«ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КАРТОГРАФО-АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ОПАСНЫХ ГЛЯЦИАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ВЫСОКОГОРНЫХ ГЕОСИСТЕМ ...»

Московский государственный университет

имени М.В. Ломоносова

Географический факультет

На правах рукописи

Золотарёв Евгений Александрович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

КАРТОГРАФО-АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА

ОПАСНЫХ ГЛЯЦИАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ

ВЫСОКОГОРНЫХ ГЕОСИСТЕМ

25.00.33 – Картография Диссертация на соискание учёной степени доктора географических наук

Научный консультант:

доктор географических наук, профессор Книжников Юрий Фирсович Москва – Оглавление стр.

Введение Глава 1. Картографо-аэрокосмические технологии – основа мониторинговых исследований высокогорных геосистем 1.1. Сущность картографо-аэрокосмических исследований динамики природных объектов 1.2. Основные этапы картографо-аэрокосмических исследований высокогорных территорий на примере Приэльбрусья 1.3. Технологии картографо-аэрокосмических исследований динамики высокогорных геосистем 1.4. Развитие фотограмметрического метода для картографоаэрокосмических исследований горных ледников 1.5. Составление цифровой ортофотокарты Эльбруса Выводы Глава 2. Стереоскопическое измерительное дешифрирование разновременных снимков при мониторинге высокогорных геосистем 2.1. Проблема совмещения материалов разновременных съемок при мониторинге динамики природных объектов 2.2. Схема обработки разновременных снимков при стереоскопическом измерительном дешифрировании 2.3. Применение стереоскопического измерительного дешифрирования при оценке динамики различных природных процессов в высокогорье 2.3.1. Определение скорости сползания снега на лавиноопасном склоне фотограмметрическим методом 2.3.2. Исследование скорости движения лавин 2.4. Особенности стереоскопического измерительного дешифрирования при оценке динамики ледников 2.4.1. Результаты исследования динамики ледника Кюкюртлю (Западный склон Эльбруса) по разновременным аэрофотоснимкам 2.4.2. Выявление пульсирующего характера динамики ледника Большой Азау (Юго-западный склон Эльбруса) по разновременным космическим снимкам Выводы Глава 3. Индикационно-картографическая реконструкция оледенения Эльбруса во время малого ледникового периода 3.1. Методические аспекты лихенометрии в Приэльбрусье 3.2. Эволюция оледенения Эльбруса с конца XIX в. по картографическим данным 3.3. Разграничение I и II исторических стадий оледенения Эльбруса 3.4. Максимальное распространение оледенения Эльбруса во время малого ледникового периода Выводы Глава 4. Исследование эволюции оледенения Эльбруса картографоаэрокосмическими технологиями в связи с глобальными климатическими изменениями 4.1. Колебания фронта ледника Большой Азау на Эльбрусе с середины XIX века 4.2. Гляцио-климатические причины колебания фронта ледников (по исследованиям на леднике Джанкуат) 4.3. Колебания фронта ледников Эльбруса в ХХ столетии 4.4. Сокращение оледенения Эльбруса в ХХ столетии 4.4.1. Изменение площади оледенения 4.4.2. Оценка изменений объёма оледенения Эльбруса в различные периоды его эволюции 4.5. Цифровое картографирование изменения оледенения Эльбруса и Глава 5. Исследование условий формирования катастрофических селей в Приэльбрусье на основе картографо-аэрокосмических технологий 5.1. Эволюция оледенения и формирование катастрофических селей в 5.2. Причины и оценка вероятности формирования катастрофических селей в современных ледниково-моренных комплексах Приэльбрусья 5.3. Возможные способы борьбы с катастрофическими селями Глава 6. Определение границ лавиноопасных зон по морфометрии лавиносборов и крупномасштабное картографирование лавиноопасных 6.1. Деградация оледенения и катастрофические лавины Приэльбрусья 6.2. Экспериментальные исследования точности определения запасов снега на лавиноопасных склонах дистанционными методами 6.3. Оценочное картографирование катастрофических лавин в Приэльбрусье с применением дистанционных методов 6.4. Определение максимально возможного пути катастрофической 6.5. Исследование дальности выброса катастрофических лавин в 6.6. Ошибки определения дальности выброса катастрофических лавин по 6.7. О вероятности достижения лавиной заданных границ 6.8. Расчет коэффициентов общего сопротивления движению лавины 6.9. Картографирование лавиноопасных территорий при инженерных

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Одним из приоритетных направлений развития науки и техники Российской Федерации является экология и рациональное природопользование, что вызвано глобальным изменением природной среды, обусловливающим процессы, принимающие нередко катастрофический характер. Это вызывает необходимость мониторинга этих процессов и, в свою очередь, предполагает развитие дистанционных методов их наблюдения и оценки, которые позволяют охватывать значительную площадь труднодоступных территорий и в значительной степени снимают опасность для жизни исследователя. Приоритетными будут при этом исследования динамики различных природных систем, особенно высокогорных, где широко развиты опасные гляциальные явления. Подвижки ледников, снежные и ледяные лавины, катастрофические гляциальные сели образуются в зоне тектонически активного высокогорного рельефа с оледенением. Причём быстрое изменение последнего влияет на масштабы этих стихийно-разрушительных процессов природы.

Значительная часть регионов России вынуждена тратить большие средства, чтобы приспособить своё хозяйство к закономерно проявляющимся, а нередко и внезапно происходящих природных стихий. Исследование процессов прогнозирования надёжно согласуется только на основе получения количественных параметров, которые можно получить при интеграции методов картографии, информатики и дистанционного зондирования.

Степень разработанности темы. Мониторинговые исследования опасных гляциальных процессов в высокогорье в настоящее время проводятся в основном на локальных территориях с ограниченным периодом наблюдений, что не всегда позволяет получить достоверные сведения об их параметрах.

Практическое применение для этих целей повторных аэро- и космических снимков, которые позволяют охватывать значительные территории, находится в зачаточном состоянии.

Цель и задачи исследования. Основная цель работы – разработка картографо-аэрокосмических технологий мониторинговых исследований высокогорных территорий при организации их защиты, что является научной проблемой, имеющей важное хозяйственное значение.

В соответствии с поставленной целью в работе решались задачи разработки и применения:

– картографо-аэрокосмических технологий для дистанционного мониторинга высокогорных геосистем;

– способа стереоскопического измерительного дешифрирования разновременных снимков для изучения динамики опасных склоновых процессов высокогорных территорий;

– метода определения границ лавиноопасных зон и содержания оценочных и оценочно-прогнозных карт лавиноопасных территорий на различных этапах инженерных изысканий;

– применения разработанных технологий при оценке деградации горного оледенения на примере Эльбруса, как возможного источника катастрофических процессов в высокогорье;

– оценки условий формирования и динамики катастрофических процессов в высокогорье (снежных лавин и гляциальных селей) на основе картографоаэрокосмических технологий.

Научная новизна работы. Способ стереоскопического измерительного дешифрирования разновременных аэро- и космических снимков при оценке динамики ледников, метод расчёта границ лавиноопасных зон заданной обеспеченности не имеют аналогов и разработаны впервые. Впервые составлены карты изменения оледенения Эльбруса за 40 и 50 лет после МГГ, рассчитан его кумулятивный баланс массы за этот период. Получены достоверные количественные данные об его эволюции за более чем 100-летний период, которые не подтверждают гипотезу об антропогенных причинах глобального потепления климата.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанные технологии картографо-аэрокосмических исследований позволяют проводить необходимый и достаточный комплекс работ для определения динамики высокогорных геосистем, получать с необходимой точностью параметры их изменений, составлять оперативные оценочные и оценочно-прогнозные карты, т. е. осуществлять дистанционный мониторинг.

Способ стереоскопического измерительного дешифрирования разновременных снимков, разработанный нами в процессе исследований, позволяет определять скорость движения льда на поверхности ледников, их пространственное изменение и позволяет выбрать наиболее рациональное расположение точек измерения за счёт визуального наблюдения этих изменений.

Модификации этого метода применялись также и для определения динамики различных стихийно-разрушительных процессов (оползней, снежных лавин и гляциальных селей).

Разработанный метод расчёта границ лавиноопасных зон заданной обеспеченности по морфометрии лавиносборов позволяет проектируемые объекты строительства в лавиноопасных районах размещать в безопасных зонах, либо обезопасить их при помощи рационально выбранных соответствующих противолавинных сооружений и мероприятий.

Методология и методы исследования. Все перечисленные задачи решались на основе полевых экспериментальных работ, проводившихся на стереофотограмметрических съемок с стационарных базисов. Обработка разновременных наземных, аэро- и космических снимков проводилась цифровыми методами. Цифровые методы использовались и при сравнении разновременных карт. При реконструкции размеров оледенения Эльбруса во время малого ледникового периода использовался лихенометрический метод.

Положения, выносимые на защиту.

1. Разработана мониторинговых исследований высокогорных геосистем.

2. Предложен и разработан способ стереоскопического измерительного дешифрирования, составляющий основу картографо-аэрокосмических технологий мониторинговых исследований.

3. Получены количественные параметры эволюции оледенения Эльбруса за 120 лет, которые показывают что современное потепление климата началось ещё в XIX в., что означает его преимущественно естественные, а не антропогенные причины.

4. Применение разработанных технологий позволило выявить особенности формирования катастрофических селей гляциального генезиса на современном этапе деградации оледенения и определить границы лавиноопасных зон заданной обеспеченности в лавиноопасных районах.

Степень достоверности и апробация результатов. Оценка достоверности результатов исследования выявила, что результаты, полученные высокоточными фотограмметрическими измерениями снимков, цифровыми методами измерения карт имеют высокую степень достоверности и подтверждаются другими независимыми исследованиями.

Основные положения диссертации были доложены на Международной конференции Интеркарто 2 в г. Иркутске 26–29 июня 1996 г.;

1 Всероссийской конференции по картографии в Москве 7–10 октября 1997 г.;

XI-XIV Гляциологических симпозиумах 1996, 2000, 2004, 2008 гг. и специализированных гляциологических симпозиумах в 1998, 2002, 2004 гг.;

международной конференции «Мониторинг криосферы» 20–23 апреля 1999 г. в Пущино;

IV Международной конференции «Устойчивое развитие горных территорий» во Владикавказе 23–26 сентября 2001 г.;

международной конференции по механизму формирования и динамике селей в Давосе, Швейцария, 10–12 сентября 2003 г.;

заседании Русского географического общества (отделение картографии и аэрокосмических методов), Москва, 25 марта 2009 г.;

научной конференции МГУ «Ломоносовские чтения», секция географии, 23 апреля 2009 г.;

международной научной конференции «Гляциология в начале XXI века», Москва, 15–16 октября 2009 г.

По теме диссертации опубликовано 99 научных трудов, из них монографии, 20 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК, 5 статей в иностранных журналах.

