Применение аэро- и космических методов в гидрологических исследованиях

Космическая спектрометрическая индикация (длина волны 0,3—3,0 мкм) основана на регистрации спектров отражения  солнечного света и собственного излучения земной поверхности и атмосферы. В результате получаются так называемые спектральные образы земной поверхности. В настоящее время этот в общем весьма перспективный метод не получил достаточного применения в гидрологических исследованиях.

Космическая инфракрасная съемка. Инфракрасные изображения, полученные при отсутствии облачности, дают возможность изучать поле температуры подстилающей поверхности. При гидрологических исследованиях этот вид съемки может быть использован для определения температуры поверхности воды различных водных объектов, для ледовой разведки изучения течений в крупных озерах и водохранилищах, определения границ водных масс разного теплового режима.

Космическая микроволновая индикация (длина волны 0,3— 10 см). Перспективность  ее очевидна по той причине, что получение информации при ее применении возможно в любое время суток и почти независимо от погодных условий. В гидрологии и океанологии этот вид индикации может быть использован, например, для оценки ледовитости, поскольку отражение в данной области спектра у воды больше, чем у льда.

Космическая радарная индикация (длина волны 10—70 см) — активная радиолокация — используются различные диапазоны длин волн для обнаружения объектов земной поверхности. Опыт применения этого метода для гидрологических исследований пока еще недостаточен.

В настоящее время в гидрологических исследованиях основное и главное применение находят материалы фотографической и телевизионной съемок. Накоплен большой опыт дешифрирования фото- и телевизионных снимков. Проведенное дешифрирование свидетельствует, что на снимках фиксируется практически вся речная сеть и озера. Хорошая обзорность позволяет изучать строение речной сети в целом и определять ее взаимосвязь с другими элементами ландшафта.

Для повышения возможностей дешифрирования космических снимков созданы  специальные научные полигоны в различных географических районах. На них ведутся систематические подспутниковые исследования. Во время пролета спутника над полигоном, производят аэрофотосъемку и наземные наблюдения. Таким образом, при одинаковых условиях освещения и времени года получают характеристики различных участков и объектов территории. Совместный анализ полученных данных позволяет определить дешифровочные признаки космических снимков. По подробности рисунка гидрографической сети космический снимок сопоставим с топографической картой масштаба 1 : 300 000.

Установлено, что космические снимки могут быть использованы для решения  ряда гидрологических задач:

1. определения границ водосборных бассейнов рек и озер, в том числе и пересыхающих;
2. выявления характера течения реки: постоянные реки четко просматриваются на снимке в любое время года; русла пересыхающих рек можно проследить только в период, когда имеется сток;
3. изучения русловой деятельности рек. На снимках четко выделяются пойменные участки рек, а иногда и характер пойменной растительности. Русла больших рек просматриваются в подробностях, вплоть до мельчайших меандр; в таких случаях возможно изучение по снимку строения русла (протоки, плесы, перекаты, острова и другие образования) и поймы (наличие стариц, озер, растительности и пр.);
4. выделения по рисунку рек участков с различным характером извилистости, уточнение бесприточных участков, истоков рек в болотах, озерах; 
5. изучения озерности территории, установление характера распространения озер (приуроченность к поймам рек, водоразделам и пр.); классификация озер по размерам и конфигурации;
6. изучения водного режима озера. Выделение озер с постоянным зеркалом воды и пересыхающих (с указанием периода отсутствия воды);
7. определения степени зарастания озер и водохранилищ и их приблизительных глубин;
8. оценки ледовой обстановки озер и водохранилищ;
9. определения площадей затопления пойм при разливе рек и территорий при высоких наводнениях;
10. определения снегозапасов в бассейнах рек;
11. определение температуры воды в водоемах, а также температуры других элементов местности с помощью радиационного термометра или методом сканирования (см. выше).

Следует отметить, что космические  методы изучения природной среды  находятся в стадии бурного развития. Уже намечаются перспективы дальнейшего расширения возможностей использования космической информация в гидрологии.

Рассмотрим некоторые примеры. В результате гидрологического изучения космических снимков с орбитальной станции «Салют-5» было уточнено очертание береговой линии оз. Зайсан, изменившейся после наполнения Бухтарминского водохранилища; выявлены не отраженные на картах озёра в районе Казахского

мелкосопочника, засняты водохранилища  Чарвакское и Токтогульское в  районе Западного Тянь-Шаня. Уточнены границы Аральского моря по сравнению с картами 1970 г.; составлен прогноз по динамике его усыхания.

