ПРЕДИСЛОВИЕ

Привлечен и е аэрофотосъемочн ого материала для изучения речных русел открыло н овый этап в развитии теории руслового процесса и в ее практическом использовании. Так, обработанный в Государственном гидрологическом институте (ГГИ) массовый аэрофотосъемочный и картографический материал открыл широкие возможности для формирования некоторых важных положени й гидроморфологической теории руслового процесса, а также для вн едрени я результатов съемок ре к в практи ку его гид роморфологическ ог о ан али за [ 23, 26, 36]. Методи че ская сторона при мене ния аэрофотосъемок при исследовани и режима русел и пойм получила отражени е в Рекомендаци ях [ 38, 39].

Дальнейшим развит и ем аэросъемок явились косми чески е съемки, имеющие ряд преимуществ: охват больших терри торий и любых регионов Земли, периодичность, всесезонн ость, мн огократная повторяемость.

Высокая эффективность анализа руслового процесса в разных регионах нашей страны достигнута при комплексном рассмотрен и и материалов космических съемок (космического фотографирования), аэрофотосъемок и н аземных обследований. Выполненные исследования позволили расшири ть примени тельн о к горным странам тип изацию руслового процесса, ранее соз дан ную ГГИ, составить карту типов русел рек зон ы БАМ и обобщить первый опыт работ инсти тута в этой области [ 9, 37, 40, 47].

Тем не менее следует подчеркнуть, что и спользован ие, особенн о комплексное, аэрокосмических материалов при анали зе руслового режима рек пока не нашло ши рокого применени я.

Настоящие Рекомендаци и призваны акти визировать эту важную для теории и практики руслового процесса деятельность в научных, проектных и производственных организациях разных ведомств.

В Рекомендациях не изложены вопросы первичной (вводной) подготовки деш и фровщи ков. Сведения о процессах фотосъемки, обработки фотоматериалов, а также по дешифри рованию элементов гидрографической сети, контуров растительности и др. можно получить в публикациях, многие из которых введены в учебный процесс, в частности , на географических факультетах университетов [ 1, 3- 5, 10, 16, 17, 20, 26- 28, 32, 36, 42, 43].

Рекомендации подготовлены в аэрокосмической лаборатории и отделе русловых процессов ГГИ на основе обобщения опыта использова н ия аэрокосмических съемок при изучении руслового процесса. Они призваны раскрыть возможности применения матери алов разных видов съемок и показать методические приемы исп ользовани я аэрокосмической ин формации при решении некоторых вопросов теории и практики руслового процесса (его типизации , выявления плановых (горизонтальных) деформаций на участке реки и др.), проведении наземных работ, оценке влияния антропогенного воздействия, восстановлении истории развития котлови н, доли н, пойм и русел.

Рекомендации составлены ст. инж . Д.В. Сни щенк о и д-ром техн. наук Б.Ф. Сни щенко.

Рецензент - канд. техн. наук З.Д. К оп али ани .

Ценные замечания при просмотре рукописи высказаны проф., д-ром геогр. наук И.В. Поповым.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Носителем и нформации при аэрокосми чески х съе мках являе тся мн огосп ект рально е отраженное излучен ие, харак теризующее оп тически е свойства природных объектов. По эти м свойствам можно судить о состоянии и строении последних. Опти ческие свойства объектов меняются в течение года, сезона и суток. На ни х оказывает вли яние целый ряд природных факторов и явлении [ 5, 19].

При аэрокосмических исследованиях земная поверх н ость из учается в види мой и ближней инфракрасной области спектра (визуальные наблюдения, телевизи онная съемка, фотосъемка), а также в других частях спектра (инфракрасная, ради олокационная, спектрометрическая съемка), кроме того, выполняется ряд специальных съемок. Характеристики основных видов аэрок осмически х съемок приведены в табл. 1 [ 10].

В настоящее время основной объем информац ии , полученной при дистанционных исследован иях, представлен матери алами, отснятыми в видимой области спектра (длины волн λ = 0,38. 0,76 мкм). Видимое излучение с различной длиной волны воспри нимается глазом в виде светового и цветового изображени я объектов.

