Використання космічної інформації у вивченні гідросфери: Застосування супутникових спостережень для досліджень водних ресурсів суходолу

Тут будуть розглянуті загальні моделі водного балансу територій, загальні представлення і моделі формування поверхневого і руслового стоку, моделі балансу ґрунтових вод, ключові змінні і відповідні інформативні ознаки гідрологічних процесів за матеріалами ДЗЗ, перелік основних задач для застосування даних ДЗЗ в дослідженнях водних ресурсів суходолу, перелік основних супутникових місій і типів приладів для гідрологічних досліджень, визначення основного переліку завдань для застосування даних ДЗЗ в задачах моніторингу річкових систем, визначення основного переліку завдань для застосування даних ДЗЗ в задачах лімнологічного моніторингу, визначення основного переліку завдань для застосування даних ДЗЗ в задачах моніторингу водно-болотяних угідь. Методи спостережень за гідрологічними явищами та процесами, гідрографічні дослідження, вивчення умов формування поверхневого та підземного стоку, гідрологічне районування та картографування, аналіз загроз якості водних ресурсів, оцінка стану і прогнозування змін басейнових екосистем, прогнозування і моніторинг надзвичайних ситуацій (повені і індуковані ними підтоплення об'єктів інфраструктури, заболочування, порушення комунікацій тощо). Методи оцінки глобального балансу вологи за матеріалами супутникового моніторингу.

Водні ресурсу суходолу є критично важливими для виживання і розвитку суспільства, тому їх вивчення є актуальною задачею. На сьогодні не існує загальної моделі для опису водних ресурсів як інтегрованої системи, тому використовують набори окремих моделей різного ступеню інтеграції для опису окремих складових і вирішення певних задач.

Задачі, які вирішуються в цьому напрямі, склалися історично. Таким чином існують різні класифікації, хоч і взаємопов'язані.

Основні задачі для застосування даних ДЗЗ у вивченні водних ресурсів суходолу:

Відповідно до цілей дослідження:

• Контроль гідрографічної мережі (моніторинг поточних змін русел, актуалізація карт);
• Гідрометричний контроль і уточнення гідрометричних розрахунків (аналіз руслоформуючих факторів: стоки води, наносів, обмежувальних факторів: базису ерозії, твердих порід тощо);
• Гідрофізичний і гідрохімічний моніторинг (тепловий режим і випаровування, забруднення, якість водних ресурсів);
• Гідрологічне прогнозування і прогнозування надзвичайних ситуацій (прогнози витрат води, повеней, льодоставу, режиму по періоду вегетації тощо).

Відповідно до об'єктів дослідження:

• Контроль річкової мережі;
• Лімнологічний моніторинг;
• Вивчення водно-болотяних угідь;
• Вивчення підземних вод;
• Гляціологічний моніторинг

Для кожного типу перелічених задач існують набори методів, якими вни можуть бути вирішені оптимально.

Загальна модель, яка використовується для визначення основних змінних, це модель водного балансу територій.

Основні змінні тут - швидкість потоків, геоморфологічні показники, фільтрація і вологість ґрунту.

В рамках цієї моделі можна розглянути задачі моніторингу річкових систем.

Задачі моніторингу річкових систем (вивчення гідрографічної мережі):

• контроль гідрографічних показників (щільність, густина), 
• умови стоку (гідрологічні розрахункові параметри), 
• рельєф і осадкоутворення (розрахунок параметрів базису ерозії, визначення твердих порід тощо), 
• реєстрація змін русел (актуалізація карт, оцінка процесів осадкоутворенняі формування рельєфу), 
• виявлення джерел забруднень, 
• оцінка стану і прогнозування змін басейнових екосистем, 
• прогнозування і моніторинг надзвичайних ситуацій (повені і індуковані ними підтоплення об'єктів інфраструктури, порушення комунікацій тощо)

 Таким чином, дуже часто задача зводиться до контролю геоморфологічних показників у оптичному діапазоні.

Дані спостережень в оптичному і тепловому діапазонах, зокрема, з використанням спектральних індексів, застосовуються при визначенні компонент середовища - гідрохімічному і гідрофізичному моніторингу.

Відповідно до визначеного Рамковою конвенцією ЕС з контролю якості водних ресурсів переліку показників, можна оцінити можливості застосування даних і методів ДЗЗ для оцінок якості води.

На основі визначених методик оцінки якості води, було оцінено сценарії змін якості водних ресурсів в басейнах річок за різних сценаріїв антропогенного і природного впливу.

Задача моніторингу озерних систем дещо відрізняється. Відпаовідно відрізняється і перелік задач.