Составлены гидрографические схемы  на районы Средней Азии, высокогорные районы Тянь-Шаня и Памира. При этом установлено исчезновение некоторых  соленых озер, например оз. Кокшеколь, ныне полностью покрытого солончаками. Выявлены притоки рек, ранее не нанесенные на карты.

Опыт гидрологического дешифрирования космических фотоснимков показал большие возможности его использования для исследования вод суши, даже при однократном производстве съемки. При съемках в различные сезоны года, а тем более в течение ряда лет эффективность значительно возрастает.

Как уже указывалось, многозональная фотосъемка значительно повышает информативность  снимков. Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее. Для производства многозональной фотосъемки применяется специальный многозональный космический фотоаппарат МКФ-6, изготовленный предприятием «Карл Цейсс Иена» (ГДР) по разработкам Института космических исследований АН СССР. Камера имеет шесть объективов и рассчитана на синхронное выполнение шести снимков в различных узких зонах спектра - четырех в видимой части при длинах волн от 0,48 до 0,66 мкм и двух в ближней инфракрасной при длинах волн от 0,72 до 0,84 мкм.

Рис. 14. Схема съемки камерой МКФ-6

Фокусное расстояние объективов 125 мм, размер кадра 55Х81 мм. Камера оборудована устройством для компенсации сдвига изображения, который может возникать при большой скорости полета космического корабля. При высоте полета 260 км каждый снимок охватывает участок местности размером 110Х160 км (рис. 14). Фотосъемка ведется в автоматическом режиме с продольным перекрытием кадров от 20 до 80%, но предусмотрена и съемка одиночными кадрами. Все управление МКФ-6 осуществляется с пульта.

Рис. 15. Изображение выноса наносов Селенги на зональных снимках с космического корабля «Союз-22».

а — ближняя инфракрасная зона, λ — 0,81 мкм; б — оранжевая зона, λ — 0,60 мкм; в — зеленая зона. λ — 0,53 мкм.

Полученные после съемки негативы закладывают в специальный многоспектральный проектор МСП-4. В проектор помещают четыре зональных черно-белых негатива и, подбирая соответствующие светофильтры, получают увеличенные в пять раз синтезированные цветные снимки. Светофильтры подбирают с учетом наилучшего выявления на синтезированных снимках при их дешифрировании тех или иных интересующих исследователя объектов на местности: рек, озер, растительности и пр.

Разрешающая способность зональных  снимков различна: снимки в видимом  диапазоне обладают лучшим разрешением (20 м), чем снимки в ближнем инфракрасном диапазоне (80— 100 м).

В качестве примера рассмотрим кратко результаты дешифрирования синтезированных  зональных снимков оз. Байкал у  устья р. Селенги (рис. 15). Снимки были сделаны камерой МКФ-6 с космического корабля «Союз-22». Дешифрирование выполнена лабораторией аэрокосмических методов географического факультета МГУ [10]. Проанализировано распространение мутности, вносимой Селенгой в оз. Байкал, при этом был использован: эффект различного проникновения в толщу воды лучей различных диапазонов длин волн. Лучи ближней инфракрасной зоны (λ = 0,81 мкм) практически не проникают в глубь толщи воды и на снимке, сделанном в этой зоне, поверхность воды изображена очень темным тоном, благодаря чему хорошо выявляется береговая линия озера и протоки в дельте, а облако мутности совсем не видно. Волны длиной 0,60 мкм проникают глубже в толщу воды и на снимке видно облако мутности, недалеко проникшее в воду Байкала. Снимок в зеленой зоне (λ =0,53мкм) дает картину распространения этого облака в слое воды на глубине нескольких метров; на этой глубине облако проникло еще дальше. Следует отметить, что лучи зеленой и голубой зоны видимого спектра (коротковолновые) проникают до глубины 20 м и более. Таким путем удалось установить особенности распространения наносов р. Селенги в водах Байкала — относительно быстрое их погружение вблизи источника поступления, что приводит к их перемещению в придонных слоях.