Для получения наиболее полной информац ии об объекте и сследований - реке с ее долиной, поймой, руслом, по возможности следует одновременно рассматривать материалы съемок, вып ол ненных в различных диапазонах спектра.

Аэровизуальн ые на блюдения проводятся с вертолета или с самолета с целью общего осмотра района работ, контроля полноты и достоверности выполненного дешифрирова ни я, выделения грани ц затоплени я пойм, ледовой разведки на реках и озерах. Аэровизуальные наблюден ия выполняются по маршрутам, заранее намеченн ым на картах или фотосхемах, иногда проводятся одновременно с аэрофотосъемкой и часто сопровождаются перспективной съемкой любительской камерой. Наблюдаемые объекты наносятся на карты (снимки) кодовыми обозначениями [ 38].

При наблюде ни ях из космоса скорость перемещения косми ческого корабля (8 км/с) резко ограничивает время разового наблюдения, но позволяет повтори ть наблюдени е чере з небольш ой пром ежуток времени. Выбор объектов наблюдения ограничен орби той, которая может проходить вдоль или поперек долин крупных ре к. При большой обзорности, высокой разрешающей способности аппаратуры и смене одного региона други м возможно выделение региональных особенностей у рек, видимых с выбранной орбиты [ 5, 8].

Таблица 1

Характеристики основных видов аэро к осмически х съемок

Физическая основа метода

Получаемые данные (вид изображения)

Условия применения в зависимости от освещенности и метеорологических условий

Регистрация отраже н ного электромагнит ного излучен ия Солнца в видимом диапазоне спектра

Запис и в дневниках

Д не вн ое время, хор ошие метеорологические услови я

Аэрофотоаппараты (АФА) с различными фокусными расстояниями

1: 2000 - 1:1 00000

Различные типы пленок

с п ек трозон альн ая

Аэрофотоаппараты (АФА) с различным и фокусными расстояни ями и различными светофильтрами

1 : 2000 - 1:1 00000

Специальные типы пленок

Аэрофотоснимки спектрозо н альны е

1: 2000 - 1:1 000 00

Аэрофотос н имки цветные

МК Ф-6 (многозональная камера)

1: 2000 - 1:1 000 00

Регистрация отраженного электромагнитного излучения Солнца в узк и х спектральных интервалах (не более ше сти)

Аэрофотоснимки черно-белые в шести спектральных интервалах (каналах)

Космическая фотосъемка (в том числе с п ектрозон альн ая, цветная, мн огозон альная)

Различные типы пленок, в том числе специальные

Регистрация отраженного электромагнитного и злучения Солн ца в в идимом и ближн ем ИК диапазонах спектра

Снимки космического фотографирования чер н о-белые, сп ектрозон альны е, цветные

Космическая ск ан ерн ая съемка (телевизи онная съемка - ТВ)

Вид и мая, солнечн ая ИК, 0,5 -1,1 мкм

Приемн и к типа «Ви дикон» с электронным сканиров ани ем (устанавли ваемый на сп утни ке)

Регистрация отраженного электромагнитного излучен и я Солнца в широком диапазоне с пе ктра

ТВ-сн и мки черно-белые (четыре канала)

Черно-белые (два канала)

Черно-белые (восемь каналов)

Черно-белые (четыре канала)

Дневное время, хорош и е метеорологические условия

Видимая, ИК, 0,4-2,4 мкм

1: 2000 - 1: 1000 00

Ближн и й ИК 3-5 , 8-1 3 мк м

Ф отосопротивлени е приемника теплового излучения

Регистрация собственного теплового электромагнитного излучения объектов

Дневное и ночное время при хороших метеорологических услов и ях

Радиолокационная съемка (РЛ)

Радиолокатор бокового обзора

Регистрация отраженного электромагнитного излучения от источника, установленного на борту нос и теля (самолета, спутника)

Любое время суток, практическ и при любых метеорологических условиях (кроме грозовых туч)

Фотосъемка (аэрофотосъемка - АФС, космическое фотограф и ров ание - К Ф), проводимая в види мой или ближней инфракрасной части спектра, является уни версальным, н аи более используемым и самым доступным методом при русловых исследовани ях. Фотоснимки характеризуются высоким уровнем разрешения , геометри ческой определенностью положения точек, высокой ин формационн ой емкостью, определяемой большим числом выделяемых объектов, объективностью и однозначностью их воспрои зведен ия.

