Использование ГИС-технологий в снеголавинных исследованиях

Использование ГИС-технологий в снеголавинных исследованиях

Лавиноведение располагает солидным арсеналом методов оценки распространения явления, изучения динамики его развития, прогноза опасности. Благодаря созданию широкой сети наземных наблюдений, применению дистанционных методов исследований накоплен обширный информационный материал о местах схода лавин, их повторяемости и других параметрах, факторах возникновения и катастрофических последствиях (2). В некоторых странах (Австрия, Швейцария, СССР, Канада) созданы кадастры лавин (3). Базы данных о лавинах оформлены и в электронном виде (9). В Швейцарском институте снежных и лавинных исследований хранится информация о более чем 8000 случаях сходов только катастрофических лавин. Режимно-справочный банк данных на магнитных носителях создан в Среднеазиатском научно-исследовательском гидрометеорологическом институте, в который стекалась снеголавинная информация со всей территории Советского Союза. Разработаны и реализованы в виде карт методики картографирования лавинной опасности в различных масштабах. Венцом картографического направления лавинных исследований стали карты, созданные для Атласа снежно-ледовых ресурсов мира (1).

Информационный бум и массовая компьютеризация, охватившие планету на пороге 3 тысячелетия, способствовали разработке и продвижению новых технологий, направленных на упорядочивание и качественную обработку огромных массивов данных. На смену традиционным бумажным носителям, информации, составление и обработка которых достаточно трудоемки, пришли цифровые карты и компьютерные базы данных. Объединение двух способов хранения информации дало импульс развитию принципиально новой технологии геоинформационных систем (ГИС).

Наличие прочных связей между различными организациями, осуществляющими снеголавинные наблюдения на территории СССР, позволило уже в конце 80-х годов поставить задачу создания национальной ГИС "Гляциология", были сформулированы основные задачи, решаемые при создании ГИС, намечена ее структура (4). К сожалению, развал СССР не позволил реализовать данный проект в полной мере. В это же время появляются первые разработки с применением ГИС-технологий в других странах. К их числу относятся работы Р.Топпе (22) о картографировании природных опасностей и К.Лида и Р.Топпе (17) о расчете максимальной дальности выброса снежных лавин с использованием цифровой модели местности. 

В общем виде роль ГИС-технологий в лавинных исследованиях сводится к синтезу знаний о рельефе, климате и предшествующих событиях, с целью определения возможности схода снежных лавин. Для этого в среде ГИС оцифровываются уже готовые карты или создаются новые проекты. Анализ работ, посвященных использованию ГИС в лавинных исследованиях, показал, что ГИС-технологии в настоящее время применяются для решения следующих задач:

Выявление зон зарождения лавин

Исходный масштаб цифровой модели рельефа, используемой при создании проекта, определяется специалистами в соответствии со спецификой решаемых задач. Матрица абсолютных высот рельефа имеет  шаг на местности от 25 м (16) при крупномасштабной основе до 200 и более метров (5). Выделение лавиноопасных территорий производится путем анализа соответствия условий территории определенным критериям. В первую очередь оценивается рельеф местности. 

На генерируемой карте углов наклона горных склонов выделяются участки с наиболее благоприятными условиями для возникновения лавин. Диапазон значений крутизны потенциальных зон лавинообразования определяется по статистическим данным. К примеру в Каталонских Пиренеях наибольшее количество лавин образуется на склонах 28-50о (10), в долине Engadine (Швейцария) (21) 30-50о , Кабардино-Балкарии 25-45о (5).

Для выделения лавиноопасных территорий, а также для дальнейших расчетов требуется определить возможность существования в пределах исследуемой территории второго важнейшего фактора образования лавин – снежного покрова. Для этой цели привлекаются данные стандартных метеорологических и специализированных полевых наблюдений, космо- и аэрофотоснимки.

ГИС-технологии используются для моделирования процессов и явлений, определяющих условия схода снежных лавин. С целью изучения пространственного распределения снежного покрова – выявления зон аккумуляция и сноса снега, его динамики, характеристик снеготаяния генерируются карты экспозиции склонов.