На основе дешифрирования и анализа  отдельных снимков (зональных или цветных синтезированных) составляется карта распространения взвеси. Содержание карты может быть дополнена материалами полевых исследований, например пробами, взятыми в разных точках облака мутности одновременно со съемкой.

Зональные и цветные синтезированные  фотоснимки дешифрируют визуальным и измерительным (фотометрическим) методами. Метод машинного их дешифрирования с помощью ЭВМ разрабатывается и в отдельных случаях уже применяется. В этом отношении преимущество имеет многозональная телевизионная сканерная космическая съемка: метод дешифрирования и интерпретации ее может быть количественным (цифровым) с применением ЭВМ, что значительно ускоряет обработку. Это имеет большое значение в связи со все возрастающим потоком космической информации.

Рассмотрим еще один пример —  дешифрирование участка поймы р. Вилюй, выполненное на основе зональных фотоснимков с космического корабля «Союз-22». Снимки сделаны в узких зонах спектра. Снимок в красной зоне (λ=0,66 мкм) с большой подробностью передает рельеф поймы (рис. 16). На нем хорошо выделяются бровки поймы, прирусловые отмели, гривы, старичные понижения, прослеживаются границы поймы и террас, а также пойменные ступени разного возраста и высоты. Снимки позволяют сделать анализ условий паводкового течения, т. е. по косвенным признакам дать оценку гидрологического режима поймы, наметить места возможного образования водоворотных зон, распластывания паводковой волны, установить этапы затопления поймы.

Рис. 16. Фрагмент зонального космического снимка участка р. Вилюй λ=0,66 мкм.

На рис. 17 показана карта рассматриваемого участка поймы р. Вилюй, составленная по результатам дешифрирования [13]; выделены различные типы пойм и прирусловые отмели.

Рис. 17. Типы поймы, выделенные по космическому снимку.

1 — участки формирующейся  в настоящее время поймы (зарастающие  пески прирусловых отмелей); 2, 3, 4 — поймы разного уровня и возраста (от более старых к более молодым); 5—наиболее высокая древняя пойма; 6—прирусловые отмели.

Изучение результатов дешифрирования позволило составить русловую геоморфологическую карту р. Вилюй в нижнем течении, которая послужила для основания генеральной схемы улучшения условий судоходства на этой реке, являющейся важной транспортной магистралью Якутии [11].

Список использованной литературы

1. Водно-технические изыскания [Учебник для ВУЗов] А.В. Васильев, С В Шмидт. -Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 358 с.
2. Применение радиолокационной аэрофотосъемки при геолого-географических исследованиях.— Л.: Недра, 1981.— 238 с.
3. Финкельштейн М.И., Лазарев Э.И., Чижов А.Н. Радиолокационные аэроледомерные съемки рек, озер, водохранилищ.— Л.: Гидрометеоиздат, 1984.— 118 с.
4. Кудрицкий Д.М. и др. Основы гидрографического дешифрирования аэрофотоснимков.—Л.: Гидрометеоиздат, 1956.—344 с.
5. Методическое пособие по дешифрированию аэрофотоснимков при изучении лавин.— Л.: Гидрометеоиздат, 1980.—48 с.
6. Попов И.В. Деформация речных русел и гидротехническое строительство.— Л.: Гидрометеоиздат, 1969.— 364 с.
7. Смирнова А.В. Предварительные результаты аэрофотосъемки волнения Ладожского озера.— Сб. работ ЛГМО, вып. 5, 1968.—С. 3—54. ,
8. Чижов А.Н., Бородулин В.В. Распределение толщины ледяного покрова на реках Лена, Витим, Олекма по данным радиолокационной аэро- ледомерной съемки.—Труды ГГИ, 1980, вып. 276, с. 112—124.
9. Методические рекомендации по измерению расходов воды рек аэрометодами.— Л.: Гидрометеоиздат, 1974.— 134 с.
10. Космическая съемка и тематическое картографирование.— М.: Изд. МГУ, 1980.—272 с.
11. Дешифрирование многозональных аэрокосмических снимков. Методика и результаты (атлас). Изд. АН СССР Москва; Академия Ферлаг Берлин, 1982.
12. Космос — Земле/Под ред. Нариманова Г. С.— М.: Наука, 1981.— 152 с.
13. Космическая съемка и тематическое картографирование.— М.: Изд. МГУ, 1979.— 232 с.