Transcript Возможности и перспективы мониторинга береговых зон

«Мониторинг состояния геологической
среды береговой зоны морей, крупных
озерных водоемов и рек».
22 – 23 мая 2013 г., «ВСЕГЕИ»
Санкт-Петербург
Возможности и перспективы мониторинга
береговых зон на основе использования
данных дистанционного зондирования
Сухачева Л.Л., Кильдюшевский Е.И.,
Смирнова И.О.
«НИИКАМ» - филиал ФГУП ЦНИИмаш
СПб, Пулковское шоссе, 82
E-mail: [email protected]
22 -23 мая 2013 г., Санкт-Петербург
В последние годы наблюдается стремительное развитие технологий
дистанционного зондирования Земли. Значительный прогресс достигнут в
использовании для этой цели пассивных и активных методов зондирования
природной среды, использования различных диапазонов электромагнитного
спектра, в том числе и гиперспектральных методов, использование данных
сверхвысокого (детального) пространственного разрешения для решения
целого ряда природоохранных и природно-ресурсных задач.
Спутниковые наблюдения это важнейший элемент системы мониторинга
объектов недропользования, так как они обеспечивают практически
непрерывный обзор (охват) обширных акваторий.
В общем случае при использовании космической информации для решения
прикладных задач необходимо учитывать как технические характеристики
аппаратуры и физические основы формирования сигнала, регистрируемого на
уровне ИСЗ, так и региональные особенности исследуемых природных
объектов. При этом большинство прикладных задач связанных с
мониторингом объектов недропользования, размещенных в береговой зоне,
особенно те из них, которые подразумевают контроль деятельности
пользователей (выполнение лицензионных соглашений, выполнение
экологических норм и правил, соблюдение правил безопасности и др.) и
возможность применения экономических и юридических санкций,
предопределяют использование ДДЗ высокого и сверхвысокого разрешения.
Первостепенной задачей мониторинга береговой зоны (БЗ) является слежение за
устойчивостью берега. Устойчивость берегов определяется многими причинами:
ветро-волновым режимом акватории, географическим положением района,
интенсивностью и характером антропогенного воздействия. Но главным фактором
является геологическое строение береговой зоны, а именно – тектонические и
литолого-петрографические ее особенности. Берега, сложенные изверженными
или метаморфическими породами, практически не меняются, а берега сложенные
рыхлыми осадочными породами меняются очень быстро.
Мониторинг БЗ должен основываться на картографических данных, т.е. на
площадном отображении береговой зоны со всеми деталями ее геологогеоморфологического строения и инфраструктуры. И такая карта БЗ может быть
создана в сравнительно короткий срок только на основе использования
материалов дистанционного зондирования (МДЗ). Точность и детальность
составленной карты будут обусловлены видом использованных для ее
составления МДЗ, а возможность детального изучения динамики основных
геолого-геоморфологических процессов – периодичностью съемок исследуемого
района.
Начальный период изучения береговых зон дистанционными методами можно
отнести еще к довоенному времени.
В 1950г. перед ЛАЭМ (ныне НИИКАМ) была поставлена задача организовать
аэрогеологические
исследования
на
морских
нефтеносных
площадях
Приапшеранского р-на Каспийского моря. С этого и началось в СССР широкое
использование материалов аэрофотосъемки для изучения береговых зон морей и
крупных пресноводных водоемов. В НИИКАМ была разработана методика морской
аэрофотосъемки, нацеленная на получение изображений дна возможно более
глубоких зон прибрежного мелководья. АФС для наибольших глубин были
получены на оз. Байкал – 40м, на Черном, Каспийском и Японском морях – в
пределах 20м. Подобные изображения использовались, в том числе, для геологогеоморфологического картирования морского дна.
Интенсивное развитие космических и компьютерных технологий в начале нового
столетия привело к тому, что в настоящее время наилучшими МДЗ для изучения
береговой зоны стали мультиспектральные снимки сверхвысокого разрешения со
спутников Quick Bird, IKONOS, Geo Eye, World View, Конопус-В и др. с
пространственным разрешением до 0,5м.