К основным недостаткам фотосъемки можно отнести зависимость качества изображе н ия от метеорологических условий и времени производства съемок [ 10, 27, 28].

Матер и алы маршрутной или площадн ой фотосъемки представляются в ви де негативов (фильмов), позитивов - контактных или проекционных (уменьшенных или увеличенных) фотосни мков, фотосхем (маршрутных, площад ных, уточненных), фотопланов [ 28]. С полученных фотосхем (фотопланов) путем пересъемки изготавли ваются репродукции. Наиболее часто в работе используются контактные отпечатки с размером кадра 18×1 8 см.

Объект и вы современн ых фотоаппаратов обладают высокой разрешаю щей способностью (разрешающая способность - количество линий, свободно разли чаемых на участке фокальной плоскости, длиной 1 мм). У современных объективов она дости гает 160 лин./м м в центре поля с паден ием по краям изображени я (см. табл. 1).

Негативы имеют большую разрешающую способность по отношению к отпечаткам. У контактных отпечатков разрешающая способность ниже, хотя они выдерживают 4-5 -кратное увеличение с помощью приборов без потери информации. Подобные увеличения применяются при детальном изучении конкретного участка. Коэффи циент предельного увеличения (фотоувеличения) определяется исходя из размера разрешения зрения (5 ли н./ мм), графической точности представления (2,5 лин./мм) и размера наименьшего картографического контура (4-9 мм 2 ) [ 7].

Из всех материалов фотосъемк и наиболее распространенными и используемыми являются фотоснимки с черно-белым изображение м.

Цветное фотографирование в значительной мере модел и рует физи ологи ческий процесс восприятия цвета человеческим глазом. На цветных фотоснимках появляется дополнительный признак деши фри рования - цвет. Методы цветной фотографии осн ованы на применении многослойных материалов с цветным проявлением как в негати вно-позитивном варианте, так и с получением позити вного и зображения (слайда), минуя негатив. Цветная съемка не получила широкого распространения вследствие дороговизны и зн ачи тельного снижения разрешающей способности негативов по сравнени ю с черно-белыми. Цветные аэропленки имеют низкую чувствительность, что сокращает возможное время съемки и детальн ос ть воспроизведения [ 20].

Материалы ранее выполненных цвет н ых фотосъемок и спользую т при анализе руслового процесса для получения более полных данных о распределении и состоян ии растительности на пойме и склонах долины.

Дополнительную информацию для анал и за может предоставить многозональная съемка. Она позволяет получать серии снимков в нескольких узких зонах (каналах) видимой и ближней ин фракрасной (ИК) частей спектра с помощью одной многообъективной фотокамеры или комплекта синхронизированных фотокамер с разными комбинациями фотопленок и светофильтров (см. табл. 1). Анализ многозональных снимков, предусматривающий сравнение и выявление различий в контрастах одних и тех же объектов, лучше всего выполнять на многоканальном синтезирующем приборе МСП-4. С его помощью по зональным черно-белым позитивным и негативным изображениям (на пленке) синтезируются ложн оцветны е изображения, выбираются наиболее эффектные и х комби нации и цветовая гамма [ 16, 21]. Благодаря пятикратному увели чени ю и смене цветовых комбинаций на экране усили вается контрастное восприятие. При этом хорошо выделяются: русло с внутри русловы ми образованиями (пляжи, осередки ), ри сунок строения поверхности поймы, растительность, коренные берега и др.

При покрытии поймы и склонов долины снегом, а русла льдом и зображения в четырех сравниваемых каналах (1, 3, 4, 6) одинаковы. При мерно та же картина бывает при отсутствии льда в русле , но наличии снега на островах, пойме и склон ах долины. При н али чи и льда в русле и отсутствии снега на пойме наи более четко проявляются различия между льдом в русле (белый тон) и пляжами (осередками), имеющими светло-серый тон (в первом канале).

