На правах рукописи НИКОЛЬСКИЙ ДМИТРИЙ
advertisement
На правах рукописи НИКОЛЬСКИЙ ДМИТРИЙ БОРИСОВИЧ РАЗРАБОТКА ПРОФИЛЬНО-ПЛОЩАДНОЙ МЕТОДИКИ СПУТНИКОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ОСТРОВНЫХ ЛЕДНИКОВ РОССИЙСКОГО ЗАПОЛЯРЬЯ (Специальность: 25.00.34 – Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2013 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет геодезии и картографии» (МИИГАиК) на кафедре Прикладной Экологии и химии. Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Малинников Василий Александрович Официальные оппоненты: Зверев Анатолий Тихонович, доктор геолого-минералогических наук, профессор, Московский государственный университет геодезии и картографии, кафедра природопользования и географии, заведующий кафедрой Барталев Сергей Александрович, доктор технических наук, профессор, Институт космических исследований РАН, лаборатория мониторинга наземных экосистем, заведующий лабораторией Ведущая организация: Институт Географии Российской Академии Наук Защита состоится «19» декабря 2013 года в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.143.01 при Московском государственном университете геодезии и картографии по адресу: 105064, Москва К-64, Гороховский пер., д. 4, МИИГАиК, зал заседаний Ученого совета. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного университета геодезии и картографии. Московского Автореферат разослан «___» ____________ 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета _____________ Степанченко А.Л. 2 Общая характеристика работы Актуальность диссертационной работы: Задача получения современной достоверной топографо-геодезической информации особенно остро стоит для самых северных территорий Российского Заполярья. Этот островной регион, покрытый ледниками, является одним из наименее изученных регионов Российской Федерации и наименее изученным регионом во всей Арктике. Ледники Заполярья не включены в международную сеть мониторинга ледников, так как по ним нет доступной комплексной аналитической информации и актуальных сведений. Сегодня единственным достаточно полным собранием сведений о ледниках Российского Заполярья являются топографические карты и «Каталог ледников СССР», содержащие информацию о характеристиках ледников по состоянию на 1950-1980 гг. Для исследования и освоения Заполярья необходимы новые топографические и тематические карты, необходима актуальная информация о современном состоянии наиболее динамично изменяющихся объектов – ледниках, регулярный мониторинг их изменений. «Стратегией развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года» предусмотрено выполнение картографических работ, информационно-телекоммуникационных а также технологий, внедрение в том современных числе методов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в Арктике. Современные методы исследования поверхности Земли и выполнения топографо-геодезических работ в региональном масштабе основаны на использовании данных ДЗЗ из космоса, позволяющих в сжатые сроки получить высокоточную геопространственную основу для обширной территории. Из-за сложных погодных значительную использовать условий часть времени и недостаточной для радиолокационные арктических данные и освещенности территорий специализированные поверхности целесообразно методы их обработки, позволяющие получить наиболее полную информацию о ледниковой поверхности. Для получения корректных достоверных результатов при работе с данными ДЗЗ требуется наличие опорной информации, источниками которой могут служить либо топографические карты территории с незначительными изменениями, либо координаты геодезических пунктов, 3 либо точки полевых работ с ГЛОНАСС/GPS координатами. Если в качестве плановых опорных точек при среднемасштабном картографировании использован контуров ряд с (1:100 000, 1:200 000) имеющихся может топографических карт быть или ортотрансформированные снимки сверхвысокого разрешения, то для получения высотной опорной информации ни один из приведенных источников не подходит, так как высоты поверхности ледников сильно изменились за 50-ти летний период, а масштабные полевые работы непосредственно на ледниковой поверхности в Заполярье очень сложны, опасны и дороги. Современные методы обработки какого-либо вида данных ДЗЗ не позволяют получить полную актуальную пространственную информацию о ледниках, поэтому необходима комплексная методика обработки разнородных данных, учитывающая их сильные и слабые стороны, а также наличие и доступность данных. В работе предлагается методика, позволяющая проводить исследования изменений ледников и их картографирование на основе дистанционного профильно-площадного спутникового зондирования. В качестве основных исходных пространственных данных предлагаются интерферометрические пары радиолокационных снимков, а в качестве источника