Толщина снежного покрова рассчитывается с разной степенью тщательности: от упрощенного подхода – на склонах данной экспозиции по многолетним данным накопления снега больше чем на других склонах (15) – до сложного расчета с использованием статистических зависимостей и моделирования снегопереноса (18, 19, 20 – соответственно в Швейцарских Альпах, на Тянь-Шане и в горах Шотландии). 

В ГИС Кабардино-Балкарии (5) граница снежного покрова проводится по данным многолетних наблюдений на метеостанциях и в лавинных очагах.

Расчетную схему для отдельного лавинного очага (исходный масштаб 1:10 000) составляет зависимость толщины снежного покрова на участке склона от высоты, крутизны и ориентации участка с использованием эмпирических коэффициентов (19). 

M.Mases с коллегами (18) моделируют распределение снега на лавиноопасном склоне с использованием эмпирического «ветрового коэффициента», представляющего собой отношение аккумулированного на участке на протяжении метели снега к снесенному. «Ветровые коэффициенты» рассчитанные для 20 типичных снежнометеорологических ситуаций (сочетание скорости ветра, количества и формы выпадающих осадков) изменяются в зависимости от господствующего направления ветра и могут быть получены для каждой метели.

R.S.Purves и его коллеги (20) с использованием цифровой модели рельефа определяют места сноса и аккумуляции снега в зависимости от направления и экспозиции склонов, характера поверхности снега. Участки склонов представляются в виде ячеек, перемещение материала (снега) происходит от ячейки к ячейке.

По статистическим зависимостям с использованием ГИС-технологий осуществляется расчет толщины снега и плотности на удаленных участках в Ледниковом национальном парке в Монтане (8).

Следующим этапом выявления лавиноопасных территорий является

Определение зон поражения

Создатели ГИС Кабардино-Балкарии, ограничившись определением благоприятных для лавинообразования склонов гор, автоматически исключили из разряда лавиноопасных лежащие ниже выположенные поверхности днищ долин. Методика выявления лавиноопасных территорий, успешно реализуемая в мелком масштабе (6), использованная в данной работе (5) для среднего масштаба оказалась неприменимой. 

При определении максимальной дальности выброса лавин для генерируемых средствами ГИС продольных профилей очагов используются известные модели движения лавин (14), проводится типизация профилей по форме и расчет с применением регрессионного анализа (11). 

Границы зон поражения уточняются при полевых исследованиях, по результатам аэрофотосъемок, фотоснимкам горных склонов, опросам местных жителей (10).

Значительным подспорьем при выделении лавиноопасных территорий могло бы стать наличие в ГИС слоя ландшафтов (растительности). В настоящее время ландшафтный метод используется упрощенно - залесенные участки исключаются из числа потенциальных зон зарождения лавин (21), что методически не всегда и не везде оправдано.

Конечным продуктом операции выделения лавиноопасных территорий являются карты регионов с границами лавиноопасных площадей, зон поражения лавинами с различной степенью вероятности (10).

Создание кадастров лавинных очагов, баз данных о лавинах

Создание всех проектов лавинных ГИС предусматривает наличие статистических данных. Современные программные средства (системы управления базами данных) идеально подходят для хранения и обработки информации. Функция запросов к базе данных позволяет осуществлять выборки любой необходимой информации и представлять ее в необходимом виде (9). Аккумулированные в кадастре данные используются для получения справок о режимной информации, создания методик прогноза схода лавин (21). С применением ГИС – технологий, обеспечивается визуализация данных о прошедших событиях.

Прогноз лавинной опасности

Достаточно широко ГИС – технологии применяются при создании прогнозов схода снежных лавин по методу подобия образов. Швейцарские исследователи (21) составили базу данных о сходе лавин – их размерах и метеорологических условиях, сопровождающих обрушения, определили и наложили на генерированную карту лавиноопасных территорий частоту и дальность выброса лавин. Прогноз производится при сравнении текущих метеоусловий с критическими, определяемыми по базе данных. При этом прогнозируется время обрушения и размер лавин.

