Применение геоинформационных технологий при исследовании географо-экологических систем Приангарья

УДК 528.7 А.Я. Гиенко

Красноярский Научный Центр СО РАН, Красноярск Г.А. Гиенко

Университет Аляски, Анкоридж, США

ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ГЕОГРАФО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИАНГАРЬЯ

В статье рассматриваются различные аспекты использования космических материалов для выполнения географо-экологических исследований регионального масштаба в Приангарье.

A.Ya. Gienko

Krasnoyarsk Scientific Center, RAS, Krasnoyarsk G.A. Gienko

University of Alaska Anchorage, USA

GEOINFORMATICS FOR GEO-ECOLOGICAL REGIONAL MONITORING IN PRIANGARIE

This paper discusses several aspects of geo-information and remote sensing technologies for regional-scale geo-ecological studies in Priangarie.

Приангарье благодаря большому природно-ресурсному и гидроэнергопромышленному потенциалам в последние десятилетия твердо удерживает ведущие позиции в экономике Восточной Сибири. Авария на Саяно-Шушенской ГЭС значительно повысила значение гидроэнергетики в Ангаро-Енисейском регионе, предопределила необходимость ускоренного завершения строительства Богучанского гидроузла и формирование новой промышленной зоны в Нижнем Приангарье. В природопользовании региона все более возрастает роль техногенной составляющей, поэтому необходимо учитывать возможные технологические, социальные и экологические риски, которые могут оказать отрицательное влияние на состояние среды и здоровье человека.

Многие экологические проблемы в Приангарье имеют региональный характер. Прежде всего, это состояние Ангары: индекс загрязнения воды в ней значительно превышает допустимую величину (Шпейзер и др., 2000), снижение этого показателя в обозримом будущем проблематично. В результате масштабных промышленных рубок лесные ресурсы левобережья Ангары истощены, русла и берега многих рек, по которым производился молевый сплав леса в конце прошлого века, все еще загрязнены гниющей древесиной. Большое ее количество разбросано на площадях вырубок, в местах временного складирования леса, вдоль лесовозных дорог, на берегах созданного каскада водохранилищ. Район лесозаготовок постепенно перемещается на междуречье Ангары и Подкаменной Тунгуски (рис. 1), и после ввода в эксплуатацию Богучанской ГЭС и крупных предприятий

лесопромышленного комплекса в

Нижнем Приангарье леса

правобережья будут интенсивно

осваиваться. В соответствии с

инвестиционным проектом

комплексного развития Нижнего

Приангарья проектируется

строительство ряда крупных

объектов: металлургических

заводов на базе Тагарского

железнорудного и Горевского

свинцово-цинкового

месторождений, ряда крупных

предприятий нефтехимического

комплекса и др. Таким образом,

потребуется более взвешенный п 1 ~

^ : „ Рис. 1. Районы лесозаготовок постепенно

учет экологической составляющей Л

-1 распространяются к северу от Ангары

природопользования, которая

может выступать в качестве

лимитирующего фактора

экономического развития этой обширной территории. В ближайшие годы следует ожидать усиления темпов регрессивной динамики экосистем региона за счет интенсификации природопользования и развития экономики Нижнего Приангарья. В связи с этим возрастает роль геоинформационных технологий, позволяющих отслеживать географо-экологическую ситуацию с целью

оперативного контроля за состоянием природной среды и принятия

необходимых природоохранных управленческих решений.

Геоинформационные технологии базируются на различных методах получения и обработки геопространственных данных. В географо -экологических исследованиях геопространственные данные используются в качестве информации об окружающей природной среде и степени ее нарушенности. Дистанционные изображения и карты уже давно применяются для получения разносторонней информации о местности, в том числе о преобразованиях природного ландшафта, связанных с антропогенным фактором (Дистанционные..., 1988; Берлянт, 1986). Данные, полученные на основе картографических и аэрокосмических методов исследования, характеризуются комплексностью, высокой достоверностью, они объективно отражают состояние местности на определенное время. При использовании разновременных материалов появляется возможность анализа динамики географической среды и, следовательно, прогнозирования её будущего состояния.

Идеология дистанционно-картографического метода предусматривает возможность сопряженного анализа двух принципиально разных моделей -снимка и карты. Снимок представляет собой интегральный срез ландшафта, а карта - дифференцированный, всегда неполный. Эти две модели, построенные

по разным схемам абстрагирования, в процессе сопряженного исследования могут дать выход на повторное использование информационных полей снимка и карты.