Глава 1. КАРТОГРАФО-АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ –

ОСНОВА МОНИТОРИНГОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ВЫСОКОГОРНЫХ ГЕОСИСТЕМ

1.1. Сущность картографо-аэрокосмических исследований природных Необходимым условием выявления глобальных закономерностей в изменении природы Земли является получение достоверной информации в любой пространственной размерности и реальном масштабе времени. Такую возможность дают материалы аэрокосмических съёмок, которые одновременно можно использовать и для решения конкретных задач.

Природа горных геосистем с интенсивными экзогенными процессами очень быстро реагирует на воздействие естественных и антропогенных факторов, к тому же а горах с современным оледенением можно получить достоверную информацию и о прошлом, что является необходимым условием для моделирования глобальных изменений. Поэтому актуальной проблемой является организация систем картографо-аэрокосмического мониторинга различных природных условий и ресурсов.

Мониторинг окружающей среды предполагает наблюдение за состоянием объекта, его оценку, прогноз развития во времени и пространстве, а также разработку системы мероприятий по фактическому использованию благоприятных факторов среды или снижению ущерба от неблагоприятных.

Аэрокосмические методы исследований позволяют решать многие задачи, связанные с оценкой состояния и динамики природных объектов, в том числе с их помощью можно изучать эволюцию и динамику ледников, что, в свою очередь, позволяет производить оценку, например, таких глобальных географических явлений, как изменение климата на Земле.

Одним из достижений лаборатории аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ является разработка принципов и методов картографо-аэрокосмического мониторинга для нужд горной гляциологии, которые основаны на многолетних исследованиях высокогорных территорий (Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И., Лабутина И.А.

Картографо-аэрокосмический мониторинг системы оледенения Эльбруса // Материалы гляциологических исследований. – 1988. – Вып. 62. С. 153-156). На современном этапе чаще применяется гляцио-картографический, или комплексный мониторинг, который подразумевает непрерывное наблюдение за массоэнергообменом ледника и периодический контроль его пространственных (площади, мощности, объёма) и динамических (скорость движения льда) параметров.

Помимо режимных гляциологических наблюдений, программа комплексного мониторинга предусматривает периодические стереофотограммметрические съёмки и геодезические измерения. На их основе составляются крупномасштабные (1:10 000 и крупнее) топографические карты ледникового бассейна, карты изменения высоты поверхности и карты скорости движения льда на поверхности ледников (Винников Л.П., Лабутина И.А. Изменение ледника Кюкюртлю на Эльбрусе за четверть века // Материалы гляциологических исследований. – 1987. – Вып. 60. С. 147-152).

Периоды между съёмками зависят от поставленной задачи. Если между съёмками проходят десятилетия, то в результате мы имеем возможность определить пространственные изменения ледников, т. е. их эволюцию, для изучения динамики иногда достаточно производить съёмки через несколько дней, исключение составляет определение скоростей движения пульсирующих ледников по космическим снимкам. Здесь интервал между съёмками может быть от года до нескольких лет.

Из всех параметров, характеризующих пространственные изменения ледника, наиболее информативным является показатель среднего изменения его толщины по всей площади ледника, определяемый по материалам разновременных стереофотограмметрических съёмок. В этом случае он характеризует баланс массы ледника за период между съёмками и может заменить прямые гляциологические массбалансовые наблюдения.

Сравнение балансовых характеристик ледника, полученных при помощи прямых гляциологических измерений, и динамических показателей ледника, полученных по материалам повторных съёмок, даёт возможность определения реакции ледника на климатические изменения.

Картографическая составляющая комплексного мониторинга ледников включает в себя три уровня наблюдения: за концом ледника, за ледником в целом, включая область питания, и за ледниковой системой, состоящей из нескольких ледников. Наблюдение за концами ледников в Приэльбрусье производилось во время 2-го Международного полярного года (МПГ) (Орешникова Е.И.

Ледники Эльбрусского района по исследованиям 1932-1933 гг. // Труды ледниковых экспедиций. Кавказ. – М., 1936. – Вып. 3. С. 239-297). Специальные режимные наблюдения и периодические стереофотограмметрические съемки ( раз в 6-7 лет) начаты на репрезентативном для Центрального Кавказа леднике Джанкуат в 1968 г. во время Международного гидрологического десятилетия (МГД) и продолжаются до сих пор (Ледник Джанкуат (Центральный Кавказ). – М.: Гидрометеоиздат, 1978. – 183 с.). Во время Международного геофизического года (МГГ), лабораторией аэрокосмических методов географического факультета МГУ была произведена фототеодолитная съемка и составлена специальнаяи 14-листная карта масштаба 1:10 000 Эльбрусской ледниковой системы, состоящей из 16 долинных ледников общей площадью более 130 км (Оледенение Эльбруса / Под ред. Тушинского Г.К. – М.: МГУ, 1968. – 344 с.).

При комплексном мониторинге ледников широко применяются методы дистанционного зондирования: наземная стереофотограмметрическая съёмка, аэро- и космическая съёмка, так что правомерно говорить о картографоаэрокосмической составляющей комплексного мониторинга.

В картографо-аэрокосмическом мониторинге принято различать съёмки базовые и текущие (Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И., Лабутина И.А. Картографо-аэрокосмический мониторинг системы оледенения Эльбруса // Материалы гляциологических исследований. – 1988. – Вып. 62. С. 153-156). Базовые съёмки завершаются составлением общегеографической базовой карты – картографической основы мониторинга, а текущие – составлением тематических карт динамики или количественных показателей темпа и интенсивности изменения ледников. К содержанию базовой карты предъявляются определенные требования. Помимо соответствующей масштабу точности подробнейшее изображение рельефа и ситуации, особенно ориентиров, которые в дальнейшем помогут совмещению текущих съёмок с базовой.

При изучении эволюции ледников картографо-аэрокосмический мониторинг дополняется использованием старых карт и проведением палеогеографических исследований в перигляциальных зонах с целью определения максимального распространения ледников в прошлом. На основе этих исследований и текущих съёмок можно прогнозировать эволюцию ледников в связи с климатическими изменениями.

1.2. Основные этапы картографо-аэрокосмических исследований высокогорных территорий на примере Приэльбрусья Приэльбрусье является уникальным высокогорным районом. Здесь расположено крупнейшее в Европе оледенение Эльбруса, инструментальное изучение которого было положено ещё в середине XIX в. Широко распространены и катастрофические склоновые процессы, снежные лавины, гляциальные сели, оползни. Некоторые ледники Эльбруса признаются пульсирующими, что не исключает их катастрофических подвижек в будущем.

Таким образом, Приэльбрусье – идеальный полигон для отработки технологий дистанционного мониторинга высокогорных территорий.

Первая инструментальная (мензульная) съёмка всего оледенения Эльбруса была выполнена отрядом Корпуса военных топографов в 1887-1890 гг. По её результатам была составлена топографическая карта масштаба 1:42 000, которая впоследствии была нами использована для изучения его динамики. 31 июля г. А.В. Пастухов впервые выполнил геодезические наблюдения с Западной вершины Эльбруса, определив высоту двухсторонним геодезическим нивелированием (5633 м), завершив, таким образом, съёмку верхней части оледенения (Пастухов А.В. Сообщение о восхождении на Эльбрус 31 июля 1890 г. // Зап. Кавказского отдела Русского геогр. общества. – Тифлис, 1893. – Кн.15, с. 22-37). Во время 2 Международного полярного года была выполнена геодезическая съёмка концов некоторых его ледников (Орешникова Е.И. Ледники Эльбрусского района по исследованиям 1932-1933 гг. // Труды ледниковых экспедиций. Кавказ. – М., 1936. – Вып. 3. С. 239-297).

Впервые для исследования динамики горных ледников (скоростей движения льда на их поверхности) была применена повторная фототеодолитная съёмка. Принципы способа псевдопараллаксов, разработанные Р. Финстервальдером (Finsterwalder R. Geschwindigkeitsmessungen an Gletscher mittels Photogrammetrie.

– Zeitschrift fur Gletscherknde, Band XIX, 1931, p. 64-72) для определения скоростей движения льда, были модифицированы Ю.Ф. Книжниковым, что позволило ему составить карты скоростей движения ледников Ирик, Кюкюртлю, Уллучиран и др., а также внутренних потоков льда на Эльбрусе во время МГГ (Книжников Ю.Ф. Исследование движения льда горных ледников стереофотограмметрическим методом. – М.: Наука, 1973. – 120 с.). К этому же периоду относятся работы И.А. Лабутиной (Оледенение Эльбруса / Под ред. Тушинского Г.К. – М.:

МГУ, 1968. – 344 с., С. 273-282) по определению пространственного изменения ледника Ирик на Эльбрусе по материалам повторных фототеодолитных съёмок в 1959-1962 гг., а также ледника Б. Азау за период 1911-1957 гг. с использованием ранее составленной карты. Последнюю работу, по-видимому, следует отнести к пионерной, когда совмещались материалы современной съёмки с ранее составленной картой с другой геодезической и математической основой и точностью.

Особенным этапом в исследованиях динамики высокогорья следует считать фототеодолитную съёмку всего оледенения Эльбруса, выполненную во время МГГ (1957-1959 гг.) лабораторией аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики географического ф-та МГУ (в то время – лаборатории аэрометодов кафедры геодезии и картографии). В результате была составлена специальная 14-листная карта оледенения Эльбруса масштаба 1:10 000, которая стала базовой для дальнейшего мониторинга Эльбруса (Лаппо (Лабутина) И.А. Карта оледенения Эльбруса. В сб.: Инф. сборник о работах геогр. ф-та МГУ по МГГ. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1963, с. 98-106).

Другое важное направление работ на Эльбрусе во время МГГ – картографо-географическое. Результаты комплексных гляциологических исследований в концентрированном виде были представлены в Атласе оледенения Эльбруса, включавшем 3 тома: фототеодолитные снимки ледников, общегеографические и тематические карты. В то время том с тематическими картами не был издан, но впоследствии часть из них, уже уточнённые, были опубликованы в Атласе снежно ледовых ресурсов Мира.

Важным этапом в исследовании динамики высокогорья являются работы по программе Международного гидрологического десятилетия (1965-1974 гг.), которые продолжаются и поныне. Особенностью этих работ являются непрерывные гляциологические измерения баланса массы ледника Джанкуат, являющегося репрезентативным для всего Центрального Кавказа, и его периодические (через 5-7 лет) фототеодолитные съёмки с последующим составлением как топографических, так и тематических карт (скоростей движения льда, изменения высоты поверхности ледника, его баланса массы и др.) в масштабе 1:10 000. То есть проводится мониторинг ледника, который мы назвали «комплексным» (Золотарёв Е.А., Поповнин В.В., Горецкий А.С., Харьковец Е.Г. Ледник Джанкуат за последние 25 лет // Вестн. МГУ, Сер. геогр.

– 1997. – № 1, с. 24-30).