В различных регионах в п ериод полного отсутствия снега на пойме и льда в русле в 1-м канале нет кон траста между открытой водной поверхностью и поймой, тон изображения один - темно-серый. Изображение в 3-м и 4-м каналах обладает наи лучш ей дета льностью воспроиз ведени я. В 6-м канале безоши бочно в ыделяются все участки с открытой водной поверхностью, на затоп ленных поймах резче проявля ется гривистый рельеф, безошибочно определяются прорвы в береговых валах и дамбах обвалования. Съемки в 5-м и 6-м каналах рекомендуется использовать для картирован ия затопленных пойм, для получения снимков мелководных распластанн ых русел (горная русловая, русловая и склоновая мн огорукавн ость). Благодаря высокой разрешающей способности снимки с МКФ -6, полученные в межень в 3-м и 4-м каналах, могут быть использованы для совмещения при определении плановых деформаций на участках рек с незн ачительными деформациями и при малом интервале между съемками. При дешифрирован ии предпочтительнее и спользовать негативы. К существен ным не достаткам съемки апп аратом МКФ-6 (самолетн ый вариант) можно отнести малый размер кадров, т.е. малый захват площади при съемке.

На с п ектрозона льны х фотоснимках, являющихся разнов и дностью многозональных фотоснимков, обеспечивается одновременная съемка объектов в двух (трех) различных спектральных зонах и получение на одном негативе двух (трех) разноцветных изображений, обладающих наибольшим цветовым контрастом. На спектрозональных фотоснимках объекты изображены в искаженных (ложных) цветах. В зависимости от спектральных зон эффективной светочувствительности элементарн ых слоев возможно примен ение различн ых негативных аэрофотопленок. Применение спектральных аэрофотопленок СН-6 и С Н-6М эффективно для деши фрировани я растительности, опознавания увлажненных участков и уточнени я границ водных объектов. Подводный рельеф в руслах рек проявляется на аэрофотопленках, реагирующих на желто-зеленые и зеленые лучи [ 20]. Для распознавани я подводного рельефа н еобходимо проведение съемок в масштабах 1:5 000 - 1 :100 00.

Материалы космического фотографирования имеют высокую разрешающую способность, что позволяет для камераль н ого дешифрирования использовать сни мки с увеличением до 8-1 0* [ 6, 7, 13]. Полученные путем увеличения снимки сопоставимы с материалами А ФС и используются для определения плановых деформаций. При рассмотрении материалов космического фотографировани я совместно с материалами аэрофотосъемки они именуются как аэрокосмические матери алы крупного (1: 5000 - 1: 50000), средн его (1:500 00 - 1:2 000 00) и мелкого (мельче 1:200000) масштабов.

Материалы космического фотографирования открыли дополнительные возмож н ости для изучения законов форми ровани я и развития рек. К ним относятся: проверка общности и выявление региональных особенностей типизации речных русел и пойм; однозначное выделение высоких структурн ых уровней руслового процесса - морфологически однородных участков и водотоков в целом; сравнительный анализ гидрографических элементов разных в одосборов и самих водосборов; сравнительн ый анализ роли рельефа Земли в образовании геоморфологи ческих элементов реки - доли ны, террас, поймы, русла - и роли последних в форми ровании типов руслового процесса; уточнение определяющих факторов руслового процесса и их характеристик; выявлен ие картины формирования и дви жен ия волны половодья; проведение анализа и контроля трансформации рек под действи ем антропогенной деятельности в и х бассейнах и др.

Рис. 1. Телевизионные изображения (МСУ-С) участков рек с разными типами руслового процесса.

а - свободное меандрирова ни е; б - незавершенное м еандриров ан ие; в - пойменная м ногорукавность; г - русловая многору кавность; д - горная русловая многорукавность; е - вынужденное меандри ров ание; ж - свободно меандрирующ ие малые реки, видимые в п оловодье в зоне тундры; з - симметри чные врезки излучин в коренной берег при ограниченном меандрировани и; и - водохранилище озерного типа на р. Зее.