высотной опорной информации – данные высокоточных альтиметрических измерений высот ледниковой поверхности. Разработанная методика может стать основой системы мониторинга ледников Заполярья, позволит получить количественные и качественные оценки изменений оледенения Российского Заполярья. Цель диссертационной работы: Разработка методики профильно-площадного спутникового зондирования ледников, основанной на совместной обработке альтиметрических, радиолокационных и оптических данных ДЗЗ, для задач регионального мониторинга, среднемасштабного картографирования и анализа изменений объема, режима и баланса массы ледников Российского Заполярья. Основные задачи исследования: - изучить информацию об основных объектах и дистанционных методах их исследования, выполнить сбор и подготовку экспериментальных баз данных; - выполнить анализ современных методов и программных средств обработки спутниковых данных профильной альтиметрии и площадной интерферометрии; 4 - разработать профильно-площадную методику спутникового зондирования островных ледников Российского Заполярья; - провести апробацию методики в рамках научно-исследовательских проектов по исследованию изменений ледников Российского Заполярья; - создать серию среднемасштабных тематических карт и моделей изменений наиболее удаленных ледниковых комплексов Российского Заполярья за период 1950 – 2010 гг.; - получить количественные и качественные оценки изменений объема, режима и баланса массы исследуемых ледников Российского Заполярья. Объекты исследования: Ледниковые комплексы и отдельные ледники наиболее удаленного и малоизученного региона Российского Заполярья, включающего: Землю ФранцаИосифа, Северную Землю, острова Де-Лонга, часть Северного острова Новой Земли и отдельные острова: Виктория и Ушакова. Предмет исследования: Методы и технологии обработки данных ДЗЗ для задач мониторинга, картографирования и количественного анализа изменений покровного оледенения. Методы исследования: В исследовании использованы численные методы; методы цифровой обработки изображений; методы фотограмметрической обработки данных ДЗЗ; методы интерферометрической обработки радиолокационных данных; методы профильно-площадная методика картографического, статистического и визуального анализа. Научная новизна работы: - предложена не имеющая аналогов спутникового зондирования ледников, предусматривающая комплексную совместную обработку радиолокационных, оптических и альтиметрических данных ДЗЗ, учитывающая региональные особенности и рациональное использование имеющихся данных; - определены современные размеры оледенения наиболее северных ледников Российского Заполярья (2010 – 2012 гг.), данные о режиме, балансе массы и характере изменений; 5 - установлено существование растущих ледников на фоне общего отрицательного характера изменений объема, режима и баланса массы ряда ледников Российского Заполярья за период 1950-е – 2010-е гг.; - установлены существенные ошибки в плановом положении ряда крупных отдельных удаленных островов с ледниками на топографических картах масштабов 1:200 000 – 1:1 000 000 (1957-1965 гг. и более поздние переиздания). Результаты диссертационных исследований, выносимые на защиту: 1. Методика профильно-площадного спутникового зондирования ледников, основанная на совместной обработке альтиметрических, радиолокационных и оптических данных ДЗЗ; 2. Технологические схемы обработки данных ДЗЗ, использование которых предусмотрено разработанной методикой; 3. Рекомендации и пошаговые инструкции по обработке данных в рамках разработанной методики; 4. Результаты исследования изменений объема, режима и баланса массы исследуемых ледников Российского Заполярья за период 1950-е – 2010-е гг.: - серия моделей изменений ледников; - серия тематических карт изменений ледников; - результаты количественного анализа, свидетельствующие о наличии растущих ледников на фоне общего уменьшения площади занятой ледниками; - уточненные границы арктических островов. Практическая значимость: Предложенная методика комплексной обработки радиолокационных, оптических и альтиметрических данных разрабатывалась в ходе 3 научноисследовательских проектов (два международных: INTEGRAL и SMARAGD в Joanneum Research, институт информационных и коммуникационных технологий, Грац, Австрия и в рамках НИР «Географические исследования северных территорий России по материалам космических съемок», МИИГАиК). Совершенствование и практическое применение представленной методики проводилось в рамках международного проекта MAIRES – Мониторинг ледников и морских льдов Арктики с использованием российских и европейских данных ДЗЗ в 2012-2013 гг. для 6 исследования арктических ледниковых комплексов. Предложенные подход и методика могут использоваться для картографирования и анализа изменений для ледников покровного типа в