В результате этого комплексного мониторинга были получены важные географические данные, а именно: 1) вычислена глубина залегания скального ледораздела между ледниками Джанкуат и Лекзыр, которая и определяет долю Джантуганского плато, являющегося областью питания ледника Джанкуат (Алейников А.А., Золотарёв Е.А., Поповнин В.В. Распознавание ледораздела на переметных ледниковых комплексах (Джантуганское плато на Кавказе). // Вестн.

МГУ, Сер. геогр. – 2002. – № 3, с. 36-43); 2) выявлено, что колебания фронта ледника зависят от баланса поступающего на язык льда из области аккумуляции вследствие движения и его расхода на языке вследствие абляции. Следовательно, в кратковременные периоды (до нескольких лет) колебания фронта ледника зависят от температуры воздуха, как основного фактора, влияющего на абляцию.

Многоснежные зимы замедляют отступание ледника, так как сокращается период таяния глетчерного льда на языке (Золотарёв Е.А., Поповнин В.В. О реакции ледника Джанкуат на изменения климата // МГИ. – 2003. – Вып. 95, с. 107-110).

Знаковым рубежом в исследовании динамики высокогорных геосистем стало создание на географическом факультете МГУ научного центра по изучению снежных лавин, селей, ледниковых катастроф – Проблемной лаборатории снежных лавин с двумя опытно-экспериментальными станциями в Хибинах и на Эльбрусе под руководством Г.К. Тушинского (Постановление Совмина РСФСР № 1004 от 16 августа 1964 г). Создаётся и получает развитие направление исследований и картографирования динамики снежного покрова и лавин, на основе применения аэро и наземной фотограмметрической съёмки (Акифьева К.В., Кравцова В.И. Опыт применения материалов аэрофотосъёмки для картографирования лавин и вечных снегов // Труды 1-го Всесоюзного совещания по лавинам. Л.: Гидрометеоиздат. 1965. С. 131-137; Брюханов А.В. Механизм и движения снежных лавин и его изучение в различных географических условиях методом специальной скоростной стереосъемки. В сб.: Снег и лавины Хибин. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1967, с. 269-334; Золотарёв Е.А. Некоторые результаты анализа распределения снега сухих лавин на конусах выноса // Вестн. МГУ, Сер.

геогр. – 1975. – № 1, с. 99-101; Золотарёв Е.А. Определение скорости сползания снега на крутых склонах фотограмметрическим методом // Склоновые процессы.

– М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979. – Вып. 3, с. 79-89.). В последние годы в исследовании ледников всё более внедряются цифровые методы обработки аэро- и космических снимков. Так, по материалам аэрофотосъёмки 1997 г. нами была составлена ортофотокарта оледенения Эльбруса в масштабе 1:10 000 (Золотарев Е.А., Харьковец Е.Г. Оледенение Эльбруса в конце XX в. (цифровая ортофотокарта Эльбруса на 1997 г.) // МГИ. – 2000. – Вып. 89, с. 175-181) (рис. 1.1).

Таким образом, в исследования динамики высокогорных геосистем всё более внедряются количественные аэрокосмические и картографические методы.

Рис. 1.1. Уменьшенный фрагмент цифровой ортофотокарты оледенения Эльбруса масштаба 1.3. Технологии картографо-аэрокосмических исследований динамики Необходимость разработки единой технологии использования карт и снимков в исследовательских целях обосновывается ещё в 80-е годы в работах К.А. Салищева (Салищев К.А. Идеи и теоретические проблемы в картографии 80-х годов. // Итоги науки и техники. Серия картография. 1982. Т. 10. 135 с.), А.М. Берлянта (Интеграция картографического и аэрокосмического методов.

Географическая картография. Взгляд в будущее. Изд. Моск. ун-та. 1980. С. 40и Б.А. Новаковского (Новаковский Б.А. Проблемы и перспективы внедрения дистанционного зондирования и фотограмметрии в географическую картографию. Географическая картография. Взгляд в будущее. Изд. Моск. ун-та.

1986. С. 141-149). Принципы совместного использования картографического и аэрокосмического методов исследования разрабатываются и в лаборатории аэрокосмических методов. На примере мониторинга системы оледенения Эльбруса показана необходимость создания «базовой» карты объекта исследования и систематического получения информации при планомерном проведении повторных наземных, аэро- и космических съёмок (Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И., Лабутина И.А. Картографо-аэрокосмический мониторинг системы оледенения Эльбруса // Материалы гляциологических исследований. – 1988. – Вып. 62, с. 153-156). Как раз получение достоверной информации о текущих изменениях объекта наблюдения и есть сущность любого мониторинга, какими бы техническими средствами он ни проводился. Впервые общее требование к достоверности получаемых результатов сформулировано достаточно жёстко:

«чтобы не принять погрешности измерений и их флуктуации за сами измеряемые величины и их изменения, нужно, чтобы определяемые величины были в 2-3 раза больше их средних ошибок, ибо в пределе они будут соразмерны» (Склоновые процессы. Выпуск 2. Фотограмметрический метод изучения склоновых процессов. Изд. Моск. ун-та. 1977. С. 70).

Используя предыдущий опыт, мы разработали схему совместного применения аэрокосмического, картографического и др. методов в исследовании динамики высокогорных геосистем и назвали её технологией картографоаэрокосмических исследований. Термин технология определяется как совокупность методов обработки, изготовления, измерения и способов их применения в процессе производства продукции (Советский энциклопедический словарь. М. 1984. С.1321-1322).

Схема технологий картографо-аэрокосмических исследований фотограмметрический Разумеется, схема не является абсолютно жёсткой, однако, по нашему мнению, может помочь проводить необходимый и достаточный комплекс работ по определению динамики высокогорных геосистем, т. е. осуществлять их дистанционный мониторинг.

На первом этапе при организации дистанционного мониторинга важно правильно определить вид съёмок – наземной (фототеодолитной), аэро- или космической. Современные космические снимки сверхвысокого разрешения, например, со спутника GeoEye (0.4 м) не уступают по точности материалам аэрофотосъёмки и решающим фактором, очевидно, будут экономические. Для локальных территорий скорее всего подойдёт наземный вид съёмок. Важен и период между повторными съёмками, который может быть от нескольких секунд (для движущейся лавины), суток (для сползающего снега) или нескольких лет (для динамики ледников).

Второй этап – преобразование (стереофотогремметрическая обработка) снимков. В зависимости от размеров территории и объекта исследования мы можем получить топографические карты, ортофотопланы, цифровые модели.

На третьем этапе происходит выявление динамики изучаемой территории, или объекта исследований и при этом важно не принять за показатели динамики стереоскопического измерительного дешифрирования разновременных снимков.

Что касается последних трёх этапов, то чёткой границы между ними нет. Прежде всего следует убедиться в достоверности полученных показателей и их соответствии существующим на данный момент теоретическим представлениям об изучаемом явлении. Например, баланс массы ледника, полученный гляциологическим методом, теоретически должен быть равен изменению объёма ледника за данный период, картографическим методами (в пределах точности измерений).

Следует подчеркнуть, что в основе всякого анализа полученных геоизображений или показателей их динамики всегда лежит их чтение и визуальное распознавание, что позволяет оптимизировать дальнейшие исследования. Методы математической статистики позволяют по выборкам полученных показателей определять средние величины и вариации, рассчитывать их вероятные значения, например, границы лавиноопасных зон заданной обеспеченности (Золотарёв Е.А. О расчёте границ лавиноопасных зон заданной обеспеченности на основе морфометрии лавинных очагов // МГИ – 1979. – Вып. 37, с. 193-198). Математическое моделирование предполагает более углублённый анализ, нежели просто вычисление количественных показателей, и определяет построение модели динамики геосистем и прогноза их дальнейшего развития. Это развитие происходит в конкретных пространственных условиях, которые отражаются на картах, т. е. можно говорить о математикокартографическом моделировании. Конечным продуктом технологии картографо-аэрокосмических исследований геосистем являются оценочные и прогнозные карты их динамики (Золотарёв Е.А. Эволюция оледенения Эльбруса.

Картографо-аэрокосмические технологии гляциологического мониторинга. М.:

Научный мир. 2009. 238 с.).

1.4. Развитие фотограмметрического метода для картографоаэрокосмических исследований горных ледников картографо-аэрокосмического мониторинга горных ледников обеспечивает решение задачи картографирования и получение значимых для целей мониторинга пространственных и динамических характеристик изучаемых объектов. Можно выделить следующие основные задачи, решаемые этим методом: определение пространственного положения ледников, в том числе установление границ ледников при стереоскопическом дешифрировании и измерении снимков высокогорных ландшафтов; определение изменения высоты поверхности ледника; определение скорости движения льда на поверхности ледника. Рассмотрим далее как происходит решение представленных задач и какое влияние на применение фотограмметрического метода для мониторинга ледников оказало общее развитие теории и техники фотограмметрии.

Создание стереофотограмметрического метода обработки снимков относится к началу XX века, тогда же появились первые фотограмметрические приборы – стереокомпаратор, а затем стереоавтограф. Соответственно определились и основные методы обработки снимков – аналитический, основанный на измерении снимков и численном решении фотограмметрических задач, и метод аналогового, в основном механического, моделирования условий съёмки при помощи специальных фотограмметрических приборов. Аналитические фотограмметрические определения являются задачами высокой вычислительной сложности, поэтому применение аналитической фотограмметрии сдерживалось отсутствием вычислительных систем, что вызывало необходимость механического моделирования фотограмметрических вычислений и, соответственно, развития фотограмметрического приборостроения. Под фототеодолитным и аэрофотоснимкам развивалась теория стереофотограмметрии, которая достигла в основном современного состояния ещё в середине прошлого века. С появлением ЭВМ, их все большем распространении, началось интенсивное применение аналитических методов, которое привело к появлению аналитических методов обработки цифровых снимков и созданию цифровых фотограмметрических систем. Соответственно, рассматривая развитие фотограмметрических методов применительно к задачам изучения ледников необходимо учитывать эти тенденции развития фотограмметрии.

До конца XX столетия для фиксации пространственного состояния горного ледника, как правило, использовали фототеодолитные съёмки, которые крупномасштабная карта, служившая для картометрических определений и основой для тематических карт. Примером является уже упомянутая выше карта Эльбрусской ледниковой системы в масштабе 1:10 000.

1.5. Составление цифровой ортофотокарты оледенения Эльбруса Современный этап характеризуется цифровой фотограмметрической обработкой наземных и аэрокосмических снимков. С ним связано появление «цифровых снимков», которые для нужд горной гляциологии пока получают в основном путём сканирования и цифровой записи материалов фотографической аэро- или фототеодолитной съёмки.

Обработку стереопар цифровых снимков выполняют с помощью цифровых фотограмметрических программных комплексов, построенных на базе вычислительных систем, в том числе и персональных компьютеров. Более подробно рассмотрим цифровой метод картографирования ледников на примере составления цифровой ортофотокарты Эльбруса по материалам аэрофотосъёмки 1997 г. (Золотарёв Е.А., Харьковец Е.Г. Оледенение Эльбруса в конце XX в.