На основе использования этих данных создаются карты береговых зон в
масштабах до 1: 2000. Особенно стоит отметить возможности и преимущества
мультиспектральной космической системы (8 каналов) сверхвысокого разрешения
(0,5м) World View-2.
Giovanni Marchisio. More detail, better insight, accurate analysis –WorldView-2 Power of 8 bands// Materials of
V International Conference “Remote Sensing – the Synergy of High Technologies”, Moscow, April 13-15, 2011.
Giovanni Marchisio. More detail, better insight, accurate analysis –WorldView-2 Power of 8 bands// Materials of
V International Conference “Remote Sensing – the Synergy of High Technologies”, Moscow, April 13-15, 2011.
Giovanni Marchisio. More detail, better insight, accurate analysis –WorldView-2 Power of 8 bands// Materials of
V International Conference “Remote Sensing – the Synergy of High Technologies”, Moscow, April 13-15, 2011.
С 1 июня 2013 г. начинает действовать новый прайс-лист компании DigitalGlobe,
что приведет к изменению стоимости большинства продуктов, в том числе, к
повышению цен на выполнение новой съемки со спутников WorldView-1, WorldView2 и QuickBird. Суть вводимых изменений заключается в постепенном
унифицировании продуктов и цен на данные, получаемые со спутников WorldView-1,
WorldView-2, QuickBird и GeoEye-1. С 1 июня 2013 г. стоимость данных с
этих спутников станет единой, и будет зависеть от типа продукта.
Моноизображение:
Продукт
Архивные данные
Новая съемка
Панхроматическое изображение
13 долл. за 1 кв. км
22 долл. за 1 кв. км
Цветное изображение 3 или 4 канала
16 долл. за 1 кв. км
25 долл. за 1 кв. км
Цветное изображение 8 каналов
(только WorldView-2)
29 долл. за 1 кв. км
38 долл. за 1 кв. км
Стереоизображение:
Продукт
Архивные данные
Новая съемка
Панхроматическое изображение
26 долл. за 1 кв. км
44 долл. за 1 кв. км
Цветное изображение 3 или 4 канала
32 долл. за 1 кв. км
50 долл. за 1 кв. км
Цветное изображение 8 каналов
(только WorldView-2)
58 долл. за 1 кв. км
76 долл. за 1 кв. км
Стоимость данных со спутника IKONOS останется неизменной, и будет составлять
10 долл. за 1 кв. км для архивных данных и 20 долл. за 1 кв. км для новой съемки,
вне зависимости от продукта.
Данные, с момента получения которых прошло менее 90 дней, будут продаваться
по цене новой съемки.
Аэрокосмический мониторинг
береговой зоны
восточной части Финского залива
Aqua/MODIS, 03.05.2013
Динамика берегов восточной части Финского залива
Изучения динамики берегов на основе использования материалов
дистанционного зондирования включает два основных момента:
необходимость использования архивных материалов (сравнительных
материалов прошлых лет съемки и старых картографических
материалов) для проведения ретроспективного анализа и проведение
постоянного или периодического дистанционного мониторинга с целью
слежения за ходом процесса и оценки скорости изменения берегов.
Наиболее эффективно мониторинг динамики берегов осуществляется на
основе ретроспективного анализа серии разновременных высокоточных
снимков (АФС и/или КС) за достаточно длительный интервал времени, это
позволяет оценить скорость процесса размыва, спрогнозировать процесс
его развития и выдать научно обоснованные рекомендаций по
предотвращению дальнейших разрушений и укреплению берегов.
Накидной монтаж АФС 1990 г. северного побережья Финского залива и схема
дешифрирования береговой зоны на участке мыс Песчаный – Ушково
Динамика северного
берега восточной части
ФЗ по результатам
сравнительного анализа
АФС 1990г. и КС Quick
Bird за 2005г.
1959
1990
Динамика северного берега
залива и изменение зоны
распространения
подводных береговых
валов (изменение ширины
зоны в пределах 0,5-1,4 км)
и, следовательно,
мощности вдольберегового
потока наносов на участке
восточнее м. Песчаный по
АФС 1959 и 1990 гг.
