полярные пустыни, арктические и субарктические тундры, является одной из наиболее актуальных задач как национального, так и международного развития, прежде всего в связи с предстоящими изменениями климата и готовящимися планами «вторжения».

Необходимость решения социально-экономических проблем арктических территорий со временем становится все боле актуальной. Стремительно увеличивается численность населения Земли, в том числе и в арктическом регионевсе больше создается инженерных сооружений гражданского, военного и смешанного назначений, разрушение которых грозит экологическими и другими катастрофамисущественно расширяется список территорий подверженных сильному антропогенному воздействиюинтенсивно разрабатываются полезные ископаемые и др.

При проведении мониторинга любого объекта или экосистемы возникает специфика, вытекающая из особенностей объекта исследования. Такая специфика имеется при исследовании арктического региона.

В настоящее время в Арктическом регионе происходят быстрые изменения, как в области окружающей среды, так и в политике и экономике.

Изменение климата — это фактор, которому уделяется наибольшее внимание, однако для Арктики имеют значение и другие факторы, такие как демографические изменения и рост глобального спроса на природные ресурсы региона. Арктическая морская деятельность, по всей вероятности, значительно расширится в результате повышения спроса на природные ресурсы и улучшения доступа к морским районам. Эта деятельность повысит риски для окружающей среды и ее экологических процессов. Следовательно, арктическим государствам необходимо умножить свои усилия в целях подготовки 5 надлежащих и своевременных национальных и международных правил и мер, чтобы уменьшить риски и потенциальные негативные воздействия судоходства и других видов деятельности в арктических водах.

Сложность экологической ситуации на арктических территориях России обусловлена слабой восстановительной способностью природных компонентов на фоне постоянно растущего техногенного пресса со стороны горнодобывающей, нефтедобывающей и горноперерабатывающей промышленности, частых аварий на нефтеи газопроводах, буровых платформах и установках промышленных выбросов в атмосферу и сбросов сточных вод в реки и моря [94,95].

Несмотря на то, что в настоящее время информация о ледяном покрове на водных объектах получается за счет спутниковой информации, однако ряд элементов, характеризующих динамику ледникового покрова либо не определяются, либо определяются с большими погрешностями.

Поэтому задача создания спутникового топографического мониторинга арктических территорий несомненно актуальна и требует немедленного решения.

При современном развитии технологий космического дистанционного зондирования земной поверхности вопрос об основном источнике данных для мониторинга высокоширотной Арктики решается однозначно, но проблема эффективного использования разнообразной космической информации для изучения и картографирования арктического региона остается достаточно острой, так как единой законченной комплексной методики, использующей все возможности таких данных, на настоящий момент не существует.

Современные технические средства дистанционного зондирования земных покровов, позволяют получать цифровые изображения участков земной поверхности с высоким пространственным разрешением и в широком диапазоне спектра электромагнитных волн. Кроме того, значительное развитие получили математические методы обработки цифровых изображений пространственно-спектральный анализ, вейвлет анализ, мультифрактальный 6 анализ, радарная интерферометрия и др.), которые при соответствующей адаптации алгоритмической базы могут быть с успехом применены для обработки цифровых изображений ледового покрова и др. элементов рельефа северных территорий [51,56,88,98,101,105].

Таким образом, в настоящее время появились реальные возможности для разработки последовательной, научно-обоснованной концепции и методологии космического топографического мониторинга арктических территорий и реализации на основе этой концепции космического географического метода изучения топографических изменений на земной поверхности в северных регионах России.

Исследования, проведенные автором настоящей работы, позволили ввести еще ряд функций в систему мониторинга арктических территорий. Это функции картографического представления, визуального моделирования, ретроспективного моделирования и анализа, когнитивного анализа, объективизации.

В связи с чем, целью диссертационной работы являлась разработка содержания и технологии геоинформационного обеспечения космического топографического мониторинга арктических территорий и экспериментальное апробирование методов и технологий ее реализующих на примере архипелага островов Земли Франца-Иосифа (ЗФИ).

Для достижения поставленной цели, автором разработан комплексный анализ изображений, полученных в разных спектральных диапазонах. В частности, совместная обработка стереофотоснимков вместе с радарными изображениями. При этом появляется синергетический эффект [117], состоящий в том, что эффект такой комплексной обработки превышает сумму эффектов составляющих.

Кроме того, для анализа информации и создания информационных ресурсов исследования арктического региона автором разработан ряд геоинформационных моделей.