(цифровая ортофотокарта Эльбруса на 1997 г.) // Материалы гляциологических исследований. – 2000. – Вып. 89, с. 175-181).

фотограмметрического программного комплекса, который был разработан в лаборатории аэрокосмических методов (автор Е.Г. Харьковец) на базе персонального компьютера и включал следующие основные компоненты: программный стереокомпаратор для измерения координат точек по цифровым снимкам;

программы для проведения фотограмметрических расчётов, в том числе блочной фототриангуляции; программы для автоматического измерения параллаксов и набора точек цифровой модели рельефа; стереоредактор для редактирования стереомодели и цифрования контуров при визуальном дешифрировании стереомодели, наблюдаемой на мониторе персонального компьютера с помощью жидкокристаллических затворных стереоочков; программы построения ЦМР и создания ортофотоизображения. Фотограмметрическая обработка включала измерение опорных точек, фототриангуляцию, набор точек для цифровой модели рельефа и составление ортофотоплана. Предварительно, путём записи исходных аэрофотоснимков на фотограмметрическом сканере, были получены цифровые снимки с размером пиксела 14 мкм.

Решение задачи по определению элементов ориентирования снимков и вычислению пространственных координат измеряемых точек основывалось на проведении блочной фототриангуляции с использованием большого количества опорных точек по всей площади аэрофотосъёмки, что позволило достичь точности определения координат порядка 1,5 м в плане и по высоте, достаточной для создания карты в масштабе 1:10 000 (рис. 1.1).

Основными элементами содержания созданной ортофотокарты являются ортофотоизображение с разрешением 1 м на местности, рельеф, изображаемый горизонталями с сечением 10 м и отдешифрированная граница ледников.

Картографирование рельефа проводилось с использованием в качестве промежуточных данных цифровой модели рельефа (ЦМР). Набор точек ЦМР проводился по стереопарам взаимно ориентированных снимков. Соотношение масштабов снимка и карты в среднем составляло один к пяти, поэтому для построения детального рельефа возникла необходимость набора большого количества точек. Эта задача оказалась практически осуществимой только при автоматизации стереоизмерений. Измерения затруднялись большим перепадом высот в пределах стереопар (разность параллаксов доходит до 80% величины поперечного перекрытия снимков) и малой степенью детальности заснеженной поверхности, особенно в областях высокой фотографической плотности негативов исходных аэрофотоснимков. Тем не менее, 96% точек ЦМР получено путем автоматического измерения параллаксов. Остальные точки были набраны во время визуального контроля результатов измерений, проводившегося с помощью стереоредактора после обработки каждой из стереопар. Общее количество измеренных точек составляет около 1 000 000 на всю обрабатывавшуюся территорию. Полученная ЦМР использовалась для построения горизонталей и при ортотрансформировании аэрофотоснимков.

Границы оледенения проводились в режиме визуального дешифрирования при стереоскопическом рассмотрении снимков, увеличенных в стереоредакторе приблизительно до масштаба 1 : 5 000, что дало возможность изобразить их достаточно подробно. При определении границ оледенения использовались методы дешифрирования высокогорных ландшафтов, разработанные в лаборатории аэрокосмических методов во время составления карты оледенения Эльбруса (Оледенение Эльбруса / Под ред. Тушинского Г.К. – М.: МГУ, 1968. – 344 с.).

Дополнительно в границы оледенения включались и не показанные на карте 1957-1959 гг., покрытые сплошным моренным чехлом льды на концах языков некоторых ледников (Большой Азау, Уллучиран), которые в то время считались мёртвыми.

Мониторинг окружающей среды предполагает наблюдение за состоянием объекта, его оценку, прогноз развития во времени и пространстве, а также разработку системы мероприятий по фактическому использованию благоприятных факторов среды или снижению ущерба от неблагоприятных.

Для нужд горной гляциологии на современном этапе чаще применяется гляциокартографический или комплексный мониторинг, который подразумевает непрерывное наблюдение за массоэнергообменом ледника и периодический контроль его пространственных (площади, мощности, объёма) и динамических (скорости движения льда) параметров.

При комплексном мониторинге ледников широко применяются методы дистанционного зондирования: наземная стереофотограмметрическая съемка, аэро- и космическая съемки, так что правомерно говорить о картографоаэрокосмической составляющей комплексного мониторинга.

В картографо-аэрокосмическом мониторинге принято различать съёмки базовые и текущие. Базовые съёмки завершаются составлением общегеографической базовой карты – картографической основы мониторинга, а текущие – составлением тематических карт динамики или количественных показателей темпа и интенсивности изменения ледников.

дополняются использованием старых карт и проведением палеогеографических исследований в перигляциальных зонах с целью определения максимального распространения ледников в прошлом. На основе этих показателей и текущих съёмок можно прогнозировать эволюцию ледников в связи с климатическими изменениями. Подробнее этот вопрос изложен в главах 3 и 4.

До конца ХХ столетия для фиксации пространственного состояния горного оледенения, как правило, использовали фототеодолитные снимки, которые обрабатывались на стереоавтографе; результатом была детальная крупномасштабная карта, служившая для картометрических определений и основой для тематических карт.

Современный этап характеризуется цифровой фотограмметрической обработкой наземных и аэрокосмических снимков. С ним связано появление «цифровых снимков», которые для нужд горной гляциологии пока получают в основном путем сканирования и цифровой записи материалов фотографической аэро- или фототеодолитной съёмки. В последнее время появилась возможность получения цифровых космических стереоснимков высокого разрешения.

Глава 2. СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ

ДЕШИФРИРОВАНИЕ РАЗНОВРЕМЕННЫХ СНИМКОВ

ПРИ МОНИТОРИНГЕ ВЫСОКОГОРНЫХ ГЕОСИСТЕМ

2.1. Проблема совмещения материалов разновременных съёмок при мониторинге динамики природных объектов Как было отмечено выше, особое значение при мониторинге ледников имеет решение задачи определения изменения высоты поверхности ледника.

Традиционно используются картометрические способы определения изменения высоты по разновременным картографическим материалам. Однако, большая трудоёмкость картографирования ледников на основе материалов фототеодолитной съёмки или аэрофотоснимков и стремление повысить точность определения изменений за счёт использования непосредственных материалов повторных съёмок без предварительного создания по ним карт вызвали необходимость искать новые пути, обратившись к непосредственному совмещению материалов повторных съёмок на универсальных приборах. При таком способе стереопары повторной съёмки ориентировались по картам, составленным по более ранним съёмкам. Измерения проводились при наведении визирного устройства координатографа на горизонталь карты или узел регулярной сетки и одновременном наведении марки стереоавтографа на поверхность стереомодели. Наведение на горизонталь исключает необходимость интерполяции рельефа по карте. Измерения в узлах регулярной сетки, напротив, предусматривают такую интерполяцию, но могут быть предпочтительнее при необходимости восстановления непрерывной поверхности изменения высоты.

Обе разновидности этого способа позволяют определять изменения высоты точнее, чем картометрическими способами. Такая работа была выполнена для определения изменений ледников Эльбруса за 1957-1987 гг. (Золотарёв Е.А.

Изменения ледников Эльбруса в последнем столетии // Материалы гляциологических исследований. – 1997. – Вып. 83, с. 146-153). Стереопары съёмки 1986-1987 гг. ориентировались непосредственно по базовой карте 1957гг., которая позволяла это сделать благодаря подробному изображению на ней рельефа и ситуации. Изменение высоты поверхности H определялось по точкам регулярной сетки 100100 м на местности с контролем по точкам на неизменившихся склонах. В некоторых случаях для выявления особенностей изменения высоты поверхности сетка сгущалась. Результаты этих исследований изложены ниже, в разделе об эволюции оледенения Эльбруса.

Высокая трудоёмкость способа и его ограничения, связанные с недостаточными техническими возможностями совмещения повторных снимков и карт, определили необходимость перехода к аналитическим способам обработки снимков. Предпринимались попытки определения изменения высот путем сравнения ЦМР, построенных по разновременным стереопарам.

Экспериментально было установлено, что при наборе точек по регулярной или какой-либо произвольной сетке, при использовании структурных линий или каких-либо других способов детализации поверхностей, полученных по независимо измеряемым стереопарам, не удается значительно повысить точность определений, а аналитически полученная поверхность изменений существенно отличается от реальной. Выход был найден в проведении согласованных измерений стереопар – в одних и тех же точках с предварительно заданными плановыми координатами (Золотарёв Е.А., Харьковец Е.Г.

Применение методов автоматизированного картографирования и цифровой фотограмметрии для мониторинга ледника Джанкуат в Приэльбрусье // Интеркарто 2: ГИС для изучения и картографирования окружающей среды.

Материалы международной конференции (Иркутск, 26-29 июня 1996 г.). – 1996, с. 90-92). В этом случае значение изменения высоты в точке получают непосредственно, без промежуточных интерполяций, с существенно более высокой точностью, обеспечиваемой применением аналитических способов. При необходимости расположение точек может соответствовать узлам регулярной сетки в плановой системе координат. Реализация этого способа стала возможной после появления стереокомпараторов, передающих значения измеряемых координат снимков непосредственно на вычислительную систему, что позволяет при известных элементах внешнего ориентирования снимков производить взаимный пересчёт координат снимков и местности непосредственно во время наведения стереоскопической марки на поверхность ледника. Таким образом корректируются координаты марки и достигается её положение на поверхности ледника в точке с необходимыми плановыми координатами. Этот способ был также применен нами при изучении накопления снега в лавиносборах.

В настоящее время для получения показателя изменения высоты поверхности ледников мы использовали разновременные ЦМР, которые были получены путем цифрования топографических карт 1887 и 1957 гг. и при цифровой обработке аэрофотоснимков 1979 и 1997 гг. При этом все ЦМР были построены в единой системе координат, что значительно облегчало их совмещение.

2.2. Сущность метода стереоскопического измерительного дешифрирования и схема обработки разновременных снимков при его использовании Сравнение материалов повторных съёмок может идти несколькими путями. Наибольшее распространение получило сравнение топографических карт, составленных по снимкам или без них, т. е. методы картометрии. Этот метод даёт ряд важных количественных показателей изучаемых процессов: изменения площади, высоты поверхности, объёмов, линейных размеров, формы, пространственного размещения. Существенным недостатком разновременных карт является, как правило, неодинаковая математическая и геодезическая основа и точность, а также разное содержание, ограниченное принятыми в момент их создания нормами, методами и научными представлениями. К тому же само составление карт – процесс достаточно трудоёмкий, а значимые изменения объекта наблюдения, определяемые достоверно, иногда могут происходить только в незначительной его части, что предопределяет низкий коэффициент полезного действия при сравнении разновременных карт. Отсюда и стремление к разработке таких методов и способов их применения, которые могли бы выявить именно изменившиеся части наблюдаемого объекта, которые и следует затем измерять.

