Научный центр
оперативного мониторинга Земли

 

RUS | ENG

главная проектыэкологический мониторингкосмический мониторинг состояния водных объектов

Космический мониторинг состояния водных объектов

Использование данных ДЗЗ и проведение оперативного мониторинга окружающей среды является наиболее эффективным направлением для решения задач управления природными ресурсами и анализа их состояния.

Экстремальные природные явления, к которым относятся наводнения, затопления, а также обмеление озер и водохранилищ, происходят не так часто, однако они подготавливаются постепенно, усиливаясь даже небольшими изменениями природной среды или антропогенных условий.

Прогноз поведения водных объектов составляется на основе анализа их гидрологических моделей и учета данных по метеоусловиям, уровням и расходам воды. Спутниковые системы с большой повторяемостью за короткий временной промежуток обеспечивают получение информации для определения параметров моделей, характеризующих гидрологические особенности и водный бассейн территории: топографию бассейна, типы и распределение растительных покровов, типы почв, типы коренных пород русла и др.

Использование спутниковых данных совместно с опорной наземной информацией позволяет создавать более точные и сложные гидрологические модели, чем те, которые создавались по одним наземным измерениям и нередко носили линейный характер. Такой подход позволяет перейти к распределённой физической модели гидрологической системы и совершенствовать методики её использования.

Определение параметров гидрологических моделей осуществляется путем использования информации различных датчиков и спутниковых систем, обеспечивающих съемку в различных диапазонах электромагнитного спектра и с разным пространственным разрешением. Получение карт распределения растительного покрова и его состава возможно по материалам спектрозональных съёмок малого и среднего разрешения. То же самое относится к решению задач землепользования и определения типов почв. Топография, геология и геоморфология бассейнов рек и озер изучаются с привлечением данных съёмок высокого и детального разрешения оптического и инфракрасного диапазонов, а также по материалам радиолокационных съёмок. Так как съемки оптического диапазона имеют ограничения из-за облачности, то оптимальным подходом здесь является комплексное использование данных различных космических систем.

Требования к спутниковым системам, обеспечивающим получение данных для построения гидрологических моделей, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Вид параметраРазрешение (м)Частота наблюдений
максимумминимумоптимальноемаксимумминимумоптимальное
1.Топография120101 раз в 2 года1 раз в 5 лет1 раз в год
2.Типы растительного покрова10150201 раз в месяц1 раз в 3 месяца1 раз в 2 месяца
3.Землепользование10150201 раз в 3 месяца1 раз в 6 месяцев1 раз в 6 месяцев


При проведении оперативного космического мониторинга состояния внутренних водоемов суши необходимо осуществлять непрерывный анализ данных по метеоусловиям, уровням и расходам воды, получаемых с гидрологических сетевых наземных наблюдений, а также анализ результатов обработки данных ДЗЗ.

При изучении водного режима суши и прогнозировании наводнений одним из важных входных параметров гидрологических моделей является площадь зеркала воды водоемов. Получение информации о данном параметре по наземным данным представляется весьма сложной задачей и требует большого объема измерительных работ. Использование спутниковых данных позволяет существенно упростить эту задачу.

С этой целью была разработана специальная методика мониторинга водных поверхностей, которая позволяет регулярно получать по спутниковым данным оценки площади и строить карты зеркала воды. Одним из примеров использования данной методики в Научном центре оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ) является оценка зеркала воды Аральского моря.

Экологическая катастрофа, произошедшая в бассейне Аральского моря во второй половине ХХ века, привлекает к себе внимание ученых и экологов всего мирового сообщества и требует проведения регулярного мониторинга состояния водоема. Из-за неконтролируемого забора воды на орошение земель в Средней Азии и Казахстане, начавшегося в 50-60-е годы ХХ века, сток воды в Арал резко уменьшился, а порой (в 80-е годы) и вообще прекращался. В 1961 г. общая площадь моря составляла 66 тыс. кв. км, за год изменение уровня за счет испарения воды с поверхности составляло около 1 метра, это изменение перестало компенсироваться за счет стока рек, и с 1961 по 1990 гг. уровень снизился на 14,8 м.