Одним из конечных продуктов технологического процесса обработки дистанционных данных является расшифрованный снимок. На снимке отображается генерализованная информация о местности в непривычной для восприятия проекции, близкой к ортогональной. Космические снимки, применяемые в региональных географических исследованиях, обычно среднего и мелкого масштаба, поэтому для дешифрирования природных объектов, явлений и процессов используются преимущественно косвенные признаки дешифрирования, оперирование которыми требует выполнения ряда логических операций, раскрывающих существующие в природе взаимосвязи и взаимообусловленности. Таким образом, при работе со снимками приходится оперировать материалом, характеристики которого обусловлены комплексом сцепленных между собой физических (природных) и технических условий съемки, а также учитывать особенности природы территории и данные о нарушенности среды. От полноты учета этих факторов во многом зависит результативность тематической расшифровки снимков.

Современные геотехнологии позволяют корректно сравнивать разновременные и разнотипные картографические и аэрокосмические материалы, что имеет большое значение для мониторинга окружающей среды. Региональные дистанционные исследования опираются на данные, полученные на эталонных участках контактным способом (прямое наблюдение, измерение, анализ проб и т.д.). От количества таких пунктов и их расположения, а также от степени использования имеющихся карт и космических снимков во многом зависит детальность проработки поставленных задач.

Технологическая схема системного анализа имеющейся информации о состоянии и динамике природных и социальных систем Приангарья и вновь получаемых данных по материалам разновременной дистанционной съемки включает следующие блоки сбора и обработки данных.

A. Фактический материал: опубликованные, ведомственные и

экспедиционные данные о регионе (литература, материалы

картографического значения, статистические данные, полевые отчеты, сведения об охране среды и экологических рисках, оригинальные материалы дистанционного зондирования).

B. Обработка материалов дистанционного зондирования по специально разработанной программе машинно-визуальной или (в перспективе) полностью автоматизированной интерпретации снимков, т.е. их тематическая расшифровка.

С Обобщение собранного материала на основе системного

(комплексного) подхода.

D. Оценка динамики природно-социальных систем по выбранным критериям.

E. Обоснование мер по рациональному природопользованию с учетом интересов населения и будущих поколений.

Технологии сбора геопространственных данных предлагают широкий выбор материалов для проведения мониторинга географо-экологических систем различного уровня. Выбор пространственного, временного, спектрального и радиометрического разрешения для решения конкретной задачи достаточно часто определяет эффективность использования этих материалов в том или ином проекте. Материалы, полученне съемочными системами среднего разрешения в видимом диапазное спектра, например Landsat, уже давно и успешно используются при проведении различных исследований. Получаемые с 1972года, снимки Landsat составляют основу многих проектов, связанных с мониторингом изменения окружающей среды. Современные системы среднего разрешения (Ali, Aster, и другие) предлагают улучшенные спектральные, пространственные и радиометрические характеристики, однако не решают основной проблемы мониторинга регионального уровня - достаточно продолжительный временной интервал получения снимков. Временной интервал получения снимков определяется несколькими факторами, в первую очередь временем прохождения спутником одного цикла на орбите и направлением оптической оси съемчной системы. Системы с вертикальной направленностью оптической оси (например, Landsat) получают изображения одной и той же части земной поверхности с интервалом 16-18 дней. Системы высокого разрешения (SPOT, Ikonos, QuickBird, GeoEye, и другие) с наклоном оптической оси частично позволяют решить эту проблему и сократить интервал получения изображений до 2-5 дней, однако высокое пространственное разрешение (0.41м-1.0м), не всегда необходимое для мониторинга регионального уровня и определяющее высокую стомость материалов, является существенным огранчивающим фактором монторинга, в котором площади покрытия могут составлять десятки тысяч квадратных километров.