Нами разработана такая технология, которая позволяет выявить изменившиеся объекты наблюдения непосредственно при сравнении разновременных снимков, минуя составление карт (схема 2). Изменение наблюдаемого объекта может происходить: 1) за счёт смещения его поверхности, например, при оползневых процессах на склоне или в результате движения льда на поверхности ледника; 2) за счёт изменения формы – при деградации или, наоборот, наступании ледника, сходе лавины в лавиносборе; 3) за счёт того и другого фактора, что чаще всего и происходит. При разработке нового способа мы опирались на известные и широко апробированные способы: 1) способ псевдопараллаксов для изучения движения ледников (Finsterwalder R. Geschwindigkeitsmessungen an Gletscher mittels Photogrammetrie. – Zeitschrift fur Gletscherknde, Band XIX, 1931, p. 64-72);

2) его модифицированный вариант (Книжников Ю.Ф. Исследование движения льда горных ледников стереофотограмметрическим методом. – М.: Наука, 1973.

– 120 с.); 3) способ эпиполярных смещений для изучения движения осыпей и оползней на склонах (Никулин Ф.В. Новый метод изучения механизма и скорости движения чехла обломков на крутых склонах // Вестн. МГУ, Сер. геогр. – 1975. – № 3, с. 82-88; Никулин Ф.В., Федоренко В.С. Характерные особенности смещения крупных оползневых массивов. – Формирование оползней, селей и лавин. Инженерная защита территории. – М., 1987, с. 64-79). Новый способ получил рабочее название Стереоскопическое измерительное дешифрирование разновременных снимков. Его сущность состоит в том, что при стереоскопическом рассмотрении разновременных снимков изменившиеся части наблюдаемого объекта воспринимаются наблюдателем объёмно на плоском фоне неизменившихся. При этом измеряются только изменившиеся части. Способ предполагает достаточную обзорность и может применяться при работе как с наземными, так и с аэро- и космическими снимками. Периоды между съёмками также могут варьироваться достаточно широко: секунды – для движущейся лавины; сутки – для сползающего снега на лавиноопасном склоне (при наземной съёмке); годы – для изучения движения ледника (при аэро- и космической съёмке).

Стереоскопическое измерительное дешифрирование Предварительная фотограмметрическая обработка разновременных снимков, построение разновременных ЦМР Ортофототрансформирование разновременных снимков Приведение разновременных ортофотоизображений к Стереоскопическое наблюдение разновременных ортофотоизображений, выбор наиболее рациональных точек наблюдений и их стереофотограмметрические измерения Вычисление количественных показателей изменений Например, при изучении динамики ледников оцениваются две составляющие: 1) движение льда на поверхности ледника; 2) пространственное изменение ледника. Каждую из этих составляющих можно обнаружить и измерить при помощи способа стереоскопического измерительного дешифрирования разновременных снимков. В данном случае рекомендуется использовать материалы аэро- или космической съёмки с периодом между съёмками от одного года до нескольких лет (схема 3).

Варианты применения стереоскопического измерительного дешифрирования разновременных снимков при мониторинге горных ледников При этом стереопару, составленную из разновременных аэрофотоснимков, в идеальном виде мы, как правило, получить не можем, поскольку при повторной съёмке невозможно оказаться точно в той же точке, что и в предыдущей. Практически можно составить стереопару с так называемого пространственно-временного базиса (Книжников Ю.Ф. Исследование движения льда горных ледников стереофотограмметрическим методом. – М.: Наука, 1973.

– 120 с.), то есть когда повторный снимок получен с другой точки пространства.

Это приводит к тому, что параллаксы смещения суммируются с обычными, возникающими из-за рельефа при несовпадении точек съёмки. Для выделения параллаксов смещения из суммарных и вычисления, таким образом, величины смещения поверхности ледника разработаны различные измерительные методы разновременным аэрофотоснимкам // Геодезия и картография. – 1991. – № 12, с.

17-20), которые всё же не предполагают дешифрирования стереомодели смещения.

Разновременные снимки при способе измерительного дешифрирования обрабатываются в два этапа. На первом с применением методов цифровой фотограмметрии производится построение неискажённой стереомодели смещения, для чего предварительно выполняется ортофототрансформирование повторных снимков, которое ликвидирует искажения масштаба стереомодели, обусловленные наклоном снимка и рельефом местности, и позволяет получить изображение в удобном для работы масштабе. Особенностью второго этапа является возможность проводить одновременное дешифрирование и измерение стереомодели смещения на относительно простых приборах, позволяющих выполнять измерения параллакса смещения, например, стереокомпараторах. При этом следует помнить о необходимости разворота снимков, при котором направление движения ледника было бы параллельным глазному базису.

2.3. Применение стереоскопического измерительного дешифрирования при оценке динамики различных природных процессов в высокогорье 2.3.1. Определение скорости сползания снега на лавиноопасном склоне Исследования по сползанию снега осуществлялись на основании экспериментальных работ (Королёв А.И. Медленное сползание снега на склоне // Труды 1 Всесоюз. совещания по лавинам. – Л.: Гидрометеоиздат, 1965, с. 40-42), разрабатывались датчики для определения скорости сползания снега (Багов Гидрометеоиздат, 1977. – Вып. 37, с. 40-42; Берри Б.Л., Суханов Л.А. Датчики для регистрации физических параметров и процессов в лавинных очагах. В сб.:

Снежные лавины (прогноз и защита). – М.: Изд. Моск. ун-та. 1974, с. 118-124).

Однако, применение этих методов ограничивается недоступностью лавиносборов в зимнее время, а также тем, что датчики, устанавливаемые в лавиносборах, быстро выходят из строя после первых же сошедших лавин. В связи с этим несомненный интерес вызывает возможность дистанционного определения скорости сползания снега с помощью фотограмметрического метода.

Сведений об исследовании скорости сползания снега методом наземной фотограмметрии в литературе не встречается. Автором были использованы новейшие разработки лаборатории аэрокосмических методов Географического высокогорных географических исследованиях, которые привели к получению новых данных в изучении движения таких природных явлений как оползни, осыпи (Никулин Ф.В. Новый метод изучения механизма и скорости движения чехла обломков на крутых склонах // Вестн. МГУ, Сер. геогр. – 1975. – № 3, с.

82-88).

стереоскопическом наблюдении снимков, полученных с одной и той же точки при повторных съёмках (способ псевдопараллаксов или смещений). При этом стереоскопической модели, дешифрирование которой, наряду с измерением является основным способом использования повторных снимков. Для того, чтобы получать устойчивый стереоэффект смещения, Ф.В. Никулиным было предложено производить взаимное ориентирование снимков по линиям движения на них, то есть разворачивать снимки в своей плоскости на некоторый угол. Это даёт возможность применять фронтальную съёмку для изучения таких процессов на крутых склонах, как движение оползней, осыпей, лавин, сползание снега.

В данном разделе рассматривается применение способа стереоскопического измерительного дешифрирования для определения величины скорости сползания снега перед сходом лавины (Золотарёв Е.А. Определение скорости сползания снега на крутых склонах фотограмметрическим методом // Склоновые процессы. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979. – Вып. 3, с. 79-87).

Экспериментальная съёмка производилась 23-27 декабря 1973 г. с интервалом в 24 часа с постоянно закреплённых штативов. Снимался склон южной экспозиции, крутизной 47°, в районе Эльбрусской станции МГУ. декабря через два часа после съёмки со склона сошла лавина (рис. 2.1).

Появилась возможность проследить изменение скорости сползания снега перед сходом лавины.

Рис. 2.1. Сползание снега на лавиноопасном южном склоне Эльбруса: а) до схода лавины, б) Обработка материалов производилась с использованием в качестве измерительного прибора стекометра. Остановимся подробнее на методике измерений.

Основным отличием стереомодели смещения движущегося снега от подобных динамических стереомоделей ледников, оползней и осыпей является её очень малая контурность, поэтому опознать измеренные точки при наблюдении на обычной или суммарной стереомодели можно только по координатам снимка. В связи с этим возникает вопрос точного взаимного ориентирования при развороте снимков по линиям движения. Предложенный Ф.В. Никулиным (Никулин Ф.В. Новый метод изучения механизма и скорости движения чехла обломков на крутых склонах // Вестн. МГУ, Сер. геогр. – 1975. – № 3, с. 82-88) способ, связанный с вычислением угла разворота и пересчетом координат неудобен из-за большого количества дополнительных вычислений, которые к тому же могут являться и источником дополнительных ошибок.

Поэтому нами была разработана методика измерений снимков на стекометре, где разворот снимков осуществляется оптическим путем. Для исключения систематической ошибки измерение параллакса смещения производилось при прямом и обратном стереоэффекте, которого добиваются только путем оптического разворота снимков.

Так как из-за особенностей конструкции счетного механизма на стекометре нельзя выставлять марку на заранее известные координаты, что нам необходимо было при обработке обычной стереопары, то мы предлагаем способ измерений при помощи сетки, нанесенной на прозрачную основу.

Обрабатываются последовательно модели 1) смещения с левой точки А1А 2) обычная А1В 3) суммарная А1В Сетка подкладывается под левый снимок (А1), который устанавливается на левый снимкодержатель. Координатные линии снимка ориентируются относительно определённых линий сетки. На правый снимкодержатель кладётся снимок (А2) и производится взаимное ориентирование стереопары смещения (А1А2). Затем осуществляется совместный оптический разворот изображения стереомодели до получения наилучшего стереоэффекта. В результате получаем стереомодель смещения с наложенным на неё изображением сетки. При этом производится её дешифрирование и измерение. В нашем случае разворот был близок к 90°, поэтому основная часть смещения измеряется по счётчику РY.

Нулевой отсчёт по этому счётчику устанавливается на неподвижные предметы вблизи наблюдаемого объекта; начальные отсчёты по счётчику Х на оси ZZ снимка, по счётчику Y – на метке объектива. Счётчик РХ при этом способе в работе не участвует. Визирование марки производится на узлы сетки. Если в результате изменения направления движения в пределах стереопары стереоэффект ухудшается, то следует повторить оптический разворот и продолжить наблюдения.

После наблюдения стереопары смещения левый снимок оставляют без изменения, а на правый снимкодержатель ставится снимок В1 и производится обработка нормальной стереопары (А1В1) по тем же узлам сетки, что и в первом случае. При этом снимаются только отсчеты горизонтального параллакса (РХ).

Отсчёты по оси Х остаются без изменений, по оси Z меняются на величину вертикального параллакса, обусловленного разными абсолютными высотами левой и правой точек съёмок. В силу особенности конструкции измерение координат по оси Z снимка на стекометре производится не на левом, как на стереокомпараторе, а на правом снимке. Поэтому для вычисления координат точек, в которых производится измерение смещения, в нашем случае следует пользоваться отсчётами Х и Y по стереопаре (А1А2) и отсчётом РХ по стереопаре (А1В1).