В районе устья реки
Приветная отмечается
максимальное нарастание
берега – на 20 м (0,7 м/год).
КФА-1000, 1989
размыв
аккумуляция
1990
1959
1981
1990
А) Фрагменты
накидного монтажа
АФС 1981 и 1990гг.
северного побережья
Финского залива на
участке
п. Солнечное –
Сестрорецк.
размыв
Б) Схема сопоставления
аэрофотоснимков АФС
1981г. и 1990г. на
участке п. Солнечное –
Сестрорецк.
нарастание
А)
Б)
Финский залив. Полоса пляжа,
по результатам автоматической
классификации по данным:
1 – АФС 1981г., 2 – АФС 1987г.,
3 – КС Quick Bird 2005г.
Желтый цвет - пляж, зеленый прибрежно-водная
растительность
Фрагмент КС Quick Bird 2003г.
Береговая зона ФЗ в районе г.
Сестрорецка (слева), положение
береговой линии (справа):
по АФС 1981г. – красная линия и
КС Quick Bird 2005г. – черная.
1990
Северный берег
Невской губы на
участке от Ольгино до
Лахты по данным АФС:
1981, 1982, 1990 гг.
размыв
нарастание
1982
Наблюдаются признаки размыва (1) и
нарастания (2) берегов.
Размыв, в большинстве случаев,
составляет 0,5-1 м.
1981
Выводы
Берега восточной части Финского залива, как северный, так и южный, почти
на всем своем протяжении относится к типу абразионных.
Аккумулятивные берега встречаются гораздо реже, в виде отдельных
участков среди абразионных берегов.
Как вдоль северного, так и вдоль южного берега существует поток наносов,
ориентированный на запад. ВПН вследствие слабого размыва береговых
отложений находятся в состоянии недонасыщенности. Это приводит к
существующим на значительных участках берега режимам абразии.
Однако для отложений, слагающих берега залива, во многих местах
характерно наличие большого количества валунного материала, вследствие
чего они достаточно устойчивы.
Наличие резких изгибов береговой линии приводит в таких местах к потере
наносодвижущей силы и отложению из ВПН большей части взвешенного
материала. Это приводит к образованию аккумулятивных участков
побережья. После которых ВПН снова находится в состоянии
недонасыщения и абразия вдоль его пути продолжается.
Вследствие сравнительно высокой устойчивости берегов, несмотря на условия
размыва, в которых они находятся, величина размыва повсюду сравнительно
невысока, так же как и величина нарастания. Поэтому можно говорить о
сравнительной стабильности берегов восточной части Финского залива.
Подъем уровня океана способствует размыву морских берегов. Поскольку
величина этого подъема превышает величину изостатического поднятия
берегов, то можно говорить о нарастании режима абразии для всех берегов
Финского залива вследствие подъема уровня океана.
Особенно сильно и отрицательно подъем уровня должен сказаться на берегах
Невской губы, которые находятся в зоне интенсивного опускания земной
поверхности.
В работах разных авторов отмечаются расхождения и даже прямо
противоположные заключения о динамике некоторых участков береговой
зоны. Это говорит о том, что вопрос требует более обстоятельных
исследований, а в дальнейшем обязательного мониторинга, учитывая
интенсификацию хозяйственно-экономического освоения БЗ в исследуемом
районе и его исключительную важность для СПб и Ленинградской области.
Техногенные воздействия на экосистему ФЗ
Негативные проявления и даже опасные ситуации в береговой зоне могут
возникнуть при нерегулируемой хозяйственной деятельности и
недостаточном учете экологических последствий. Поэтому планирование и
осуществление строительства портовых и других сооружений, проведение
капитальных дноуглубительных работ, отвалов грунта, изъятия гравия и
песка для строительных нужд с образованием подводных карьеров, намыва
берегов и новых островов и др., требуют особого внимания. При этом
мониторинг береговой зоны необходимо проводить до начала
гидротехнических работ в период проведения и после их завершения.