Другим ограничивающим фактором оперативного регионального мониторинга с использованием пассивных оптических съемочных систем является облачность. Системы активного типа, работающие в микроволновой области спектра, способны формировать изображения земной поверхности, покрытой сплошным облачным покровом, однако такие радиолокационные изображения имеют совершенно другую природу. Оптические системы позволяют регистрировать электромагнитную энергию в узких зонах спектра и формировать многоспектальные изображения с большим количеством спектральных каналов (вплоть до нескольких сотен в гиперспектральных сканерах), что позволяет выполнять автоматическую классификацию изображений на основе анализа спектральных кривых. Радиолокационные системы, как правило, ограничены одной-двумя длинами волн и поэтому классификация на основе спектральных кривых невозможна (использование компонент изображения с вертикальной и горизонтальной поляризацией не является полноценной заменой многоспектральных откликов и не решает

проблему принципиально). С другой стороны, визуальная интерпретация радиолокационных изображений требует совершенно других навыков, нежели интерпретация оптических изображений.

Как уже отмечалось выше, в региональных системах мониторинга целесообразно использовать оптические системы среднего пространственного разрешения. С другой стороны, кроме способности получать радиолокационные изображения при любых погодных условиях и даже ночью, современные радары имеют достаточно высокое разрешение при сравнительно невысокой стоимости (TerraSAR-X и другие). Кроме того, системы интерференционного типа (IfSAR) позволяют формировать цифровые модели рельефа снимаемой поверхности с очень высоким разрешением. В этой связи представляется интересным изучение возможности совместного использования материалов оптической и радиолокационной съемок, в частности повышения пространственного разрешения оптических снимков путем слияния с радиолокационными изображениями (image fusion,pansharpening). К примеру, радиолокационные изображения NEXTMap с разрешением 1.25м и 0.65м (компания Intermap, США), или GeoSAR с разрешением 1 м (Furgo, Нидерданды-США) могут быть обработаны совместно с космическими снимками RapidEye (Германия) с разрешением 5 м. Интересной особенностью этой системы является то, что космические снимки получаются с пяти спутников, выведенных на одну орбиту, и следующих друг за другом с интервалом 20 минут, что позволяет сократить интервал получения изображений вертрикальной камерой в пять раз (до 3-5 дней), а при программируемом наклоне оптической оси изображения одного и того же участка местности теоретически могут быть получены с интервалом в 20 минут.

Радиолокационные системы так же широко используются для получения цифровых моделей рельефа. Большинство систем используют одну длину волны (TerraSAR-X, Intermap, и др.), однако довольно перспективным является использование двухволновых систем. Компания Furgo EarthData предлагает изображения GeoSAR, синхронно полученные с одного носителя в двух диапазонах с длинами волн 3 см (X-band) и 85 см (P-band) и пространственным разрешением 3 и 5 метров соответственно (рис. 2). Такие системы позволяют получать одновременно две цифровые модели: поверхность первого отклика (кроны деревьев и другой растительности) и непосредственно поверхность земли, что позволяет не только эффективно дифференцировать растительность и подстилающую поверхность, но и определять различные характеристики растительности, объем биомассы и прочее.

Рис. 2. Радиолокационное изображение GeoSAR X-band и соотвествующая

цифровая модель рельефа [4]

Еще совсем недавно ограниченный доступ к матералам космических съемок был одним из основных факторов, существенно затрудняющих проведение полноценного природоохранного картографирования. Сегодняшний арсенал технических средств в большей степени решает эту проблему, предоставляя существенно более широкие возможности для выполнения широкомасштабных работ по мониторингу объектов регионального уровня.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Шпейзер Г.М., Дедова Л.И, Дюберг В.М и др. Водноэкологический мониторинг и качество вод реки Ангары/Состояние Ангары//Материалы 1-го научно-методического семинара «Состояние р. Ангары и пути управления использованием ресурсов и их качеством». 8-9 октября 1998 г., Иркутск. Научный редактор: д.г.н. Л.М. Корытный. Второе издание. М.: Московский общественный научный фонд, 2000. 200 с. (русск./англ. яз.).

2. Дистанционные исследования Сибири/ Воробьев В.В., Казначеев В.П., Гительзон И.И. и др. Новосибирск: Наука, 1988. 160 с.

3. Берлянт А.М. Образ пространства: карта и информация. М.: Мысль, 1986. 240 с.

4. GeoSAR: Furgo corporative materials. http://www.fugro.com/survey/geospatial/

5. NEXTMap: Intermap corporative materials. http://www.intermap.com/

6. RapidEye: corporative materials. http://www.rapideye.de/

© А.Я. Гиенко, Г.А. Гиенко, 2010