глобальном масштабе. Апробация работы: Основные положения и результаты исследования представлены на научнопрактической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК (Москва, 2007 г.), на юбилейной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК (Москва, 2009 г.), на Генеральной ассамблее Европейского союза наук о земле EGU General Assembly 2012 (Австрия, Вена, 2012 г.), на научно-технической конференции профессорско- преподавательского состава "МИИГАиК-234" (Москва, 2013 г.), на Всероссийской конференции с международным участием «Применение космических технологий для развития арктических регионов» КТАР-2013 (Архангельск, 2013 г.), на одиннадцатой открытой Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса» (Москва, 2013 г.). Публикации: Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 9 статьях, в том числе 2 – в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России. Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, состоящего из 119 наименований и двух приложений. Общий объем работы составляет 158 страниц машинописного текста, включая 104 рисунка и 14 таблиц. Краткое содержание работы Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель работы и основные задачи исследования, отмечены научная новизна, практическая значимость и международное сотрудничество в рамках диссертационной работы. 7 Первая глава посвящена описанию района и объектов исследований, здесь рассмотрены вопросы изученности ледников, наличия информации и темпы ее старения, а также особенности спутникового дистанционного зондирования ледников. В качестве основного района исследований (рис. 1) был выбран наиболее удаленный и малоизученный регион Российского Заполярья, включающий: Землю Франца-Иосифа, Северную Землю, острова Де-Лонга, часть Северного острова Новой Земли и два отдельных острова (Виктория и Ушакова). Район характеризуется значительной степенью оледенения (среднее значение составляет 53% от общей площади), значительными изменениями гляциоклиматических условий в широтном и меридиональном направлениях, а также крайне суровым климатом. Рис.1. Район исследований (красный контур). Цифрами обозначены: 1 – о. Виктория,2 – Земля Франца-Иосифа, 3 – о. Ушакова, 4 – о. Шмидта, 5 – Северная Земля, 6 – о-ва Де-Лонга, 7 – Новая Земля. Большинство ледников исследуемого района относится к покровному оледенению полярного (холодного) типа, представляющие собой островные ледниковые покровы, изолированные друг от друга акваториями проливов и выходами скальных поверхностей. Ряд самых северных и наименее изученных островных ледниковых комплексов и ледников бассейнов морей Баренцева, Карского и Лаптевых являются непосредственными объектами исследования. Значительная часть исследуемых ледников представляют собой островные ледники или ледниковые комплексы, занимающие практически весь остров, за исключением участков выхода скальных поверхностей. Отличительной особенностью таких островов - ледяных шапок является отсутствие быстродвижущихся выводных 8 ледников. К такому типу относятся ледниковые комплексы, расположенные на островах в акваториях Баренцева и Карского морей: Виктория, Артура, Гогенлое, Райнера, Ева-Лив, Фреден, Ушакова, Шмидта. Эти острова отличает достаточно небольшие площадь и высоты поверхности. Ледники островов Де-Лонга представляют собой небольшие ледниковые шапки, лежащие на возвышенностях, высоты которых достигают 400 м. Также среди объектов исследования есть два сложных ледниковых комплекса, включающих в себя быстродвижущиеся выводные ледники: Северная ледниковая шапка, которая является обособленной частью Главного Ледникового Щита Северного острова Новой Земли, и остров Рудольфа. В настоящее время основным опубликованным источником геопространственной информации об исследуемых ледниках Российского Заполярья являются стандартные топографические карты, созданные по результатам топографогеодезических работ на основе стереофотограмметрической аэросъемки 50-х – 80-х гг. XX века. Большой объем общей фактической информации, а также конкретные численные топографические и морфологические характеристики, некоторые данные по режиму ледников и объемам льда содержатся в «Каталоге ледников СССР», тематических атласах, монографиях, посвященных вопросам оледенения региона и отдельных арктических архипелагов, а также большом числе публикаций в научных журналах. Топографические карты могут рассматриваться как источник полной, но ретроспективной информации, поскольку вопрос старения топографической информации для территорий, значительную часть которых занимают ледники – является определяющим. Ледники являются динамическими объектами и имеют очень быстрые темпы изменений по сравнению с большинством других природных объектов. Следовательно, вопрос получения актуальной информации для данного региона стоит