Значительную опасность для аквальных и прибрежных экосистем
представляют интенсивные, длительные и, охватывающие значительные
пространственные масштабы, воздействия дреджинга. Именно такая
ситуация сложилась в акватории Невской губы и восточной части ФЗ в
период 2006-2008гг. при реализации проекта «Морской фасад». По данным
спутникового мониторинга в Невской губе и восточной части ФЗ постоянно
отмечалась высокая степень загрязнения вод взвешенными осадками –
«грязные» и «очень грязные» воды. Концентрации взвеси часто превышали
300 мг/л, зоны с высоким содержанием взвеси охватывали значительную
часть акватории, распространяясь в залив на 150 и более км.
Загрязнение Невской губы и восточной части
Финского залива взвешенными осадками
в период реализацией крупномасштабного проекта
«Морской фасад Санкт-Петербурга»
L5_06_08_2006_RGB_321
Изображение восточной части Невской
губы за 12.10.2006 г., IKONOS.
1 – очень высокие значения
концентраций взвешенных осадков
(КВО), 2 – высокие значения КВО,
3 – средние значения КВО,
4 – низкие значения КВО,
5 – нефтяные загрязнения, 6 – отмели и
мели, 7 – строящийся причал,
8 – фоновые для Невской губу
концентрации взвеси, 7-8 мг/л.
8
Масштабы и интенсивность загрязнения
акватории взвесью 12.10.2006 г., MODIS
Загрязнение акватории взвешенными осадками по данным
ENVISAT/MERIS за 08.08.2007 г.
Л
Пятно взвеси в северной части Невской губы
по данным Quick Bird за 08.08.2007 г.
и результаты классификации:
Л – Лахтинский залив,
Ш – шлейф выпуска очистных сооружений,
1 - 6 – зоны с различным содержанием
взвешенных веществ,
М – максимальные значения концентраций
взвеси (более 300 мг/л).
Ш
М
П
КС Aqua/MODIS за 24.11.2007г.
Распределение взвешенных
осадков в восточной части ФЗ.
1 – максимальные значения
концентраций взвеси;
2 – минимальные концентрации;
3 – фоновые воды; 4 - начало
процесса льдообразования
в Невской губе
КС Landsat/TM за 09.08.2007.
Распределение взвешенных
осадков в восточной части ФЗ.
1 – максимальное содержание
взвеси (>300 мг/л);
2 – «цветение» сине-зеленых
водорослей;
3 – фоновые воды
Интегральное техногенное воздействие на акваторию Невской губы
и восточной части Финского залива. Идентификация различных
источников загрязнения акватории по данным сенсора MODIS
Изображение MODIS за 05.11.2007г.
Гидротехнические работы ведутся в
рамках проекта «Морской фасад СПб»
и в южном створе КЗС.
Значения яркостей изображения
MODIS в канале 1.
Спутниковое изображение TERRA/MODIS
за 14.11.2007г. Загрязнение акватории
взвешенными веществами:
1 - очень грязные воды,
2 – грязные,
3 – загрязненные,
4 - умеренно загрязненные.
5 – облака, 6 – тени от облаков.
Распределение взвешенных веществ в Невской губе и в
восточной части ФЗ 24 ноября 2007г. по данным
MODIS, свидетельствующие о том, что загрязнение
взвесью сохраняется длительное время после
прекращения
гидротехнических
работ.
Взвесь
распространяется на значительные расстояния
(до 200 км): 1 – максимальные значения концентраций
взвеси; 2 – минимальные; 3 – фоновые воды; 4 - начало
процесса льдообразования.
Мониторинг геологической среды
Нарвского водохранилища
Район Нарвского водохранилища
по данным КС сверхвысокого разрешения
WorldView-2 от 4 августа 2011г.
(RGB изображение – каналы 421+PAN)
Карта-схема центральной части Нарвского водохранилища м-ба 1 : 25 000, составленная на основе
тематического дешифрирования космических снимков детального разрешения World View-2
с учетом данных полевых наблюдений, проведенных ВСЕГЕИ.
Исследование берегов
Куйбышевского водохранилища
на основе использования МДЗ
На основе ретроспективного анализа данных АФС и КС
проведен анализ изменчивости берегов Куйбышевского
водохранилища в районе с. Криуши за период 19562001гг.
