XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Введение

Дистанционное зондирование предоставляет возможность сбора данных с поверхности Земли без физического контакта с объектами мониторинга. Технологии ДЗ позволяют обеспечить безопасность и найти решения для устранения чрезвычайных ситуаций и их последствий, а также позволяет проводить наблюдения на больших территориях [3].

Снимки, передаваемые спутниками ДЗЗ, позволяют проводить мониторинг вырубки лесов, состояния ледников, измерение глубины океана с помощью лота, геологические и гидрологические исследования. Дистанционное зондирование заменяет дорогие и сравнительно медленные методы сбора информации с поверхности Земли [2].

Целью данной работы является ознакомление с опытом применения данных дистанционного зондирования и геоинформационных систем наводнений в России, а также изучение и применение дешифрирования космического снимка на примере Калязинского района, Тверской области.

Были поставлены следующие задачи:

ознакомиться с методами дистанционного зондирования

дешифрировать снимки Калязинского района

составить карты динамики Калязинского района за 1880-2018 гг.

проанализировать полученные данные.

Актуальность работы состоит в определении возможностей МДЗ при изучении наводнения выбранной территории и в дальнейшем спрогнозировать ситуации, в случае повторения и оценить предполагаемый ущерб.

Глава 1. Опыт применения данных дистанционного зондированияи геоинформационных систем наводнений в России

Наводнение – это одно из самых опасных природных явлений, охватывающее большие территории и наносящее несоизмеримый ущерб целым городам. Наводнения являются одними из самых разрушительных стихийных бедствий в мире, широко распространенных, что приводит к значительному экономическому и социальному ущербу [2].

По данным Министерства природных ресурсов, наводнения по площади охватываемых территорий и наносимому материальному ущербу превосходят все остальные стихийные бедствия. Затоплению подвержена территория страны общей площадью 400 тыс. км² [7].

Методы наблюдений за наводнениями делятся на: наземные и дистанционные. К наземным относятся наблюдения гидрологических станций и обследования затопляемых территорий. К дистанционным относится аэрофотосъемка, визуальные наблюдения с бортов авиации, дистанционное зондирование [2].

В России данные дистанционного зондирования Земли применяют в целях мониторинга паводков и наводнений. ГИС может использоваться для визуализации масштабов наводнений, а также для анализа риска бедствий [6]. Дистанционное зондирование внесло существенный вклад в мониторинг наводнений и оценку ущерба.

Отличительной особенностью ГИС является то, что по сравнению с другими методиками, вся информация представлена в виде карт в электронном виде, содержащую информацию об объектах с координатной привязкой. Целесообразно использование ГИС при прогнозировании распространения наводнения [8].

Основные недостатки ДЗ связаны с недостаточной частой повторения съемки спутниками конкретных затопляемых территорий и наличием облачности. Поэтому при наблюдениях половодий целесообразно использовать информацию с различных отечественных и зарубежных космических систем. Применение радиолокационных съемок (Radarsat) позволяют получать данные независимо от условий освещения, используемые диапазоны длин волн обусловливают независимость съёмки от облачности и большую проникающую способность [1].

Преимущества дистанционного зондирования [5]:

Изображения, полученные с использованием спутников дистанционного зондирования, с возможностью регулярного отслеживания состояния земной поверхности.

Охват крупных территорий.

Сбор данных в различных масштабах и разрешениях, высокая оперативность получения информации.

При проведении мониторинга паводков, опираясь на космическую съемку целесообразно оперативное обнаружение разливов рек и наблюдение за обстановкой на затопленных и подтопленных территориях. Здесь существует временное ограничение на используемые данные для высокой оперативности. Данные, получаемые на одну и ту же территорию с периодичностью 2-4 часа наиболее подходят для незамедлительного обнаружения разлива. Так же играет роль пространственное разрешение, разные спектральные диапазоны, а также обзорность, т.е. полоса обзора исследуемой территорий должна быть не менее 1000 км [6].

