Мониторинг паводковой ситуации по данным дистанционного зондирования и составление карты паводковой обстановки в бассейне Р. Обь

УДК 528.4

О.Г. Новгородцева

ИВЭП СО РАН, Барнаул

МОНИТОРИНГ ПАВОДКОВОЙ СИТУАЦИИ ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ И СОСТАВЛЕНИЕ КАРТЫ ПАВОДКОВОЙ ОБСТАНОВКИ В БАССЕЙНЕ Р. ОБЬ

O.G. Novgorodtseva

IWEP SB RAS, Barnaul

656038, г. Барнаул, ул. Молодежная, 1

FLOOD MONITORING WITH THE USE OF REMOTE SENSING DATA AND MAPPING OF FLOOD SITUATION IN THE OB RIVER BASIN

In connection with risk of high floods in the Ob river basin that cause significant economic damage, water rise monitoring carried out with the use of remote sensing is of great importance for prevention of emergency situations. Space images give clear visibility of the river’s channel and valley that makes it possible to map floods based solely on the deciphering data. The paper presents the approaches for processing remote sensing data and mapping the flood situation in the Ob river basin. The stages of mapping are also discussed.

The flood maps are informative enough to serve as one of the main sources of information for the regional services of the Ministry for Emergency Situations.

В бассейне р. Обь уровень воды в период весеннего половодья часто превышает расчетный уровень критических отметок подъема воды, что ведет к затоплению не только полей и садовых участков, но и населенных пунктов. В связи с этим существует необходимость космического мониторинга поднятия уровня воды с целью предупреждения чрезвычайных ситуаций (ЧС) службой МЧС, куда в первую очередь и отправляется информация о местах затопления и результаты картографирования паводковой обстановки.

Мониторинг должен опираться на ежедневные оперативные наблюдения за состоянием воды в русле и пойме р. Обь. Русло реки и его комплексы слишком велики, чтобы при наземном изучении находиться в едином поле зрения наблюдателя, и не могут изучаться сразу по всей площади распространения потенциальной зоны затопления. Большая обзорность и выраженность русла и долины реки в фотоизображении делают реальным картирование выходов воды из берегов рек, основанное лишь на объективных данных дешифрирования. Космические снимки (КС) не заменяют ни крупномасштабных аэроснимков, ни, тем более, наземных наблюдений. Использование КС в определении разлива реки, во-первых, позволяет при помощи современных ГИС-технологий картографировать паводковую обстановку интересующих участков рек. Во-вторых, легко можно количественно оценить площади затопления.

В мониторинге паводковой ситуации используется широкий спектр данных дистанционного зондирования (ДДЗ), которые также являются очень важным источником информации при составлении карт паводковой

обстановки наряду с крупномасштабными топографическими и тематическими картами. На схеме (смотрите рис. 1) представлен алгоритм технологии обработки многоспектральных данных датчика МОЭК, разработанный к.т.н. В.В. Голомолзиным. Данная технология обработки предназначена для целей оперативного мониторинга ледовой и паводковой обстановки.

Рис. 1. Принципиальная схема технологии обработки ДДЗ

Для мониторинга паводковой обстановки используются различные характеристики параметров пространственного разрешения и спектральных диапазонов (табл. 1).

Таблица 1. Каналы датчика MODIS для оценки паводковой обстановки

№ канала Пространственное разрешение, м Спектральные диапазоны, мкм Полоса обзора, км

1 250 0.620 - 0.670 2 330

2 250 0.841 - 0.876

20 1 000 3.660 - 3.840

31 1 000 10.780 - 11.280

Каналы 1 и 2 позволяют выделить все элементы местности, содержащие воду в жидкой фазе, проводить селекцию по яркости объектов и рассчитывать стандартный индекс МОУ1.

20 и 31 каналы позволяют рассчитывать радиационную температуру. При этом по данным 31 канала можно получить собственную температуру объектов, а в температуру, полученную по данным 20 канала, вносят свой вклад, как собственная температура, так и отраженное солнечное излучение. Поэтому яркие объекты с высоким коэффициентом отражения в диапазоне 3.929-3.989 мкм будут иметь более высокую радиационную температуру в 20м канале, чем в 31-м. К таким объектам относятся, например, облака.

Оперативный мониторинг определения паводковой обстановки в бассейне р. Обь ведется с помощью спутника Terra/MODIS космической системы EOS. В связи с тем, что этот спутник является оптическим, то такой мониторинг ограничен световым днем и требует хороших погодных условий. В качестве информации используются данные формата PDS.

Далее цифровые данные формата PDS проходят калибровку. Затем, используя модули ГИС-пакета ENVI 4.3, трансформируются в картографическую проекцию Меркатора, здесь же дополнительно рассчитывается нормализованный вегетационный индекс (NDVI), после чего запускается окончательный расчет в модуле классификации. Полученная классификация многоспектральных данных позволяет выделить на реках, озерах и водохранилищах: лед, заснеженный лед, разрушенный лед, воду, землю, мокрую траву, облака. Результаты классификации в виде shp-файлов экспортируются в ArcGIS 9.2, где совмещаются с картографической основой.

В качестве картографической основы для отображения паводковой обстановки принимают цифровые карты масштаба 1 : 100 000. Такие карты выполнены с использованием ГИС ArcView 3.2a по данным снимков американского спутника Landsat. Карты составлены с учетом основных требований создания цифровых карт, а именно:

1. Пространственная локализация объектов. Согласно этому требованию линейные объекты оцифровывались по оси симметрии, площадные по контуру объекта, а точечные - по центру объекта.

2. Пространственная информация включает в себя геометрическую информацию (размеры, форма объектов и т. д.) и топологическую (взаимное расположение объектов).

3. Непространственная информация описывает семантические свойства объектов.

Карты паводковой обстановки являются тематическими картами, содержащими информацию одного явления - стадии таяния льда и отображают границы выхода воды на поймы, в том числе и малых рек -притоков Оби. Из этого следует, что shp-файлы результатов классификации будут являться тематическим наполнением карты, а элементами общегеографической основы таких карт будут являться гидрография, пути сообщения, населенные пункты, рельеф, растительность и грунты. Все элементы тематического содержания карты представлены площадными объектами, а общегеографическая основа карты выполнена следующим образом: к линейным объектам относятся гидрография в виде рек, каналов и рельеф в виде горизонталей; точечными объектами на карте отображены отметки высот и местоположение гидропостов; площадными объектами представлена гидрография в виде озер и водохранилищ, населенные пункты, растительность и грунты.

Места заторов льда, стадии таяния льда и территории подтопления легко установить по цвету shp-файлов результатов классификации, они

кардинально отличаются от цветов общегеографической основы карты, а также подробно описаны в легенде карты.

Карты паводковой обстановки, несмотря на то, что создаются для оперативных целей, как и любые другие карты, имеют легенду, рамку и элементы зарамочного оформления, где есть градусная и километровая сетки, в нижней части карты расположены выходные данные, а именно: название карты с упоминанием территории затопления, линейный масштаб, название спутника и датчика, данные которого были взяты для определения паводковой обстановки бассейна р. Обь, а также название проекции.

Карты паводковой обстановки с такой тематической и общегеографической нагрузкой являются в достаточной степени информативными и служат основным источником данных ДЗ для служб МЧС о территориях затопления. Главное достоинство таких карт заключается в том, что они создаются практически ежедневно в реальном времени и делают возможным мониторинг паводковой ситуации бассейна реки Обь одновременно в нескольких административно-территориальных единицах Сибири.

© О.Г. Новгородцева, 2008