Геоинформационная модель объединяет разновременные обработанные 7 данные, представленные в векторном и растровом видах одновременно, что позволяет анализировать характер и локализацию топографических изменений. Для каждого из слоев определено значение прозрачности, которое может меняться в зависимости от яркости отображаемых объектов.

Это дает возможность проводить качественный индикационный анализ и количественный анализ развития, какого либо явления.

В частности, это позволило построить в один ряд оцифрованные топографические карты 1950 г., оцифрованные снимки (либо мозаика из нескольких снимков) 2000;2010 годов, оперативную информацию настоящего времени. Эта комплексная модель позволяет проводить качественный и количественный анализ. Такая модель является новой в теории и практике геоинформатики. Она позволяет получать эффект, которого другими известными методами получить нельзя. Еще одна проблема при работе с картами мелких масштабов, особенно актуальная для арктических территорий — сложность обнаружения изменений площадных объектов, особенно небольшого размера (острова). В арктических зонах эти объекты однородны по цвету и отражающей поверхности, что существенно затрудняет их анализ и измерения.

Для решения этой проблемы автором также используются геоинформационные модели, для выявления деталей по картам крупных масштабом и по космической информации.

Большинство геоинформационных технологий в качестве результата представляют картографические модели или цифровые модели. В данном исследовании, в отличие от других аналогов, автор создает информационный комплекс, который представляет собой геоинформационный ресурс, на основе которого можно создать «прогностическую модель» развития процессов таяния или обледенения [109].

В процессе обработки данных мониторинга автором был разработан инкрементальный подход построения визуальной модели. Он обусловлен необходимостью решения задач второго рода [115], поскольку некоторые 8 используемые комплекты исходной информации нельзя было обработать прямым алгоритмом. В частности, при оцифровке островов, границ льда и суши использовался нестандартный набор качественно разных изображений для уточнения границ льда. Такая обработка велась поэтапно инкрементально для достижения целевой определенности [115].

Такое научное решение позволило использовать комплекс материалов, которые прежде совместно не обрабатывались. Этим были расширены возможности обработки данных и получен синергетический эффект.

Проведенные аналитические исследования показали, что для достижения цели диссертационного исследования, должны быть решены следующие задачи:

1. Анализ методов геоинформатики, применяемых при исследовании арктических территорий.

2. Разработка технологической схемы космического топографического мониторинга арктических территорий, состава и содержания ее базовых блоков.

3. Разработка содержания геоинформационного обеспечения космического топографического мониторинга арктических территорий.

4. Разработка и адаптация существующих технологий обработки материалов космических съемок с целью создания геоинформационного обеспечения топографического мониторинга на территорию ЗФИ.

5. Разработка геоинформационных моделей для анализа и прогноза топографических изменений объектов арктических территорий.

Научная новизна результатов научных исследований, полученных в ходе выполнения диссертационной работы, заключается в следующем:

1. Разработано содержание геоинформационного обеспечения космического топографического мониторинга арктических территорий.

2. Разработана технология создания геоинформационного обеспечения космического топографического мониторинга арктических территорий, базирующаяся на современных интерферометрических методах и алгоритмах обработки цифровых изображений.

3. Впервые разработаны и предложены геоинформационные модели для анализа и прогноза топографических изменений объектов.

4. Впервые выполнена оценка изменения площадных характеристик 191 острова архипелага Земля Франца-Иосифа (ЗФИ) на основе разработанных геоинформационных моделей.

Практическая значимость полученных научных результатов состоит в том, что разработанное содержание геоинформационного обеспечения, методика его получения, включая технологии обработки данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), могут быть использованы для дальнейших исследований, направленных на изучение динамики изменения элементов топографии и организацию рационального природопользования Арктики.

В целом вышеуказанный комплекс методов показал свою эффективность и применимость для исследования арктических территорий.

4.3 Результаты исследования изменений площадных характеристик островов архипелага Земля Франца-Иосифа по материалам космических съемок.

Базируясь на изложенной выше технологии предварительной и базовой обработки архивных и актуальных мониторинговых данных, проведена оценка изменений площадных характеристик 191 острова архипелага Земля Франца-Иосифа (рис. 4.3.1) покрытых и свободных от ледового покрова.

Рис. 4.3.1 Мозаика из оцифрованных топографических карт 1950 года на территорию архипелага Земля Франца-Иосифа.

