Картографо-аэрокосмический мониторинг баланса массы оледенения Эльбруса после МГГ
Е.А. Золотарев, Е.Г. Харьковец
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Рассматривается изменение суммарного баланса массы оледенения Эльбруса после МГГ, рассчитанное по материалам цифровой обработки повторных аэрофотосъемок и базовой топографической карты.
Введение
Ледники Эльбруса, относясь к ледникам конических вершин, имеют разную экспозицию, оканчиваются в разных высотных зонах, т.е. существуют в разных условиях. Вследствие этого, в одно и то же время они имеют разноплановые пространственные изменения, т.е. очевидно, что даже непрерывные прямые наблюдения на одном леднике не дают возможности судить об эволюции оледенения в целом. В таких целях наиболее информативен суммарный баланс массы, полученный за какие-либо промежутки времени для оледенения в целом по материалам крупномасштабных инструментальных съемок.
Одно из достижений лаборатории аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ — разработка принципов и методов картографо-аэрокосмического мониторинга для нужд горной гляциологии на основе материалов многолетних исследований высокогорных территорий [6]. В настоящее время чаще применяется гляциокартографический, или комплексный мониторинг, который подразумевает непрерывные наблюдения за массоэнергообменом ледника и периодический контроль его пространственных (площадь, толщина, объем) и динамических (скорость движения льда) параметров.
Помимо режимных гляциологических наблюдений, программа комплексного мониторинга предусматривает периодические стереофотограмметрические съемки и геодезические измерения. По их результатам составляются крупномасштабные (1:10000 и крупнее) топографические карты ледникового бассейна, карты изменения высоты поверхности ледников и скорости движения льда на их поверхности [2, 9].
Из всех параметров, характеризующих пространственные изменения ледника, наиболее информативен показатель среднего изменения его толщины по всей площади, определяемый на основе материалов разновременных стереофотограмметрических съемок. В этом случае он характеризует суммарный баланс массы ледника за период между съемками и может заменить прямые гляциологические масс-балансовые наблюдения.
Сравнение балансовых показателей ледника, установленных при помощи прямых гляциологических измерений, и динамических, полученных по
материалам повторных съемок, позволяет оценить реакцию ледника на климатические изменения.
Картографическая составляющая комплексного мониторинга ледников включает три уровня наблюдений: за концом ледника, за ледником в целом, в том числе областью питания, и за ледниковой системой, состоящей из нескольких ледников. Наблюдения за концами ледников в Приэльбрусье проводились в период 2-го Международного полярного года (МПГ) [10]. Специальные режимные наблюдения и периодические стереофотограмметрические съемки (один 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 [8]. В течение Международного геофизического года (МГГ) лабораторией аэрокосмических методов географического факультета МГУ была проведена фототеодолитная съемка и составлена 14-листная карта масштаба 1:10000 Эльбрусской ледниковой системы, состоящей из 16 долинных и 9 висячих ледников (общая площадь физической поверхности более 140 км2).
При комплексном мониторинге ледников широко применяются методы дистанционного зондирования: наземная стереофотограмметрическая съемка, аэро- и космическая съемка, так что правомерно говорить о картографо-аэрокосмической составляющей комплексного мониторинга.
В картографо-аэрокосмическом мониторинге принято различать съемки базовые и текущие [6]: базовые завершаются составлением общегеографической базовой карты — картографической основы мониторинга, а текущие — созданием тематических карт динамики ледников или количественных показателей темпа и интенсивности их изменений. К содержанию базовой карты предъявляются определенные требования. Помимо соответствующей масштабу точности, необходимо подробнейшее изображение рельефа и ситуации, особенно ориентиров, которые в дальнейшем помогут совмещению данных текущих съемок с базовыми.
При изучении эволюции ледников картографо-аэрокосмический мониторинг дополняется использованием старых карт и проведением палеогеографических исследований в перигляциальных зонах с целью определения максимального распространения ледни-
ков в прошлом. На основе этих исследований и текущих съемок можно прогнозировать эволюцию ледников в связи с климатическими изменениями.