Отступание берегов со времени создания
водохранилища до 1985 года в начале нулевых
достигало 120-215м.
По данным КС Landsat/ETM+ зафиксировано
Изменчивость берегов Куйбышевского водохранилища за период
1956-2001гг. по данным ретроспективного анализа АФС и КС
Размыв низкого абразионного берега сложенного суглинками.
Куйбышевское водохранилище, участок берега в районе с. Криуши. На АФС
от 1959г., нанесены линии берега по данным АФС 1956, 1962 и 1985гг. и по
КС 2001г. (Landsat/ETM+)
Характер переформирования берегов водохранилищ зависит от
комплекса гидрологических факторов – ветро-волнового,
уровенного и ледового режимов, водного баланса, формы и
размеров чаши водохранилища.
Интенсивность экзогенных процессов по берегам водохранилищ
определяется устойчивостью и составом слагающих пород,
глубинами в береговой зоне и плановым видом побережья. На этот
сложный процесс влияют также ширина акватории, высота
береговых откосов, простирание последних относительно
господствующего распространения волн и др.
Оползни широко развиты как на берегах моей, так и на берегах рек
и водохранилищ. Оползни – это обрушение, сползание вниз части
высокого берегового склона, образованного в неустойчивых
породах. Причиной могут быть сейсмические толчки, грунтовые
воды, подмыв берегового склона и др.
Экзогенные процессы на берегах Куйбышевского
водохранилища по состоянию на 1990 год
Условные обозначения:
1957
Известно, что население Ульяновска
(ранее Симбирск) страдает от оползней
на протяжении сотен лет. Произошедшее
в 1785 году, обрушение Симбирской горы
Венец, упоминается в литературе как
самое разрушительное по своим
последствиям.
Высокий уровень оползневой
активности наблюдался в районе
Ульяновска в 1902, 1915, 1955,
1957гг.
Правосторонний берег
Куйбышевского водохранилища
севернее г. Ульяновск:
а) аэрофотоснимок оползня
от 28 мая 1963г.
б) данные полевых наблюдений,
профиль по линии обозначенной
на АФС красным цветом.
Участок Куйбышевского водохранилища в районе г. Ульяновска по данным
LANDSAT/ETM+ за 29 июня 2001 г. (фрагмент спутникового изображения, канал 3).
Белым цветом показаны обновленные оползни (1), темно-красным –
стабилизировавшиеся оползни (2), 3 - строящийся мост, 4 - местоположение участка
берега приведенного справа на АФС.
Защита оползневого
берега тетраподами в
районе г. Ульяновска по
данным АФС 60-х гг.
Местоположение
участка показано на КС
МОНИТОРИНГ ЭКЗОГЕННЫХ
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
АРКТИЧЕСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ
ЭКЗОГЕНННЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА ТЕРРИТОРИИ
ТИМАНО-ПЕЧОРСКОЙ НЕФТЕГАЗОНОСНОЙ ПРОВИНЦИИ
Методика исследований
•
•
•
•
•
Обработка и анализ данных осуществлялись на базе программного
обеспечения ГИС (ERDAS Imagine, Map Info) и включали следующие
операции:
пространственное
совмещение
разновременных
снимков,
топографических, геологических и ландшафтных данных;
относительная радиометрическая калибровка снимков ;
интерактивное
дешифрирование
разновременных
снимков,
вычисление площади изменившихся объектов;
выявление изменений в автоматическом режиме с использованием
различных алгоритмов (создание цветовых композиций RGB из
разновременных изображений, создание разностных изображений с
последующей классификацией, метод главных компонент);
анализ спектральных характеристик и построение спектральных
кривых для различных объектов.
Расположение тестовых участков
Район исследований расположен в Варандейском районе на севере ТПП в
тундровой зоне.
Территория Варандейского
промышленного узла с момента
открытия первого месторождения УВ
в 1933 г. подвергается активному
хозяйственному освоению. В последнее
время техногенное воздействие
существенно активизировалось в
связи со строительством
нефтепереливного терминала
«Варандей», являющегося опорным
объектом для экспорта нефти, добытой
в ТПП и нефтепровода Южное
Хылчую – Варандей. Эксплуатация
месторождений УВ и строительство
сооружений приводят не только к
механическому, химическому и
тепловому воздействию на мерзлые
породы, но и к значительному
загрязнению озер и рек.