Теле виз ионна я съемка ведется регулярно с искусственных спутников Земли системы «Метеор» скан и рующими устройствами малого (МСУ-М) и среднего (МСУ-С) разрешения (см. табл. 1). Телевизи онные снимки используются при выделении границ затопления широких пойм [ 11].

По телевизионным снимкам с МСУ-С хорошего качества можно опознать некоторые типы руслового процесса на участках крупных и средних рек, например свободное, незавершенное и вынужденное меа н дри ровани е, три разновидности мн огорук авн ости - пойменную, русловую и горную русловую (рис. 1 а-е ). Н e опознаются ле н точно-г рядовый и побочн евый типы руслового процесса, участки рек с ограниченным меандрировани ем, наледной и склоновой мн огорук авн ость ю. Неопознаваемые типы руслового процесса встречаются на участках н езначительного протяжения. Определение типов русел на бесп ойменны х и коротких участках ре к следует прои зводить по сни мкам крупных масштабов [ 48].

По последовательным сн и мкам с МСУ-С, полученным с достаточным интервалом времени между ними, можно качественно оценить изменения в русле на участке крупной реки, например Лены, т.е. отмети ть появление или исчезновение островов и проток. Существенное преимущество телевизионной съемки заключается в возможности регулярного получен ия информации. Повторим, что синтезирование ц ветного изображения на МСП-4 улучшает услови я деши фри рован ия и расши ряет возможности извлечен ия и нформации .

Радиолокац и онная съ ем ка выполняется радиолокаторами бокового обзора, устанавливаемым и на самолетах и на спутни ках, и использует ради оволн овый диапазон электромагнитного спектра (см. табл. 1). Посланный радиосигнал по нормали отражается от встречающихся на его пути объектов и улавливается специальной антенной, затем фи ксируется на фотопленке. Вследствие шероховатости поверхности отражения часть энергии посланного сигн ала рассеи вается. Частицы поверхности размером меньше половины длины отраженной волны не дают рассеянного отражения. Поэтому РЛ-съемк у можно вести в любое время суток и при любой погоде, ибо облачность (за исключением грозовых туч) и туман не отражаются на качестве изображения. Четкость и зображения зависит от с тепени шероховатости поверхности отражения, геометрии объектов, угла падения луча, степени поляри зованности и частоты посланного сигнала, фи зических свойств поверхности отражения (плотности, влажности и др.) . В случае резко расчлененного рельефа часть информации скрыта радарной тенью.

На РЛ-сн и мк ах четко выделяются долины, поймы и русла рек, особенно если они приурочены к разломам, трещин ам и складкам, выраженным в рельефе. Тон изображени я меняется от белого до черного. Черный тон отвечает радарной тени - зонам полного поглощения посланного сигнала и идеально гладкой (нешероховатой для данной длины волны) поверхности, которая при бытовом излучении дает полное отражение, уходящее из зоны при ема. Тон одних и тех же поверхностей может меняться в зависимости от направления облучения, времени года и погоды. Открытая водная поверхность (при отсутствии волнения) полностью отражает падающие лучи и дает изображение черного тона [ 12, 20, 22]. Такое же изображение дают незарастающие песчаные пляжи и осередки , что особенно четко проявляется при сравнении аэрофотоснимка с РЛ-сни мк ом (рис. 2е ). При русловой многорук авности черный тон изображени я русла прерывается на участках островов (рис. 2з). Растительность имеет наименьшее экранирующее значение ранней весной. В летний период влияние растительности на тон изображения проявляется наиболее резко. Неровная водная поверхность горных рек, перекатные участки равнинных рек имеют осветленный тон и зображения. Тон изображения водной поверхности осветляется на участках горных рек с крупными валунн о-галечны ми отложениями в русле. Тон изображения участков поймы зависит от состава растительности и увлажнения почвы. Увеличение влажности, особенно в весенний период, ведет к ослаблению отраженного рассеянного сигнала. Изображени е увлажненных участков имеет темный тон.