Методика исследований
Использование фотограмметрического метода при картографо-аэрокосмическом мониторинге горных ледников позволяет решить проблемы картографирования и получить значимые пространственные и динамические характеристики изучаемых объектов. Можно выделить следующие основные задачи, решаемые этим методом: определение пространственного положения ледников, в том числе установление их границ при стереоскопическом дешифрировании и измерении снимков высокогорных ландшафтов и изменения высоты поверхности ледника, а также изучение динамики баланса его массы. Рассмотрим далее, как решаются указанные задачи и какое влияние на применение фотограмметрического метода для мониторинга ледников оказало общее развитие теории и техники фотограмметрии.
Стереофотограмметрический метод обработки снимков появился в начале XX в., тогда же были созданы первые фотограмметрические приборы — стереокомпаратор, а затем стереоавтограф. Соответственно сформировались и главные методы обработки снимков — аналитический, основанный на их измерении и численном решении фотограмметрических задач, и метод аналогового, в основном механического, моделирования условий съемки при помощи специальных приборов. Аналитические фотограмметрические определения относятся к задачам высокой вычислительной сложности, поэтому применение аналитической фотограмметрии сдерживалось отсутствием вычислительных систем. Это вызывало необходимость механического моделирования фотограмметрических вычислений и соответственно развитие фотограмметрического приборостроения. В процессе картографических работ по фототеодолитным и аэрофотоснимкам развилась теория стереофотограмметрии, которая в основном достигла современного состояния еще в середине прошлого века. С появлением ЭВМ аналитические методы получили широкое развитие, и соответственно появились аналитические методы обработки цифровых снимков, а также были созданы цифровые фотограмметрические системы.
До конца XX столетия для фиксации пространственного состояния горного ледника, как правило, использовали фототеодолитные съемки, материалы которых обрабатывались на стереоавтографе. В результате получали детальную крупномасштабную карту, служившую для картометрических определений и используемую как основу для тематических карт. Примером может быть уже упомянутая выше карта Эльб-русской ледниковой системы в масштабе 1:10 000.
На современном этапе главную роль играет цифровая фотограмметрическая обработка наземных и аэрокосмических снимков. «Цифровые снимки» для нужд горной гляциологии пока получают в
основном путем сканирования и цифровой записи материалов фотографической аэро- или фототеодолитной съемок.
Обработку стереопар цифровых снимков выполняют с помощью цифровых фотограмметрических программных комплексов, построенных на базе вычислительных систем, в том числе и персональных компьютеров. Более подробно цифровой метод картографирования ледников рассматривается на примере составления цифровой ортофотокарты Эльбруса по материалам аэрофотосъемки 1997 г. [5].
Совмещение разновременных картографических и
фотограмметрических материалов
Как было отмечено выше, особое значение при мониторинге ледников имеет определение изменения высоты поверхности ледника. Традиционно для этого используют картометрические способы измерений по разновременным картографическим материалам. Однако большая трудоемкость картографирования ледников по материалам фототеодолитной съемки или аэрофотоснимкам и стремление повысить точность определения изменений путем использования непосредственных повторных съемок без предварительного создания по ним карт вызвала необходимость искать новые пути, обратившись к непосредственному совмещению данных повторных съемок на универсальных приборах. При таком способе стереопары повторной съемки ориентируются по картам, составленным на основе более ранних съемок. Измерения проводятся 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 с использованием картометрических способов. Такая работа была выполнена для определения изменений ледников Эльбруса за 1957—1987 гг. [3].
Высокая трудоемкость указанного способа и ограничения, связанные с техническими возможностями совмещения повторных снимков и карт предопределили переход к аналитическим способам обработки снимков. Были сделаны попытки определить изменения высот путем сравнения цифровых моделей рельефа, построенных по разновременным стереопарам. Экспериментально было установлено, что при наборе точек по регулярной или произвольной сетке, использовании структурных линий или иных способов детализации поверхностей, полученных по независимо измеряемым стереопарам, не удается значительно повысить точность определений, и аналитически полученная поверхность существенно отличается от реальной. Выход был найден в проведении согласо-
ванных измерении стереопар — в одних и тех же точках с предварительно заданны
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.