2
Landsat 4 RGB (03.08.1988)
Тестовые участки и их номера
Изменения ландшафта под действием природных и
антропогенных факторов
Изменения объектов береговой
зоны (синий цвет - участки
размыва берега, красный участки намыва, развеваемые
пески, сооружения)
Участок 1
RGB: R – ALOS AVNIR2 (3 канал), 2007; G и B – LANDSAT 4 TM (3
канал), 1988. Цифрами со стрелками указаны площади
изменившихся объектов береговой зоны, 1-10 – номера
термокарстовых озер, в которых произошли изменения
Создание разностных изображений
Участок 1
Классификация изменений по изображению разности 3 канала ALOS AVNIR, 2007 и
3 канала LANDSAT 4 TM, 1988 (красный – участки с увеличением значений яркости,
синий – участки с уменьшением значений яркости)
Загрязнение термокарстовых озер
Создание цветовых композиций
Участок 2
RGB: R–ALOS AVNIR2 (3 канал), 2007;
G и B–LANDSAT 7 ETM + (3 канал), 2000
Выводы
· Материалы разновременных космических съемок являются
эффективным инструментом для мониторинга ЭГП, таких как
изменения термокарстовых озер и береговой линии морей, а также для
оценки степени загрязнения озер и рек.
· Наиболее простым и быстрым способом выделения изменений
ландшафта под действием природных и антропогенных факторов в
автоматическом режиме является метод создания цветовых
композиций RGB из разновременных изображений, а для оценки
степени загрязнения озер – анализ спектральных характеристик
(спектральных кривых).
· Анализ изменений термокарстовых озер в северной части ТПП
показал, что с 1988 г. по 2000 г. отмечено интенсивное высыхание озер
в тундровой зоне и слабое – в лесотундровой; с 2000 г. по 2007 г. –
замедление процессов высыхания озер в тундровой зоне и увеличение
их площади в лесотундровой, особенно на участках активного
хозяйственного освоения.
Динамика эрозии берегов в
условиях многолетней мерзлоты
Группа авторов* исследовала скорость
эрозии берегов полуострова Быковский
(море Лаптевых) на основе МДЗ за период
1951-2006 г. Береговая линия,
характеризующаяся наличием пород
ледового комплекса и влиянием стока р.
Лена, отступает со средней скоростью 0,59
м/год за период 1951-2006 г. За
рассматрива-емый период величина
изменения берегов составила от 434 м для
процесса разрушения и до 92 м для
приращения берега. Режимы и скорости
эрозии зависят от строения берега,
сильная эрозия связана с пониженными
участками берега и современной или
прошлой термокарстовой активностью.
Сопоставление ветровых условий (по
данных метеостанции Тикси) с
полученными результатами для скоростей
эрозии не выявили существенной
зависимости.
*Lantuit, H., Atkinson, D., Overduin, P. P., Grigoriev, M.,
Rachold, V., Grosse, G., & Hubberten, H.-W. Coastal erosion
dynamics on the permafrost-dominated Bykovsky Peninsula,
north Siberia, 1951-2006 - Polar Research, 2011.
В работе были использованы АФС и КС за период 1951-2006 г.
с пространственным разрешением 2-2,5 м.
Последовательность процесса эрозии береговой зоны в юго-восточной
части полуострова Быковского
Современное положение береговой линии приблизилось к границе аласов,
что обуславливает значительное уменьшение степени эрозии берега.
Геоэкологический мониторинг Арктики на основе использования ДДЗЗ
должен проводится при обязательном привлечении радарных съемок
Фрагмент радиолокационного
изображения береговой зоны
Новой Земли, по данным
RADARSAT-2 от 07.05.2013г.
В настоящее время доступны
радарные снимки детального
разрешения (TerraSAR,
SkyMED), которые могут быть
успешно использованы и для
решения задач мониторинга
береговых зон арктических
морей.
СПАСИБО
ЗА ВНИМАНИЕ!