Задачі моніторингу озер (лімнологічного моніторингу):

• контроль площі водного дзеркала, 
• моніторинг процесів заростання і евтрофікації, 
• контроль природних і антропогенних забруднень, 
• оцінки якості води, 
• умови стоку (контроль водного балансу і режиму), 
• ресурсний моніторинг (біологічні ресурси), 
• прогнозування і моніторинг надзвичайних ситуацій (підтоплень об'єктів інфраструктури, заболочувань, порушення комунікацій тощо)

Контроль і моніторинг надзвичайних ситуацій є складовою моніторингу гідрологічних ресурсів суходолу. На цьому етапі він обмежується прямими спостереженнями показників, що відображаються на геоморфологічних характеристиках водних об'єктів.

Окремим комплексом задач є моніторинг болотяних угідь.

Задачі моніторингу водно-болотяних угідь:

• контроль водного режиму (враховуючи кліматичні фактори), 
• контроль розповсюдження боліт (зміна площі і структури), 
• моніторинг екологічних змін (в тому числі - довгострокових), 
• ресурсний моніторинг (торф, болотяний газ, біологічні ресурси), 
• оцінка відновлювальної здатності екосистем (екологічна ємність, вплив на якість водних ресурсів), 
• прогнозування і моніторинг надзвичайних ситуацій (підтоплень об'єктів інфраструктури, заболочувань, порушення комунікацій тощо)

Зважаючи на розповсюдженість водно-болотяних угідь, їхню важливу екологічну роль, зростаючу роль в енергетиці, роль в кліматичній системі, а також питання гідрологічної безпеки, пов'язані із перезволоженими територіями, питання моніторингу боліт стає дедалі важливішим.

Вивчення водно-болотяних угідь базується на моделі балансу ґрунтових вод і відповідному енергетичного відгуку, що формує сигнал ДЗЗ.

Ця модель дозволяє розробляти коректні методики спостереження, отримувати сигнал, що обробляється у рамках коректних методик і алгоритмів, і на цій основі оцінювати створювати відповідні продукти, спрямовані на підтримку прийняття рішень в галузі управління землекористуванням і безпекою.

Крім того, інтегровані дані дозволяють оцінювати параметри глобального балансу вологи, зумовленого переносом в болотах, і ґрунтового і рослинного дихання в таких екосистемах.

Контрольні запитання до теми «Використання космічної інформації у вивченні гідросфери»

1. Назвіть перелік основних задач для застосування даних ДЗЗ в дослідженнях океану.

2. Назвіть перелік основних задач для застосування даних ДЗЗ в дослідженнях гідросфери.

3. Назвіть перелік основних задач для застосування даних ДЗЗ в дослідженнях снігового і льодового покриву.

4. Назвіть основні спектральні діапазони, що використовуються для вирішення окремих прикладних задач гляціології.

5. Які характеристики поверхневого стоку можуть вивчатися за допомогою космічної інформації?

6. Назвіть основні спектральні діапазони, що використовуються для вирішення окремих прикладних задач гідрології.

7. У чому полягає суть гідрологічного моделювання на основі даних космічної зйомки?

8. Які характеристики і параметри океанів можуть вивчатися космічними методами?

9. Назвіть основні спектральні діапазони, що використовуються для вирішення окремих прикладних задач океанології.

10. Які інформативні ознаки відрізняють на знімках сніжний покрив, льодовики та хмарність?

Рекомендована література:

1.     Elachi C., Zyl J. Introduction to the Physics and Techniques of Remote Sensing. Second Edition. John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, 2006, 557 р., ISBN-13 978-0-471-47569-9

2.     Liu J.G., Mason Ph.J. Essential image processing and GIS for remote sensing. John Wiley & Sons, Oxford, Imperial College London, UK, 2009, 462 p., ISBN: 978-0-470-51032-2

3.     Кронберг П. Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии: Пер. с нем. — М.: Мир, 1988. - 343 с.

4.     Gao J. Digital Analysis of Remotely Sensed Imagery. McGraw-Hill, New York, 2009, 689 p., ISBN: 978-0-07-160466-6

5.     Richards J.A., Jia X. Remote Sensing Digital Image Analysis. An Introduction. Fourth Edition. Springer-Verlag Berlin - Heidelberg, 2006, 454 p., ISBN-10 3-540-25128-6

6. Лялько В.І., Мовчан Д.М., Костюченко Ю.В., Копачевський І.М. Контроль параметрів динаміки регіональної рослинності на основі даних ДЗЗ з метою підвищення ефективності довгострокового управління гідролого-гідрогеологічними ризиками // Геоінформатика, 2012, - №1 (41), сс. 1 – 7

7. Лялько В.И., Викторов А.С., Сахацкий А.И., Костюченко Ю.В. Oценка динамики неблагоприятных гидролого-гидрогеологических процессов на основе использования спутниковой информации и цифровых моделей рельефа (на примере Полесского региона Украины) // Геол. журн., 2011. - № 4,- cc. 42 – 51