Для эффективного мониторинга паводков в России разработано программно-методическое обеспечение, позволяющее оперативно выявлять зоны наводнений и паводков. Определяются характеристики паводков и наводнений, сюда относятся их географическое местоположение; наименование рек, подвергнувшихся разливу; попавшие в зону разлива населенные пункты, электростанции, дороги. Эти данные, а также растровое изображение водной поверхности, наложенное на топографическую карту масштаба М1:200 000 передаются в органы управления [4].

Глава 2. Практическая работа

2.1. Подбор космических снимков

Первоначальным этапом работы являлся подбор космических снимков на сайте: http://earthexplorer.usgs.gov/. А сами снимки были взяты с ресурса: https://glovis.usgs.gov/app. Этот сервис позволяет скачивать снимки абсолютно бесплатно. Через этот ресурс нам доступны данные со спутников серии Landsat с камерами MSS, TM и ETM+.

На самом сайте выбираем интересующую нас территорию, далее в разделе ChooseYourDataSet(s) выбираем спутник Landsat 8 OLI/TIRS C1 Level-1, этот спутник функционирует с 2013 года, если нужны снимки за более ранний период, то можно посмотреть старые снимки, выбрав Landsat 7 ETM+ C1 Level-1 или же Landsat 4-5 TM C1 Level-1. Далее выбираем раздел MetadataFilter, здесь ставим интересующие нас даты. Затем выбираем уровень облачности, в разделе Cloud Cover, для работы выбирали – Less 10%. Далее нажимаем Results, сайт нам предлагает множество снимков. Нам остается только выбрать снимок, который лучше всего отражает нужную нам территорию.

Снимки скачиваются архивом, формат пакета GeoTIFF. В работе использовался снимок за 18 октября 2018 года.

2.2. Подготовка космических снимков к дешифрированию

Для дальнейшей обработки космических снимков была выбрана программа QGIS, это бесплатная кроссплатформенная геоинформационная система, находящаяся в свободном доступе.

2.3. Дешифрирование

Топографическое дешифрирование проводилось на синтезе 2018 года в программе QGIS.

Всего было создано 8 слоев. Тип геометрии – линия: железные дороги, трассы, дороги, мосты, реки и притоки. Тип геометрии – полигон: река Волга, лесные массивы, город Калязин, населенные пункты и прилегающие к ним территории.

Рис. 1. Схема топографического дешифрирования Калязинского района

Глава 3. Результаты работы

В ходе работы был проведен сравнительный анализ территории Калязинского района, расположенного в Тверской области за период 1880-2018 гг. в ходе которого выявились изменения Калязинского района.

В 1930-х годах в связи со строительством плотины в Угличе и созданием Угличского водохранилища Калязину было суждено большей частью территории, расположенной на берегах Волги, уйти под воду. Стали проводиться подготовительные работы — вырубили многовековые деревья, взорвали старинные церкви — уничтожалось всё, что могло помешать дальнейшему судоходству.В 1939—1940 годах часть территории старого города, включая все основные памятники истории и архитектуры, была затоплена. Поднявшиеся воды затопили сосновые леса и множество деревень. Волга до затопления не считалась Великой рекой и даже не была судоходной.

Как видно на снимке (Рис.2) на территории Калязинского района произошли значительные изменения. Далее более детально рассмотрим космический снимок за 2018 год.

Рис. 2. Первоначальный снимок для дешифрирования

На снимке изображен Калязинский район. Отчетливо видно город Калязин, находящийся в центре снимка. Населенные пункты отображены голубоватым цветом, а прилегающие к ним территории желтоватым оттенком.

Через Калязин протекает река Волга, она отчетливо отображена на снимке, темно синим цветом. На снимке видно, как в Волгу впадает река Жабня и река Кашинка. На территории присутствую несколько мелких притоков и ручьев, которые невозможно отдешифрировать, из-за качества снимка. Но при более детальном рассмотрении снимка и при знании местности, можно с легкостью их выделить.

Так же на снимке можно выделить дороги и трассу, проходящую в непосредственной близости к городу Калязин. На снимке они выделены сероватыми линиями с голубыми вкраплениями.