На сегодняшний день от прежнего моря остались три водоема, в двух из которых вода стала настолько соленой (более 100‰), что даже исчезла рыба. Отступившее море оставило после себя около 58 тыс. кв. км сухого морского дна, покрытого не только солью, но и в некоторых местах еще и отложениями из различных других сельскохозяйственных ядохимикатов и пестицидов, которые когда-то были смыты стоками с окрестных полей. Обнажившееся дно получило название «Пустыня Аралкум». В настоящее время сильные бури разносят соль, пыль и ядохимикаты на расстояния до 500 км. Переносимые по воздуху хлорид, бикарбонат и сульфат натрия замедляют развитие или уничтожают естественную растительность и сельскохозяйственные культуры. Население страдает от большой распространенности респираторных заболеваний, рака горла и пищевода, анемии, расстройств пищеварения. Участились заболевания почек и печени, глазные болезни.

В 2001 г. в результате ухода воды остров Возрождения соединился с материком. Существует информация, что во времена СССР на этом острове проводились испытания бактериологического оружия на лабораторных животных (туляремии, возбудителей сибирской язвы, чумы, бруцеллеза, тифа, оспы и др.). Это является причиной опасений о том, что смертельно опасные микроорганизмы сохранили жизнеспособность, и заражённые грызуны и другие звери могут стать их распространителями в другие регионы.

В НЦ ОМЗ динамика изменения площади зеркала воды Арала изучалась по материалам многолетних спутниковых съемок, принимаемых и обрабатываемых в Центре. Для исследований были использованы снимки, полученные многозональными оптическими приборами МСУ-СК/Ресурс-01 в 1993 г., MODIS/Terra за период с 2001 по 2008 годы, «Метеор-М» № 1 за период с 2009 по 2014 и «Метеор-М» № 2 с 2014 г. по настоящее время. В таблице 2 приведены основные характеристики данных приборов.

Таблица 2

МСУ-СК/Ресурс-01MODIS/TerraКМСС/Метеор-М №1КМСС/Метеор-М №2
Полоса обзора, км7002330900
Количество каналов6363
Пространственное разрешение, м160250-100060-120
Радиометрическое разрешение, бит81412


Снимки, по которым проводился мониторинг изменения зеркала воды водоема, приходятся на период май — август, за исключением снимков, полученных в 2002, 2008-2011, 2015 годах (апрель, сентябрь, октябрь, ноябрь).

Ввиду отсутствия необходимых спутниковых изображений, полученных ранее 1993 года, для картографирования зеркала воды Аральского моря были использованы топографическая карта масштаба 1:1 000 000 1960-х гг. и общегеографическая карта из Атласа офицера
масштаба 1:7 000 000 1984 г., имеющиеся в фонде НЦ ОМЗ.

Тематическая обработка используемых данных ДЗЗ включала в себя выделение на многозональном изображении классов объектов, отнесенных к водному зеркалу моря, методами контролируемой классификации программного пакета ERDAS Imagine; автоматический расчет площадей зеркала воды и оформление конечного информационного продукта средствами ГИС-пакета ArcGIS.

Выходной тематический продукт представляет собой созданную на общегеографической основе динамическую карту состояния водной поверхности Аральского моря, отражающую изменение площади водной поверхности за период с 1960-х годов по 2015 год. Карта содержит данные о площади зеркала воды и границы водной поверхности.



Карта наглядно показывает процесс «усыхания» моря, площадь которого за 55 лет сократилась в 8,5 раз. Особенно стремительно это происходило в последние годы. Однако, по данным, приведенным в таблице 3, следует, что в период с августа 2004 года по августа 2005 года площадь моря не уменьшилась, а увеличилась на 346 кв. км (с 18 846 до 19 192 кв. км). Это, скорее всего, связано со строительством мощной земляной дамбы длиной 13 км, включающей бетонную плотину с гидротехническим затвором для регулирования пропуска воды. Однако, это не остановило процесс «усыхания» Аральского моря.

Ниже представлены полученные результаты по оценке динамики изменения площади водной поверхности Аральского моря.