Следующий этап – обработка суммарной стереопары. Левый снимок попрежнему остаётся без изменения, а на правый снимкодержатель ставится снимок В2. При обработке стереопары (А1В2) также измеряется только горизонтальный параллакс, который в этом случае равен геометрической сумме обычного параллакса и параллакса смещения (РХ+РSX). Параллакс смещения по горизонтальной оси для левой точки (РSX) вычисляется как разность горизонтальных параллаксов стереопар (А1В1) и (А1В2).

классического способа псевдопараллаксов (способ двух моделей смещения), которые можно привести к виду Здесь x1, z1 – координаты точки наблюдения на левом снимке первой стереопары смещения;

Р – продольный параллакс этой точки;

x1, z1 – смещения вдоль координатных осей снимка на левой стереомодели смещения;

x = x 2 x1 – разность смещений на левой и правой стереомоделях смещения по оси Х;

M= = – знаменатель масштаба изображения на снимке в точке наблюдения;

В – базис фотографирования;

f – фокусное расстояние камеры.

Как видно из этих формул, для определения составляющих необходимо знать величину x – разность горизонтальных параллаксов смещения на левой и правой стереомоделях смещения. Эта разность получается за счёт изменения отстояния до определяемой точки и её положения на снимке. Однако, в практическом отношении эта величина, равная в нашем случае, при обработке фронтальной съёмки, в среднем – 0,01 мм лежит на пределе точности измерений даже на стекометре. Поэтому для расчёта нами был разработан следующий метод.

В работе Ю.Ф. Книжникова (Книжников Ю.Ф. Исследование движения льда горных ледников стереофотограмметрическим методом. – М.: Наука, 1973.

– 120 с.) рассмотрено соотношение отстояний нормальной и суммарной стереомоделей.

PSX PSX

отношению параллакса смещения по оси Х к горизонтальному параллаксу суммарной стереомодели характеризует деформацию координат точки смещения и может быть названа коэффициентом деформации (КД). Наибольшую деформацию получает отстояние, действие же этого коэффициента на другие координаты сказывается лишь на краях снимка. Определение коэффициента деформации КД по измерениям горизонтального параллакса обычной и суммарной стереомоделей весьма надёжно, так как практически зависит только от точности стереоскопического визирования и показателя съёмки. Введём этот коэффициент вместо смещения будут выглядеть таким образом:

Здесь Х и Z – координаты точки наблюдения на левом снимке;

РSX и РSZ – параллаксы смещения вдоль координатных осей левой стереопары смещения;

Р – горизонтальный параллакс точки наблюдения на обычной стереопаре (А1В1);

Y – отстояние;

f – фокусное расстояние камеры;

S – перемещение.

Так как для крутых склонов абсолютная величина смещения при фронтальной съёмке определяется через вертикальную составляющую точнее, чем по всем трём координатам, то в практической работе использовались формулы:

где – средний угол наклона склона, вычисляемый непосредственно по фотограмметрическим координатам в окрестности точки.

Представляется целесообразным в практической работе производить обработку снимков комбинированным способом, наблюдая стереопару смещения на стекометре, а обычную и суммарную стереопары – на стереокомпараторе, индентифицируя точки наблюдения по координатам снимка.

В этом случае точки наблюдения выбираются не случайно (в узлах сетки), а целенаправленно, руководствуясь обликом стереомодели смещения.

Абсолютная величина смещения S, полученная по формулам (2.3), может быть результирующей двух составляющих. Одна из них – собственно величина смещения по наклонной поверхности, а другая – изменение высоты поверхности снега под влиянием абляции или уплотнения. Эта величина может быть определена сравнением двух разновременных стереомоделей. При обработке на стекометре показателем изменения высоты поверхности являются изменения отсчётов горизонтального параллакса, что влечёт за собой изменение фотограмметрических координат определяемой точки. Методика измерения высоты поверхности изложена в предыдущем разделе. И в этом случае преимущество остаётся за комбинированным способом, так как изменение высоты снега на стереокомпараторе определяется непосредственно в наблюдаемой точке. Наши исследования доказали, что высота снега, измеренная на снимках при обработке стереопар бесснежной и заснеженной поверхностей, определяется с ошибкой порядка 0,10 м при отстоянии съёмки до 1,5 км.

Учитывая, что в нашем случае обе поверхности являются ровными и отстояние равно 300 м, можно с уверенностью измерять изменение высоты снега ( h ) в 0,05 м. Найденную величину h необходимо вычитать из вертикальной составляющей смещения и затем уже определять S. Практически по результатам измерений за трое суток в период с 23 по 26 декабря изменения высоты снега не произошло. Это хорошо согласуется и с метеорологическими данными. Съёмка проводилась спустя две недели после снегопада и уплотнение снега уже произошло, а отрицательные среднесуточные температуры воздуха препятствовали абляции.

На рис. 2.2 показана эпюра скоростей сползания поверхности снега за интервалы 23-24.12.1973 г., 24-25.12.1973 г., 25-26.12.1973 г. на участке склона длиной около 60 м и средней крутизны 47°. Толщина снежного пласта 1,1 м.

Подстилающая поверхность представляет собой травянистый покров.

Распределение скоростей за первый и второй интервал практически аналогично.

Равны и средние скорости 0,33 м/сутки (или 1,4 см/час). За последний интервал (за сутки перед сходом лавины) скорости резко возросли. Средняя скорость на участке составила 0,78 м/сутки или 3,2 см/час. Нулевая скорость на точке № объясняется смещением линии отрыва снежного пласта. Уменьшение скорости на участке между S, м 30 и 40 м во всех трёх интервалах времени связано скорее всего с резким уменьшением угла наклона склона, который здесь составляет 31°.

Несмотря на то, что в дальнейшем угол наклона снова увеличивается, скорость сползания быстро затухает, что, возможно, связано с подпором слоев снега, упиравшихся в конус выноса сошедшей ранее лавины. В общем виде эпюра скоростей сползания снега напоминает пульсации скоростей переднего фронта движущейся лавины (Брюханов А.В. Механизм и движения снежных лавин и его в различных географических условиях методом специальной изучение скоростной стереосъемки. В сб.: Снег и лавины Хибин. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1967, с. 269-334). О пульсирующем характере упоминает и А.И. Королёв (Королёв А.И. Медленное сползание снега на склоне // Труды 1 Всесоюз.

совещания по лавинам. – Л.: Гидрометеоиздат, 1965, с. 40-42), определявший медленное сползание снега к А основе.

Отрыв снежного пласта произошёл по всей длине участка, где наблюдалось сползание снега (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Эпюра скоростей сползания снега на лавиноопасном склоне 1-3 – скорости, м/сутки: 1 – 23-24 декабря 1973 г.; 2 – 24-25 декабря; 3 – 25-26 декабря; 4 – Для контроля правильности измерений на 6 точках из 12 удалось отнаблюдать смещение на стереопаре 23-26 декабря, которая является результирующей смещения за 3 суток. Результаты приведены в таблице 1.

Контрольные измерения смещений по разным интервалам времени № точек квадратической ошибкой ±0,005 м, вычисляемой по формуле:

Однако, в нашем случае эта величина фактически характеризует только Абсолютные величины смещения могут иметь систематическую ошибку за счёт ошибки в определении угла наклона склона, которая может достигать, по экспериментальным данным, 2-3°. Для выявления этой ошибки по 10 точкам смещения были вычислены дважды:

1) по строгим формулам с учетом всех 3-х координат (S1);

2) по вертикальной составляющей смещения и углу наклона (S2).

Результаты, приведенные в таблице 2, действительно показывают наличие систематической ошибки в сравнении двух способов.

Сравнение смещений, определённых по формулам 2.2 и 2. Средняя квадратическая ошибка, рассчитанная по формуле (2.4), дает величину ±0,022 м. Именно она и характеризует полученные нами результаты. С учётом этого можно сказать, что с относительной ошибкой не более 10% фотографическим методом можно мерить смещения поверхности снега по абсолютной величине порядка 20 см.

Инженерная защита от лавин предполагает точное измерение скорости движения лавин. Впервые инструментальное измерение скоростей лавин в движении осуществил А.В. Брюханов (Брюханов А.В. Механизм и движения снежных лавин и его изучение в различных географических условиях методом специальной скоростной стереосъёмки. В сб.: Снег и лавины Хибин. – М.: Издво Моск. ун-та, 1967, с. 269-334). Сущность его метода заключается в синхронной съёмке движущейся лавины двумя аэрофотоаппаратами АФА-39, снабжёнными ориентирующими устройствами, приспособленными для наземного фотографирования и находящимися на разных концах базиса съёмки.

Съёмочный комплект был спроектирован, изготовлен и отъюстирован в лаборатории аэрокосмических методов (в то время – аэрометодов кафедры картографии и геодезии).

Материалы съёмок в Хибинах и в Средней Азии позволили выявить важную особенность движения лавин – пульсирующий характер их скорости, причем характер пульсации напрямую зависел от высоты переднего фронта лавины. Объяснения этому феномену найдено не было.

В феврале 1974 г. В.А. Самойлов в Хибинах с помощью такого же комплекта аппаратуры для синхронной съёмки заснял три лавины.

Максимальные скорости первой лавины составили 38,2 м/сек, второй – 36, м/сек, третьей – 29,8 м/сек, причём наблюдались они при выходе из зоны транзита в зону отложений. Здесь также наблюдалась пульсация скорости, наиболее чётко у третьей лавины (Самойлов В.А. Стереофотограмметрическая съёмка движущихся лавин в Хибинах // Материалы гляциологических исследований. – 1976. – Вып. 28, с. 128-133).

29 марта 1989 г. нами была осуществлена съёмка лавины в движении в Приэльбрусье с помощью той же аппаратуры, что и в Хибинах (рис. 2.3).

Максимальная скорость, которая была зафиксирована, составляет 30,7 м/сек.

Процесс движения фиксировался только в зоне отложения (выше аппаратура объект съёмки просто не захватывала). Пульсация скорости составляла до 20% (Рис. 2.4). Мы попытались объяснить этот феномен. В процессе обработки материалов съёмки способом стереоскопического измерительного дешифрирования в характерных точках микрорельефа поверхности лавины было замечено, что движущаяся лавина состоит из нескольких потоков. Головной поток притормаживает, захватывая новые порции снега. В результате следующий поток догоняет головной и гораздо большая масса снега концентрируется вблизи переднего фронта лавины, в результате чего его скорость снова увеличивается. Об этом можно было догадаться по материалам фототеодолитной съёмки 9 февраля 1970 г. Лавина была заснята всего через несколько часов после её схода и микрорельеф поверхности в зоне отложений представляет собой как бы застывшие волны (рис. 2.5). На другой день, после снегопада, который продолжался всю ночь, об этом микрорельефе уже ничего не напоминало (рис. 2.6). Как правило, большинство лавин сходит во время снегопада, поэтому случай со съёмкой 9 февраля 1970 г. является уникальным.

Рис. 2.3. Стереопары лавины в движении в зоне отложений лавиносбора №2 сев. склона г.