В качестве примера в приложении 2 приведены результаты тематической обработки космических изображений, полученные при изучении динамики таяния ледяной части островов, на примере островов Ла-Ронсьер, Земля Вльчека, Галля, расчеты представлены в таблице 4.3.3.

Тематическое дешифрирование объектов гидрографии и выявление положения береговых линий островов по космическим изображениям, явилось не такой уж простой задачей, как могло показаться на первый взгляд. Вклад излучения, отраженного от дна неглубоких и прозрачных ледниковых озер и рек, распространенных в высокоширотной Арктике, вызывает осложнения при их дешифрировании на фоне окружающей местности.

Рис. 4.3.2 Мозаика покрытия исследуемой территории космическими изображениями за период 2000;2010 годы.

Значение площадей льда и суши, свободной ото льда, сокращение площадей.

Название острова Площадь острова, карты 1950 г., км2 Площадь острова, снимки 2010, км2 Сокращение площади острова, км2 Площадь суши, 1950 г., км2 Площадь суши, 2010 г., км2 Увеличение площади суши, км2 Площадь ледяной части 1950 г., км2 Площадь ледяной части, 2010 г., км2 Уменьшение площади ледяной части, км2.

Галля 970 939,2 30,8 63,54 80,05 16,51 906,5 859,2 47,3.

Земля Вильчека 2034 2013 21 246,9 253,1 6,2 1787,1 1759,9 27,2.

Ла-Ронсьер 436,2 409,9 26,3 87,2 84,4 -2,8 349 325,5 23,5.

Приток талых вод со значительным содержанием минеральных взвесей, ледникового молока, приводит к существенному изменению спектральной отражательной способности гидрографических объектов, включая прибрежные районы акваторий, что требует перестройки используемых классификаторов. Значительные трудности возникают при определении по космическим изображениям точного положения ледяных берегов в случае наличия припая юги протяженных полей морского льда, а также при распознавании мелких островков свободных ото льда, которые часто воспроизводятся с низким контрастом на фоне окружающей водной поверхности. Много вопросов возникало при классификации береговых линий на коренные и ледяные, полотне и обрывистые, постоянные и переменные. Решение этих и других проблем было достигнуто на основе комплексного применения методов визуально-инструментального, статистического, корреляционного и интерференционного анализа фотографических, сканерных и радарных изображений. При этом использовались стандартные пакеты обработки цифровых изображений: ENVI, ERDAS IMAGES, SARscape и др.

Выявление положения наземных границ ледников и снежников, равно как и анализ распределения основных структурных зон и линий ледниковых поверхностей по спутниковым изображениям, полученным в благоприятный период, не составляло особого труда, особенно при совместном использовании материалов оптической и радарной съемки. Корреляционные изображения, воспроизводящие вариации степени пространственной когерентности зарегистрированных комплексных радарных изображений, является одним из промежуточных продуктов интерференционного анализа (рис 4.3.4). Подобные изображения, иногда называемые корреляционными картами, воспроизводят стабильные объекты местности светлыми тонами, тогда как изменчивые объекты (водные поверхности озер и морей, быстродвижущиеся участки трещиноватого льда выводных ледников, районы припая и активных осыпей) представляются в темных тонах. Тем самым, автоматически производится фильтрация морского льда и осуществляется распознавание положения береговой линии всех, даже самых мелких островов. Анализ карты когерентности показывает, например, что береговые линии всех даже самых мелких островов воспроизводятся с хорошим контрастом и резкостью. Колебательные движения водной поверхности и полей морского льда, происходящие за 24 часа, полностью нарушают когерентность соответствующих участков радарных изображений и приводят к резкому выделению береговых линий и автоматической фильтрации полей морского льдапоследние, кстати, не являются непосредственными объектами топографических исследований. По той же самой причине хорошо выявляются границы между стабильными участками ледяных берегов и припаем, испытывающим колебательные движения. Понятно, что при оценке положения береговой линии по карте когерентности обязательно необходимо учитывать влияние суточных колебаний уровня моря и сгонно-нагонных явлений.