Таблица 3

ДатаИсточник информацииПлощадь, кв. км.% от площади моря в 1960 г.
1960-е гг.топографическая карта,
масштаб 1:1 000 000
68 900100
1984 г.общегеографическая карта
из Атласа офицера,
масштаб 1:7 000 000
59 87886,9
июль 1993 г.«Ресурс-О1»/МСУ-СК36 18252,5
июль 2001 г.Terra/MODIS28 02540,7
сентябрь 2002 г.20 68730,0
май 2003 г.20 62829,9
август 2004 г.18 84627,4
август 2005 г.19 19227,9
август 2006 г.15 47922,5
июль 2007 г.14 18320,5
октябрь 2008 г.10 57915,4
ноябрь 2009 г.«Метеор-М»№1/КМСС8 15711,8
апрель 2010 г.12 03817,5
август 2010 г.13 83620,1
июль 2011 г.10 62115,4
ноябрь 2011 г.9 27513,5
май 2012 г.9 25913,4
август 2012 г.8 95813,0
май 2013 г.15 14122,0
август 2013 г.9 15513,3
май 2014 г.8 23011,9
сентябрь 2014 г.7 29710,6
апрель 2015 г.«Метеор-М»№2/КМСС10 78015,6
август 2015 г.8 30312,1


Получаемые по спутниковым данным характеристики площади зеркала воды водоемов несут весьма ценную информацию для уточнения гидрологических характеристик моря и позволяют рассчитывать уровень воды, а по уровню объема воды определять тенденции ее изменения. По мере снижения уровня Аральского моря значительно изменялись очертания его береговой линии. Острова становились полуостровами, архипелаги и острова присоединялись к суше, исчез своеобразный «аральский» тип берегов. С 1989 г. Аральское море разделилось на два самостоятельных водоема: Большое и Малое моря, соединенные узкой протокой, что наглядно подтверждает созданная по спутниковым данным карта.

Опыт мониторинга водной поверхности Аральского моря и других водоемов, накопленный российскими специалистами в течение последних лет, а также разработанные методики и технологии тематической обработки спутниковых данных, могут служить основой для распространения их на изучение состояния других экологически неблагополучных водных объектов.

Оперативный космический мониторинг водных объектов можно осуществлять с помощью данных российских космических систем как действующих, так и планирующихся к запуску в ближайшие годы.

В сентябре 2009 г. произведен запуск российского КА «Метеор-М» № 1 со съемочной многозональной аппаратурой КМСС, имеющей пространственное разрешение 60 м и 120 м с зоной захвата 900 км. Таким образом,появилась возможность привлечения космических данных среднего пространственного разрешения КМСС с российского КА «Метеор-М» № 1 для решения ряда задач мониторинга Аральского моря, включая оценку зеркала воды, оценку загрязнения водной поверхности и др.

В июле 2014 г. произведен запуск российского КА «Метеор-М» № 2 со съемочной многозональной аппаратурой КМСС, имеющей пространственное разрешение 60 м и 120 м с зоной захвата 900 км.

В настоящее время для решения задач изучения изменения береговой линии внутренних водоемов суши применяются данные, получаемые с действующего российского спутника «Ресурс-П № 1», «Ресурс-П № 2», обеспечивающего многозональную съемку в оптическом диапазоне с разрешением 2-3/23,8/120 м и захватом на местности до 38/97/441 км. Эти данные позволят также уточнять состояние инфраструктуры на берегах водоема, изучать загрязнение водной поверхности в прибрежной зоне.

В 2015-2016 г. планируется запуск российских космических аппаратов:
 — «Канопус-В-ИК»;
 — «Ресурс-П» № 3;
 — «Метеор-М» № 2-1.

Привлечение подобных данных высокого и среднего пространсвенного разрешения в различних спектральных диапазонах от видимого до дальнего инфракрасного позволит решать самые разнообразные задачи контроля за состоянием водной поверхности, динамики береговой линии, экологической оценки поверхности водных объектов и прибрежных территорий и др.

Таким образом, можно говорить о создании системы контроля за состоянием водных объектов средствами российских космических аппаратов детального, высокого и среднего разрешений «Ресурс-ДК», «Метеор-М» № 1 и № 2, «Канопус-В» и «Ресурс-П» № 1 и № 2.

Версия для печати

    Еще в рубрике: Космический мониторинг состояния водных объектов,
    Все материалы

© Официальный сайт Научного центра оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ) АО «Российские космические системы». При использовании материалов сайта ссылка на источник обязательна.

127490, Москва, ул. Декабристов, вл.51, стр. 25
Тел.: (495) 925-04-19, (495) 229-43-89, Факс: (495) 509-12-00
E-mail: ntsomz@ntsomz.ru, service@ntsomz.ru

 

Яндекс цитирования Rambler's Top100 Система Orphus