Чегет 29 марта 1989 г.: а) спустя 10 сек. после начала съёмки; б) спустя 15 сек.

Рис. 2.4. Скорость движения переднего фронта лавины 29 марта 1989 г.: 1 – профиль подстилающей поверхности движения лавины; 2 – эпюра скоростей движения лавины Рис. 2.5. Поверхность лавинных отложений через несколько часов после схода 9 февр. 1970 г.

Рис. 2.6. Та же поверхность 10 февраля 1970 г. после снегопада 2.4. Особенности стереоскопического измерительного дешифрирования при Рассмотрим подробнее наиболее сложную задачу, решаемую с помощью метода стереоскопического измерительного дешифрирования при обеспечении мониторинга ледников – определение скорости движения льда. Используемые здесь методы практически не имеют аналогов в классической фотограмметрии и во многом отражают специфику динамики ледников, являющейся результатом сложного взаимодействия процессов перемещения и абляции ледниковой поверхности. Несмотря на то, что различными исследователями было предложено большое количество методик определения скоростей, задача ещё далека от окончательного решения.

Первоначально для определения суточных скоростей движения льда (их горизонтальной составляющей) использовались материалы повторных псевдопараллаксов, предложенным Р. Финстервальдером (Finsterwalder R.

Geschwindigkeitsmessungen an Gletscher mittels Photogrammetrie. – Zeitschrift fur Gletscherknde, Band XIX, 1931, p. 64-72). Модификация этого способа (Книжников Ю.Ф. Исследование движения льда горных ледников стереофотограмметрическим методом. – М.: Наука, 1973. – 120 с.) расширила его возможности и позволила впервые составить карту скоростей движения льда для всего оледенения Эльбруса в период МГГ (Оледенение Эльбруса / Под ред.

Тушинского Г.К. – М.: МГУ, 1968. – 344 с.).

При этом способе съёмка ледника производится с некоторым интервалом времени фототеодолитом с закрепленных точек, причем фототеодолитные станции располагают на бортах долины так, чтобы ось камеры была приблизительно перпендикулярна направлению движения льда. В этом случае при общепринятом ориентировании разновременных снимков на стереоприборе горизонтальная составляющая смещения поверхности ледника оказывается вдоль глазного базиса и её можно измерить, используя стереоэффект смещения.

Однако, существуют достаточно большие трудности измерения смещений по снимкам этим способом. Стереоэффект смещения можно наблюдать лишь в ограниченной зоне вокруг точки наблюдения. Основной причиной нарушения стереоэффекта считают абляцию льда, так как зачастую невозможно бывает отнаблюдать стереопару смещения, составленную из снимков с интервалом съемки более недели (Книжников Ю.Ф. Исследование движения льда горных ледников стереофотограмметрическим методом. – М.: Наука, 1973. – 120 с.). С нашей точки зрения здесь действует комплекс причин, среди которых абляция не является основной.

Поскольку фототеодолитная съёмка для определения смещений, как правило, производится с недостаточно возвышенных и, следовательно, близко расположенных базисов, то изображение ледника на снимке получается в очень крупном масштабе, что ограничивает поле зрения стереоизображения перемещения поверхности ледника. При этом в стереоизображении появляются мёртвые зоны и близко располагаются точки с большим перепадом величин смещения. Если к этому добавить неизбежные различия в качестве снимков из-за разных условий съемки и фотолабораторной обработки, то и без учёта абляции достаточно факторов для нарушения стереоэффекта смещения при наблюдении стереопары, составленной из разновременных снимков.

короткопериодических (с интервалом в несколько суток) горизонтальных составляющих смещений, которые не могут служить основой для получения среднегодовых скоростей вследствие их значительных колебаний в различное время года (Цветков Д.Г., Соротокин М.М. Колебания скорости движения ледника Медвежьего в период его восстановления (1974-1979) // Материалы гляциологических исследований. – 1981. – Вып. 41, с. 133-142.).

Чисто измерительные функции, придаваемые здесь фотограмметриическому способу определения перемещения поверхности ледника, на наш взгляд, не дают ему преимущества перед геодезическим. Скорее наоборот, в последнем случае можно получить полный вектор перемещения точки на поверхности ледника (Цветков Д.Г. Проблемы натурного определения скорости перемещения изохронной поверхности ледников // Материалы гляциологических исследований. – 1983. – Вып. 47, с. 111-121), в то время как в первом – только его горизонтальную составляющую. При этом сохраняются те же затруднения при воссоздании общей картины из-за дискретности точек.

Между тем, большой объём дополнительной информации может принести дешифрирование стереомодели перемещения объекта, если удается получить устойчивый стереоэффект. В лаборатории аэрокосмических методов Ф.В.

Никулиным был разработан метод изучения механизма движения осыпей и оползней, при котором применяется фронтальная фототеодолитная съёмка с обзорных, высоко расположенных базисов (Никулин Ф.В. Новый метод изучения механизма и скорости движения чехла обломков на крутых склонах // Вестн. МГУ, Сер. геогр. – 1975. – № 3, с. 82-88; Никулин Ф.В., Федоренко В.С.

Характерные особенности смещения крупных Формирование оползней, селей и лавин. Инженерная защита территории. – М., 1987, с. 64-79).

При этом в пределах стереопары находится не только движущийся объект, но и окружающие его неподвижные склоны. На фронтальных снимках линии движения обычно расположены или параллельно главной вертикали или, что гораздо чаще, под некоторым углом к ней. Полный параллакс перемещения, соответствующий линии движения, при обычном ориентировании снимков (по координатным маркам) образует две составляющие – продольный (горизонтальный) и поперечный (вертикальный) наблюдаемые параллаксы перемещения. Поперечный параллакс мешает стереоскопическому восприятию, а поскольку при фронтальной съёмке он составляет большую часть от полного параллакса смещения, то при обычном ориентировании снимков стереоэффекта смещения можно и не увидеть.

максимально четкий устойчивый стереоэффект, Ф.В. Никулин предложил развернуть снимки в своей плоскости так, чтобы линии движения были примерно параллельны глазному базису. Использование дешифровочных и измерительных стереоскопических приборов позволяющих осуществлять разворот снимков оптическим путём, не нарушая их взаимного ориентирования, (интерпретоскоп, стекометр) значительно упрощает технологию обработки. При этом стереомодель смещения объекта воспринимается наблюдателем целиком и представляется объемным перспективным изображением на фоне плоских неподвижных объектов.

Этот способ был назван способом эпиполярных смещений (Никулин, 1975). Он даёт возможность проводить измерения без предварительной маркировки точек, и более того, изучать и анализировать стереомодель смещения, делать заключения о характере движения, структуре объекта, целенаправленно выбирать места замеров и т. п.

Эффективность традиционными точечными замерами перемещений. К недостаткам относится искажение видимой картины движения за счёт разности в масштабах изображения склона вследствие большой глубины пространства.

Фронтальные снимки ледников с обзорных базисов в масштабе не крупнее 1:10 000 (при достаточно больших интервалах съёмки) также позволяют получать устойчивый стереоэффект перемещения их поверхности (Винников Л.П., Лабутина И.А. Изменение ледника Кюкюртлю на Эльбрусе за четверть века // Материалы гляциологических исследований. – 1987. – Вып. 60, с. 147Это факт подтверждает предыдущие рассуждения о том, что абляция не является главной причиной разрушения конгруэнтности изображения поверхности ледника на стереопаре смещения.

Стабильность относительно крупных форм рельефа, имеющих размеры в несколько метров, – бугров, ям, «муравьиных куч», русел водотоков, трещин и т. д. при одинаковых условиях освещенности, оптимальном ракурсе и масштабе съёмки является условием для получения конгруэнтных изображений ледниковой поверхности на разновременных снимках с интервалом съёмки до года. Следует заметить, что при больших интервалах наблюдений происходит генерализация стереомодели смещения, которая не только не уменьшает точность определения величины перемещения ледниковой поверхности, но и позволяет выделить его закономерную составляющую, свободную от случайных подвижек, характерных для короткопериодических наблюдений.

К сожалению, нельзя переносить напрямую методические разработки, пригодные для дешифрирования и измерений стереомодели смещения оползней и осыпей на ледники. Это связано с тем, что в этих разработках горизонтальная составляющая смещения поверхности объекта вычисляется на основе величин вертикального (поперечного) параллакса. Как известно, поперечный параллакс является разностью ординат соответственных точек стереопары. Для обычной стереопары он обусловлен разностью высот левой и правой точек центра фотографирования, разновременных снимков с одной фотостанции – тем, что данная точка поверхности объекта со временем изменила свою высоту.

Для ледника это изменение высоты происходит одновременно за счет смещения точки по уклону; за счет движения изохронной поверхности; за счёт абляции. Даже если учесть влияние абляции, используя гляциологические наблюдения, всё же нельзя разделить другие составляющие поперечного параллакса.

Отсюда следует, что горизонтальное перемещение поверхности ледника нужно рассчитывать на основе продольного параллакса смещения. С учётом необходимости использования для этой цели аэрофотоснимков.

При этом стереопару смещения, составленную из разновременных аэрофотоснимков в чистом виде мы, как правило, получить не можем.

Практически можно составить стереопару с так называемого пространственновременного базиса (Книжников Ю.Ф. Исследование движения льда горных ледников стереофотограмметрическим методом. – М.: Наука, 1973. – 120 с.), то есть когда повторный снимок получен с другой точки пространства. Это приводит к тому, что параллаксы смещения суммируются с обычными, возникающими из-за несовпадения точек съёмки. Для выделения параллаксов смещения из суммарных и вычисления, таким образом, величины смещения поверхности ледника разработаны различные измерительные методы (Гельман Р.Н., Книжников Ю.Ф. Определение смещения точек по разновременным аэрофотоснимкам // Геодезия и картография. – 1991. – № 12, с. 17-20), которые всё же не дают нам возможности построения и дешифрирования стереомодели смещения.

В идеальном случае, если повторные съёмки осуществляются с одних и тех же точек пространства с неизменными элементами внутреннего и внешнего ориентирования, то все неподвижные точки, изображенные на повторных снимках, должны сохранять один и тот же масштаб. В реальности, даже при фототеодолитной съёмке с закрепленных точек получить такие идеальные повторные снимки весьма проблематично. Как правило, при стереофотограмметрической обработке повторных снимков в измеренные координаты и параллаксы приходится вводить поправки, которые вычисляются из геодезических наблюдений на опорные пункты. Практически это означает, что идеальную (неискаженную) стереопару смещения проще получить камеральным путём, преобразуя повторные аэрофотоснимки в плановые.