Анализ результатов дешифрирования более чем 60 разновременных оптических и радиолокационных космических изображений островов архипелага Земля Франца-Иосифа и сопоставление их с архивными материалами показал, что за последние 60 лет произошли значительные изменения в ледниковой обстановке. На Земле Франца-Иосифа более 50 ледников значительно отступили или совсем исчезли за последние шестьдесят лет. Особенно значительные перемены в границах ледников заметны у небольших, тонких и низко расположенных ледников с максимальной отметкой менее 250 м. Например, ледяной купол Малютка на Земле Георга, имевший высоту 89 м над уровнем моря и толщину около 35 м, более не существуетграницы купола Брусилова с отметкой 201 м на том же острове и мысе Гидрографов на о. Хейса отступили на 150 — 200 м. Ледники на островах Беккера, Брэйди, Хофмана, Гукера, Кейна, Куна, Ли Смита, Соясбери, Вильчека, Циглера и ряде других островов отступили на несколько сотен метров. Следует отметить, общую и устойчивую тенденцию современного отступления ледников на архипелаге Земля Франца-Иосифа. Наиболее существенное отступление оледенения происходит на передних частях выводных (приливных) ледников вследствие морской абразии и «отёла» (откалывания айсбергов). Так, например, на Земле принца Георга, на островах Дхенсока, Карла-Александра, Маклингокаи Солсбери откололись большие, более 500 м длиной куски выводных ледников, и береговая линия претерпела значительные изменения. На тех же снимках Земли Вильчека и острова Солсбери было обнаружено весьма интересное явление. В период общего отступления оледенения на Земле Франца-Иосифа фронты крупнейших выводных ледников, таких как Восточный в юго-восточной части о. Солсбери, ледники Знаменитый и Стремительный, продвинулись вперед на 600 м и более. Ледник Восточный практически заблокировал пролив Родса между островами Солсбери и Винер-Нейштадт, имевший ширину около 1000 м.

Сравнительно недавние депрессии и значительный расход материала в областях аккумуляции выводных ледников были обнаружены при стереоскопических наблюдениях. Все указанные выше особенности подтверждают гипотезу о наличии обширных плавучих ледяных шельфов в архипелаге, в существование которых до сих пор не очень верили некоторые исследователи. Считалось, что «.наличие плавучих ледниковых языков и ледяных шельфов на Земле Франца-Иосифа весьма маловероятно» .

Рис. 4.3.4 Интерферрограмма (амплитуда, когерентность, фазасоответственно) комплексного радиолокационного изображения группы островов Земли Франца-Иосифа.

Полученные данные показывают, что общая площадь островного покровного оледенения Земли Франца-Иосифа существенно сократилась. В таблице 4.3.5 приведены оценочные значения площади покровного оледенения за два периода: 1950 гг. и 2010 гг. Как видно из представленных данных за последние 60 лет общая площадь островов Земли Франца-Иосифа уменьшилась на 382,90 км². Площадь ледяной части островов уменьшилась на 613,10 км², а площадь суши увеличилась на 230,20 км².

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основным результатом работы является решение задачи имеющей важное хозяйственное и социально-экономическое значение — разработка содержания и технологии геоинформационного обеспечения космического топографического мониторинга арктических территорий, обеспечивающей информационное сопровождение их рационального природопользования, контроль за строительством и эксплуатацией инженерно-технических сооружений, контроль и предупреждение развития негативных природных процессов, представляющих угрозу для природы и человека, с помощью автоматизированных методов получения и обработки космических изображений земной поверхности.

В результате выполнения работы определены пути повышения эффективности использования данных дистанционного зондирования для организации топографического мониторинга арктических территорий.

Проведены экспериментальные исследования технологий обработки космических изображений земной поверхности, обеспечивающих получение информации о состоянии и динамике природной среды Арктического региона.

При выполнении данной работы решен ряд научно-технических задач и получены следующие результаты.

1. Содержание геоинформационного обеспечения космического топографического мониторинга арктических территорий.

2. Технология создания геоинформационного обеспечения космического топографического мониторинга арктических территорий, базирующаяся на современных интерферометрических методах и алгоритмах обработки цифровых изображений.

3. Геоинформационные модели для анализа площадных и линейных изменений ледового покрытия на исследуемых территориях.

4. Оценка изменения площадных характеристик 191 острова архипелага Земля Франца-Иосифа.

Экспериментальное исследование разработанной технологии космического топографического мониторинга арктических территорий показало, что она позволяет оценить динамику изменения ее топографических элементов и обеспечивает корректное автоматизированное формирования тематических космических изображений динамики береговой линии по данным космической съемки. Полученные тематические изображения могут использоваться в качестве объективной основы для построения оценочных и прогностических пространственных моделей береговых линий островов Земли Франца-Иосифа.