Материалы РЛ-съемо к рекомендуется использовать одновременно с материалами АФС. Основное при менение они нашли при выявлен ии границ водных объектов, в частности при картировании затопленных пойм. При РЛ-съе м ке и зображение рельефа сильно зависит от ориентировки посылаемого радиосигнала, получаемая информация часто имеет довольно значительное плановое искажение, затрудняющее ее привязку к картографической основе. Эта съемка отличается также относительно низким разрешением [ 12, 20, 22].

Рис. 2. Плановое (1 ), перспективное (2) и схематичное (3) изображения участков рек с разными типами руслового про ц есса.

а - свободное м еан дриров ание; б - незаверше нное м еандриров ание; в - пойменная м ногорук ав ность;

г - склоновая м ного рукав ность; д - ограниченное м еандрировани е; е - побочневы й ти п, образовавшийся на коротком участке реки после смены участка долины (в более мелком масштабе приводится ради олокационное изображение участка, на котором поверхность вод ы и песчаные образо ва ния- п обочн и - имеют черный тон) ;

ж - ленточно-грядовый (переходящий в побочневый) тип; з - русловая многорукавность; снимок сделан в ранний весенний период - в русле лед, приводится радиолокационное изображение участка; и - горная русловая многорукавность;

к - н аледная мн огорук ав но сть; л - вынужденное м еандриро вани е;

м - сток по мари (дол и на-марь); н - русло, по которому пери одически сходят сели.

Рис. 3. Аэрофотоснимок (а), дневной (б) и ночной (в) тепловые аэроснимки.

1 , 2, 3 - места подтопления трассы [ 53].

Инфракрасная тепло вая съемка основана на ис п ользов ании и зображения, полученного в среднем и начале дальне го ди ап азонов спектра ИК -и злучени я (см. табл. 1). Для регистраци и ИК-излучения используются тепловизоры типа «Вулкан» с двумя диапазонами съемки (3-5 ; 8-1 3 мкм), преобразующие невидимое ИК -излучение в видимое на электронно-лучевых трубках. Контрасты дневного теплового аэроснимка близки к контрастам аэрофотоснимка (рис. 3). Картина меняется на ночном снимке, так как переувлажненные места дольше сохраняют тепло. Выделяются на ночном снимке переувлажненные (теплые - с ветлые) участки поймы, оттеняются границы между разновысокими участками поймы, за счет разности во влажности вырисовывается гривистый рельеф, очень четко вырисовывается понижени е на пойме вдоль коренного берега, проявляются все протоки многорукавного русла. Часть проток сохраняет и в ночное время темный (холодный) тон, таким путем выявляются выходы холодных подземных вод, стекающих по этим протокам. Обнаруживаются на ночных снимках засыпанные протоки и ручьи. Сопоставлением аэрофотоснимка с дневным и ночным тепловыми аэрофотоснимками выявляются места подтопления дорожных трасс, образующиеся в случаях перекрытия насыпями стока со склонов долин. На рис. 13 видно, что участки 2 и 3 наиболее опасны с точки зрения возможного повреждения насыпи накапливающейся водой [ 53].

Тепловая съемка является эффективным методом обнаруже н ия на склонах долин и поймах рек возможных прорв в дамбах, дорожных насыпях, в засыпанных трубопроводах. Для обе спечения полноты анализа тепловая съемка производится многократно. Весь анализ выполняется в качественном виде.

2. КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОК, КАРТОГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ И РЕЗУЛЬТАТОВ НАЗЕМНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

Возможности использования материалов аэрокосмических съемок пр и русловых исследовани ях очень ши роки. При одних видах работ они являются основным, а в малоизученных реги онах почти единственным источн иком и нформации, при других - анализируются в комплексе с картографическими данными и результатами наземных наблюдений. Перечень видов анализа мате риалов аэрокосмических съемок в комплексе с информацией из других источников приводится в табл. 2. Более подробно методика их использования рассмотрена в самостоятельных разделах.

Виды анализа руслового процесса при комплексном использовании материалов

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎

Рекомендации Рекомендации по использованию аэрокосмической информации при изучении руслового процесса

ПРЕДИСЛОВИЕ

1. ХАРАКТЕРИСТИКА АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

2. КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОК, КАРТОГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ И РЕЗУЛЬТАТОВ НАЗЕМНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