Разновременные снимки при этом обрабатываются в два этапа. На первом, с применением методов цифровой фотограмметрии производится построение неискаженной стереомодели смещения путём ортофототрансформирования повторных снимков, которое ликвидирует искажения масштаба стереомодели, обусловленные наклоном снимка и рельефом местности, и позволяет получить изображение в удобном для работы масштабе (см. схемы 2 и 3). Особенностью второго этапа является возможность проводить одновременное дешифрирование и измерение стереомодели на относительно простых приборах, имеющих возможность измерения параллакса смещения, например, стереокомпараторах. Этот способ назван способом стереоскопического моделирования динамики ледников (Золотарёв Е.А., Харьковец Е.Г. Стереоскопическое моделирование перемещения поверхности ледников по разновременным аэрофотоснимкам // МГИ. – 1998.

– Вып. 84., с. 48-51). В настоящее время мы заменили этот термин на способ стереоскопического измерительного дешифрирования, как более отвечающий сущности явления. Разрешения в 1 м трансформированного изображения вполне хватает для сохранения подобия ледниковой поверхности на повторных снимках с интервалом съёмки до 1 года и дешифрирования стереомодели.

Измерение стереопары смещения производят применяя различные способы наблюдения стереоэффекта непосредственно на мониторе персонального компьютера, например, анаглифический или с использованием стереоочков с жидкокристаллическими затворами. При этом следует помнить о необходимости разворота снимков, при котором направление движения ледника было бы параллельным глазному базису. Наблюдение и измерение точек проводят целенаправленно с учётом результатов дешифрирования стереомодели смещения. Рисовка изолиний производится также при стереоскопическом наблюдении стереомодели смещения.

При необходимости можно ограничиться упрощенным способом обработки, применяя для измерения стереоприборы, предназначенные для дешифрирования (стереоскоп с параллаксометром, интерпретоскоп). В этом случае используются трансформированные снимки, снабжённые координатной сеткой и выведенные при помощи принтера на бумагу в удобном для наблюдения масштабе.

Изучение динамики ледников фотограмметрическим методом вплоть до настоящего времени основывается на использовании материалов наземной (фототеодолитной) и плановой аэрофотосъёмки, как в оригинальном виде, так и в виде цифровой записи. Другие виды съёмок применяются значительно реже.

Использование космических снимков определяется, в основном, их разрешением. В то время как крупномасштабные снимки, с метровым разрешением, можно использовать вместо аэроснимков, при условии их привязки, мелкомасштабные снимки используют в основном в региональных исследованиях. Дешифрирование космических снимков не позволяет детально изучать поверхность ледника на локальных участках, но оно стало основой региональных исследований, например, по выявлению пульсирующих ледников, в том числе на основе их идентификации методом псевдопараллаксов.

Космические снимки, полученные в конце периода абляции с годовым или более интервалом также можно использовать для оценки скоростей движения поверхности ледников.

Лабораторией аэрокосмических методов в 1980-х годах проводились перспективные аэрофотосъёмки ледников с борта вертолёта – «вертолётные съёмки». Вертолётная съёмка обеспечивает большую, по сравнению с аэрофотосъёмкой, гибкость в выборе точки и направления съёмки, что позволяет добиваться оптимального изображения ледниковой поверхности на снимках.

Оборотной стороной такой гибкости является невозможность использования для обработки вертолётных снимков большинства фотограмметрических приборов, рассчитанных на стандартизированные условия плановой аэрофотосъёмки.

Поэтому применение вертолётных съёмок ранее сдерживалось трудоёмкостью аналитической обработки. При современном уровне развития цифровой аналитической фотограмметрии вертолётные съёмки могут получить большее распространение.

фотограмметрического метода при мониторинге горных ледников, особенность которого заключается в переходе к аналитической обработке цифровых снимков.

Покажем на примере мониторинга ледников Эльбруса разработки в области совершенствования этих технологий и их реализацию.

2.4.1. Результаты исследования динамики ледника Кюкюртлю (западный склон Эльбруса) по разновременным аэрофотоснимкам Рассмотрим возможности практического применения способа стереоскопического измерительного дешифрирования при изучении динамики ледников. На рисунке 2.7 изображена ортофотокарта ледника Кюкюртлю (западный склон Эльбруса) с изолиниями горизонтальной составляющей перемещения поверхности, составленная по разновременным ортофотоизображениям (см. схему 2) с годовым интервалом (рис. 2.8).

Измерения производились по двум стереопарам трансформированных снимков при помощи стереоскопа с параллаксометром. Точность результатов измерений упрощенным способом можно приблизительно оценить относительной ошибкой в 8-10%. Именно такие величины получились в результате сравнения средних скоростей, измеренных в 10 точках одного и того же профиля по разным стереопарам (в зоне их перекрытия), то есть на краях снимков. В данном случае эта погрешность объясняется влиянием ошибок цифровой модели и неточностью стереоскопического визирования.

Рис. 2.7. Цифровая ортофотокарта ледника Кюкюртлю и скорости движения на его поверхности за период с 27 августа 1988 г. по 27 августа 1989 г.: 1 – граница ледника;

Рис. 2.8. Стереопара разновременных цифровых ортофотоизображений ледника Кюкюртлю (Западный склон Эльбруса): а) 27 августа 1988 г.; б) 27 августа 1989 г.

Стереоэффект наблюдается за счёт движения льда на поверхности ледника Результаты дешифрирования и измерения стереоскопической модели перемещения поверхности ледника Кюкюртлю за годовой интервал показали, что левая сторона языка до километра в длину и около 100 м в ширину представляет собой мёртвый лёд, потерявший связь с основным языком.

Поверхность мертвого льда тоже движется. Но если на активной части ледника средняя скорость движения в этом месте составляет 30-40 м/год, то скорость движения мёртвого льда не превышает 5 м/год.

Обращает на себя внимание и наличие замкнутого контура изолинии годовой скорости в 50 м в районе абсолютных отметок 3020-3050 м. На карте изменения высоты поверхности ледника Кюкюртлю за период с 1957 по 1987 гг.

в этом месте начинается повышение поверхности до 5 м, которое к концу ледника доходит до 40 м. При этом язык ледника продвинулся до 100 м (Винников Л.П., Лабутина И.А. Изменение ледника Кюкюртлю на Эльбрусе за четверть века // Материалы гляциологических исследований. – 1987. – Вып. 60, с. 147-152). Не исключено, что замкнутый контур изолинии годовой скорости в 50 м по всей вероятности означает прохождение кинематической волны.

Следует также отметить преобладание глыбового скольжения льда над его течением, выше изолинии в 50 м (на краях ледника скорости не равны нулю, а по поперечным направлениям - почти постоянны).

На повороте ледника скорость резко падает от 100 до 50 м/год, что может быть связано с изменением направления движения и торможением потока льда.

Определённый интерес представляет сравнение среднесуточных скоростей, рассчитанных нами на основе среднегодовых 1988-1989 гг.

скоростей, измеренных при короткопериодических съемках в августе 1961 и 1983 гг. (Книжников Ю.Ф. Исследование движения льда горных ледников стереофотограмметрическим методом. – М.: Наука, 1973. – 120 с.; Винников Л.П., Лабутина И.А. Изменение ледника Кюкюртлю на Эльбрусе за четверть века // Материалы гляциологических исследований. – 1987. – Вып. 60, с. 147На пологой части от конца языка на протяжении около 1,2 км скорости практически совпадают, зато на крутой части, после поворота, среднесуточные скорости в 1961 г. в 2,5, а в 1983 - в 1,7 раза превышают скорости 1988-1989 гг.

По-видимому, при преимущественно глыбовом характере движения льда в летнее время скорости могут быть значительно большими чем зимой, что подтверждается и другими работами (Цветков Д.Г., Соротокин М.М. Колебания скорости движения ледника Медвежьего в период его восстановления (1974Материалы гляциологических исследований. – 1981. – Вып. 41, с. 133Из этого следует, что экстраполяция короткопериодических скоростей до среднегодовых должна производиться достаточно осторожно.

Следует заметить, что при больших отстояниях съёмки происходит оптическая генерализация стереомодели смещения, которая не только не уменьшает точность определения величины перемещения ледниковой поверхности, но и позволяет выделить его закономерную составляющую, свободную от случайных подвижек, характерных для короткопериодических наблюдений.

Измерение стереопары смещения производят применяя различные способы наблюдения стереоэффекта непосредственно на мониторе персонального компьютера, например, анаглифический или с использованием стереоочков с жидкокристаллическими затворами или упрощённым способом с помощью параллаксометра. При этом следует помнить о необходимости разворота снимков, при котором направление движения ледника было бы параллельным глазному базису. Наблюдение и измерение точек проводят целенаправленно с учётом смещения. Рисовка изолиний производится также при стереоскопическом наблюдении стереомодели смещения.

Вторая составляющая динамики ледника, а именно: пространственное изменение ледников – при наблюдении совмещённых разновременных стереомоделей в настоящее время может быть определена достаточно просто с использованием цифровых технологий обработки снимков и построения моделей рельефа. При этом любая из наблюдаемых разновременных моделей может быть представлена в виде дискретной стереоскопически визуализируемой поверхности, например, изолинейной, полученной по предварительно составленной цифровой модели рельефа, а другая является стереопарой.

Возможность стереоскопического наблюдения изолиний, наложенных на изображение стереопары, существует во многих цифровых фотограммметрических системах для контроля построения горизонталей. В данном случае эту возможность следует использовать для целенаправленного измерения пространственных изменений ледника. Недостатком этого способа является его трудоёмкость, поэтому его использование рекомендуется на ключевых участках и для оценки достоверности результатов, полученных другими методами, например, сравнением двух разновременных цифровых моделей рельефа.

2.4.2. Выявление пульсирующего характера динамики ледника Большой Азау (Юго-западный склон Эльбруса) по разновременным космическим динамики ледников определяется, в основном, их разрешением и масштабом.

Крупномасштабные снимки сверхвысокого разрешения, например Cartosat-1 (2, м), GeoЕye (0,4 м), можно использовать взамен аэроснимков, при условии их координатной привязки (Золотарёв Е.А. Эволюция оледенения Эльбруса.

Картографо-аэрокосмические технологии гляциологического мониторинга. М.:

Научный мир. 2009. 238 с.). Такие космические снимки, полученные в конце периода абляции с годовым или более интервалом, можно использовать также для оценки динамики ледников. Так, например, совместное стереоскопическое измерительное дешифрирование разновременных космических снимков Cartosatг.) (рис. 2.9) и GeoЕye (2009 г.) показало, что ледник Большой Азау к Рис. 2.9. Космический снимок Эльбруса со спутника Cartosat с разрешением 2,5 м.

2007 г. распался на 3 отдельных ледника: 1) собственно ледник Большой Азау, имеющий площадь 14,07 км2, область питания которого начинается на Западном плато Эльбруса; 2) малый ледник вблизи перевала Хотю-тау площадью 1,17 км2;

3) ледниковое плато Азау – западная часть бывшего общего ледника Большой Азау (площадь 3,29 км2) (рис. 2.10). На малом леднике и ледниковом плато движение поверхности не дешифрируется. На самом леднике Большой Азау в районе языка измеренные скорости в отдельных точках достигают 50-60 м/год.