Если сравнивать карту 1880 года и снимок 2018 года, мы видим, что река Волга стала более полноводной из-за затопления Угличским водохранилищем. Перед войной было принято решение о расширении Волги и строительстве Углического водохранилища. Для этого расширения было затоплено большая часть города Калязина. Город перед затоплением взорвали. После затопления большая часть города и деревень ушли под воду. Был затоплен ансамбль Николаевского собора. В настоящее время известным напоминаем произошедшего служит стоящая посреди волжских вод – колокольня, оставшаяся от Николаевского собора. Изменения можно увидеть на рисунке 3.

Рис.3. Сопоставление карт 1880 и 2018 годов города Калязина

В следствии затопления возросло транспортное значение Волги в Калязине. Постепенно город стал развиваться. Появились новые дороги, трасса, построили железнодорожные пути. Городские территории увеличились, появились новые предприятия, стала развиваться промышленность. На территории района появились новые деревни. В 1979 году автодорожный мост пересекающий Волгу, длинной 330 метров.

При сравнении карты 1880 года и космического снимка 2018 года была составлена карта динамики (рис.4). Сравнение проводилось по следующим показателям: изменение площади лесов, изменение водных объектов, появление новых дорог, населенных пунктов.

Заключение

В ходе данной работы был изучен опыт применения данных дистанционного зондирования геоинформационных систем наводнений в России.

Для написания работы использовалась программа QGIS, а также ресурс: http://earthexplorer.usgs.gov/. Для скачивания снимков использовался ресурс: https://glovis.usgs.gov/app.

В процессе написания данной курсовой работы, был отдешифрированКалязинский район, Тверской области. Были выделены:

город Калязин

населенные пункты и прилегающие к ним территории

река Волга

дороги

лесные массивы

трасса

реки и притоки

Были построены карты динамики, изучаемой территории и сделаны выводы об изменениях Калязинского района. При сравнении карты 1880 года и космического снимка 2018 года была составлена карта динамики. Сравнение проводилось по следующим показателям: изменение площади лесов, изменение водных объектов, появление новых дорог, населенных пунктов. В целом можно отметить рост территории города Калязина, увеличение полноводности реки Волги из-за затопления Угличским водохранилищем.

Использованная литература

Аэрокосмический мониторинг. Разработка средств и методов аэрокосмического мониторинга и геоинформационной системы Волжского бассейна: отчет о НИР / Нижегор. гос. архитектурно-строительный университет ; руководитель темы В. В. Найденко. - Н. Новгород, 1999. - 400 с. - № ГР.01.9.50.001757. 344

Исаев Д.Ю., Никольский Е.К., Тарарин А.М. Прогнозирование зон затопления методом дистанционного зондирования Земли // Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций. V науч.-практ. конф. Сб. матер. – М.: Центр "Антистихия", 2005.

Кочетков В.В., Беликов В.В., Борисова Н.М., Ковалев С.В. Применение ГИС-технологий испециализированных баз данных при численном моделировании экстремальных затопленийпоймы Нижнего Дона // Международная конференция «Управление водно-ресурсными системами в экстремальных условиях»: 4–5 июня 2008 г.: Сб. докладов. М., 2008. С. 121–126

Лукьянчикова О.Г., Васильчиков Ф.Ю., Ульянкина Л.К. Геоинформационная система гидрологического назначения // ArcReview, 2006. - № 1.

Опыт внедрения спутниковой информации в моделях прогноза стока весеннего половодья и притока в водохранилища: матер. совещания. Среднесибирское УГМС. Красноярск. 2004.

Постнова И. С., ЯковченкоС. Г., ДмитриевВ. О. Технология оценки с помощью гис зон затопления весенними паводками малой обеспеченности. Институт водных и экологических проблем СО РАН, Россия

Сайт министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации. URL.: http://www.mnr.gov.ru/ Режим доступа свободный. Дата доступа 02.11.2018 г.

ЯковченкоС.Г., ЖоровВ.А., Васильев А.А. Гис для подготовки пространственных данных и оценки зоны затопления волной прорыва плотины.

Код для цитирования: Скопировать