Канадский исследователь (23) также использует банк метеорологических данных, связанных с обрушением лавин. Метеоданные коррелируются со структурой поверхностного слоя снега. Изучение структуры производится на репрезентативных участках – полученные результаты апроксимируются на все сходные ландшафты (в данной модели выделение ландшафтов осуществляется с помощью космических снимков).

Для составления прогноза лавинной опасности сотрудники Цеха противолавинной защиты ОАО «Апатит» (7) с использованием цифровой модели распространения снежного покрова получают распределение напряжений в снежной толще на склоне. 

Оригинальная методика прогноза схода снежных лавин с применением ГИС – технологий предложена для создания Национального снеголавинного бюллетеня Швейцарии (16). Топографической основой служит цифровая модель рельефа масштаба 1:25 000. Методика предусматривает поступление оперативной снежнометеорологической информации. Всем факторам лавинообразования (геоморфологическим, рассчитываемым по цифровой модели, и метеорологическим, полученным по результатам наблюдений) присваивается в зависимости от значения свой весовой коэффициент. В зависимости от направления влагонесущего потока меняется весовой коэффициент ориентации склона. По значению произведения весовых коэффициентов определяется степень лавинной опасности в соответствии с европейской шкалой лавинной опасности– каждой ступени соответствуют определенные экспертами пороговые значения произведения. Конечным продуктом являются генерируемые средствами ГИС карты толщины снежного покрова, прироста снега (за последние сутки), суммы свежевыпавшего снега за последние 3 дня, и, наконец, карты прогноза лавинной опасности на отдельные горные массивы и на всю территорию страны. Уточнение прогноза осуществляется специалистами-лавинщиками.

В ближайшей перспективе создание методик прогноза мокрых лавин. Цифровая модель рельефа и генерированные слои углов наклона и экспозиции склонов используются для расчета характеристик снеготаяния. Полученные по цифровой модели параметры склонов применяются для расчетов, к примеру, поступления солнечной радиации (12). 

Наиболее популярным программным продуктом, используемым в лавиноведении является пакет ArcInfo, оснащенный мощными модулями расширения (10, 11, 12, 14, 20, 21). Ряд задач решается с применением более простых и дешевых программ, к примеру MapInfo (13) и Idrisi (15, 19). Элементы ГИС-технологий, работа с цифровой моделью рельефа используются в специализированном программном обеспечении ELSA, созданном французскими лавинщиками для моделирования и анализа лавинных очагов (18). 

Снежные лавины могут быть непосредственным объектом исследования проекта ГИС. Базовой основой таких проектов служат, как правило, крупномасштабные карты. Они охватывают небольшие по площади территории: лавиноопасный склон (19), долину (21), отдельный горный хребет (10). 

Отдельным слоем (блоком) лавины входят в состав комплексных ГИС, описывающих природные условия регионов и созданных для изучения самих явлений, их взаимосвязей и их влияния на процессы и явления (8). Для создания картографической основы используются карты и снимки среднего масштаба.

Цели создания ГИС – проектов, включающих лавинную тематику, сводятся к определению состояния исследуемой территории на предмет возникновения лавинной опасности. Это:

- обеспечение планирующих, проектных, контролирующих организаций сведениями о распространении природных опасностей, создание земельного кадастра, выбор оптимальных мест под строительство линейных и площадных объектов (Россия, США, Швейцария, Австрия и др.);

- экологический контроль региона – влияние лавин на динамику ландшафтов, характер и границы растительных сообществ (8);

- выбор безопасных путей передвижения туристских групп (15);

- изучение взаимосвязей опасных природных и антропогенных явлений (Россия, США).

Перспективным направлением для применения ГИС-технологий представляется долгосрочный прогноз лавинной активности в связи с глобальным изменением климата, разрабатываемый в НИЛ снежных лавин и селей МГУ (13). Решение данной задачи осуществляется в мелком масштабе. Также мелкомасштабными являются рабочие проекты «Лавины России» и «Опасные гляциально-нивальные процессы». В основу последнего положена база данных о катастрофических лавинах во всем мире.

Список литературы

1. Атлас снежно-ледовых ресурсов мира. М.,1997.

2. География лавин. М.: Изд-во МГУ, 1992, , 334 c.

3. Кадастр лавин СССР. 1984-1991. Л., Т.1-20, ГИМИЗ.

4. Кравцова В.И., Канаев Л.А. ГИС «Гляциология»: подсистема «Лавины». – МГИ, 1990, в.70, с.150-152.

5. Купцова А.В., Перекрест В.В.. Создана и работает ГИС Кабардино-Балкарской республики. Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации. М., 1996, № 3(5), с.24-25.

6. Трошкина Е.С. Лавинный режим горных территорий СССР. М.: Изд-во ВИНИТИ, 1992,  196 с.

7. Chernouss, P.A. and Yu.V.Fedorenko. Avalanche forecasting and hazard estimating in Khibini Mountaines. International Сonference “Avalanches and related subjects”. Proceedings. “APATIT” JSC, Kirovsk, Russia, 1996, p. 154-160.

8. Fagre, D. Global change research program. Glacier national park. URL: http://www.mesc.usgs.gov /glacier/global.htm.

9. Fuchs, H. and H.Zehetbauer. Benchmark - digitaler Wildbach- und Lawinenkataster Benchmark - digitaler Wildbach- und Lawinenkataster. URL: http://bzgserver.boku.ac.at/forschung.htm

10. Furdada, G. 1996. Estudi de les allaus al Pirineu Occidental de Catalunya: prediccio espacial i aplicacions de la cartografia. Logrona, Geoforma ediciones. 316 p.

11. Furdada, G. and J.M.Vilaplana. 1998. Statistical prediction of maximum avalanche run-out distances from topographic data in the western Catalan Pyrenees (northeast Spain). Annals of Glaciology, 26, 285-288.

12. Gardiner, M.J., Ellis-Evans, J.C., Anderson, M.G. and M.Tranter. 1998. Snowmelt modelling on Signy Island, South Orkney Islands. Annals of Glaciology, 26, 161-166.

13. Glazovskaya T.G. 1998. Global distribution of snow avalanches and changing activity in the Northern Hemisphere due to climate change. Annals of Glaciology, 26, 337-342.

14. Gruber, U., Bartelt, P. and H.Haefner. 1998. Avalanche hazard mapping using numerical Voellmy-fluid models. NGI, Oslo, pub. Nr.203, 117-121.

15. Joseph, A. British Columbia backcountry database: A recreational GIS project. URL: http://www.ubc.ca.

16. Leuthold, H., Allgower, B. and R.Meister. 1997. Visualization and analysis of the Swiss avalanche bulletin using GIS. Proceedings of the International Snow Science Workshop 1996, Banff, Canada. 35-40

17. Lied, K. and R.Toppe. 1989. Calculation of maximum snow-avalanche run-out distance by use of digital terrain models. Annals of Glaciology, 13, 164-169.

18. Mases, M., Buisson, L., Frey, W. and G.Marti. 1998. Empirical model for snowdrift distribution in avalanche-starting zones. Annals of Glaciology, 26, 237-241.

19. Pertziger, F. 1998. Using of GIS technology for avalanche hazard mapping, scale 1:10 000. NGI, Oslo, pub. Nr.203, 210-214.

20. Purves, R.S., Barton, J.S., Mackaness, W.A. and D.E.Sugden. 1998. The development of a rule-based spatial model of wind transport and deposition of snow. Annals of Glaciology, 26, 197-202.

21. Stoffel, A., Meister, R. аnd J.Schweizer. 1998. Spatial characteristics of avalanche activity in an Alpine valley. Annals of Glaciology, 26, 329-336.

22. Toppe, R. 1987. Terrain models: a tool for natural hazard mapping. Avalanche formation, Movement and Effects. Davos. IAHS, 162, 629-638.

23. Weetman, G. Avalanche hazard modelling using GIS. URL: http://www.geog.ubc.ca/courses/klink /g472/class96/gweetman/project.html.

24. Селиверстов Ю.Г., Глазовская Т.Г. (НИЛ снежных лавин и селей Географического факультета МГУ). Использование ГИС-технологий в снеголавинных исследованиях.