достаточно остро. Причем наиболее целесообразным и с практической (возможность получения большого числа данных ДЗЗ с различными характеристиками), и с экономической точек зрения (существенно боле низкие затраты по сравнению с организацией и выполнением аэросъемки) является использование именно спутниковых методов ДЗЗ для изучения труднодоступных полярных регионов. Для получения качественных и количественных характеристик исследуемых 9 ледников необходимо комплексное использование различных методов, средств и видов обработки данных, которое учитывает региональные географические и климатические характеристики и особенности подстилающей поверхности. Во второй главе приведено общее описание фотографических, оптикоэлектронных, радиолокационных и альтиметрических спутниковых систем ДЗЗ, рассмотрены методы спутникового дистанционного зондирования ледников и продемонстрированы конкретные примеры обработки различных видов данных для исследуемых объектов. Методы спутникового дистанционного зондирования ледников сгруппированы по видам выходной информации: получение плановой информации, определение высот ледниковой поверхности и измерение скоростей течения ледников. Основными источниками актуальной плановой информации являются космические снимки, получаемые в оптическом и микроволновом диапазонах длин волн. Использование таких видов данных для определения современного положения объектов, их границ и анализа изменений требует обязательного выполнения фотограмметрической обработки. В ходе фотограмметрической обработки (ортотрансформирования) устанавливается соответствие между точками на снимке и точками, расположенными на земной поверхности. Для повышения плановой точности при ортотрансформировании необходимо использовать цифровую модель местности. Если объект исследования не покрывается одним снимком, то выполняется создание мозаики из нескольких ортотрансформированных снимков. Полученная геопространственная основа используется для получения современных границ ледниковых комплексов. Задача определения высот ледниковой поверхности или их изменений является существенно более сложной, чем задачи определения географического положения и плановых характеристик ледников. Во-первых, это связано с физическими свойствами снежно-ледовых поверхностей, к которым относятся значительный коэффициент отражения и структурная однородность, во-вторых, это связано с топографией исследуемых ледниковых поверхностей, которые представляют собой гладкие пологие куполообразные шапки. Наиболее точные дистанционные данные о высотах ледниковой поверхности можно получить с помощью лазерного альтиметра GLAS, установленного на 10 спутнике ICEsat (2003 – 2009 гг.). Альтиметрические данные, полученные спутником ICEsat, представляют собой профильные точечные измерения с очень высокой точностью определения высоты поверхности (порядка 10 см), измерение проводится для участка поверхности с диаметром около 70 м. Размер «пятна» измерения является достаточно большим, но для пологой куполообразной поверхности ледника изменение высоты на таком расстоянии является незначительным и не оказывает существенного влияния на точность. Расстояние между соседними точками измерений составляет чуть более 170 м. Среднее расстояние между профилями на широтах 80-81° (Земля Франца-Иосифа) соответствует 12 км. Среднее расстояние между профилями на широте 75-77° (Новая Земля) соответствует 20 км. Высоты поверхности, определяемые с помощью спутника ICEsat, являются уникальным проверочными и контрольными данными, которые могут использоваться совместно с другими источниками высотной информации, а также служить источником для топографических определений высот ледниковой поверхности. На рис. 2 приведен сравнительный профиль, на котором показаны значения высот по измерениям ICEsat и значения высот для этих же точек, определенных по топографическим картам. Рис.2. Сравнительный высотный профиль (Северная ледниковая шапка, Новая Земля). Стереосъемка в оптическом диапазоне длин волн является самым распространенным дистанционным способом определения высот поверхности, но ввиду сложных метеоусловий, не достаточной освещенности и однородного характера ледниковой поверхности ее использование в этом регионе ограничено. Радиолокационная использующий эффект интерферометрической интерферометрическая интерференции обработки съемка – электромагнитных радиолокационных метод измерений, волн. данных Техника предполагает получение нескольких когерентных измерений одного и того же района земной 11 поверхности со сдвигом в пространстве приёмной антенны. Данный метод существенно меньше зависит от освещенности и метеоусловий в регионе, так как съемка выполняется на больших длинах волн (3,1 – 27 см). изображение содержит информацию об амплитуде и Радиолокационное фазе сигнала. Пара интерферометрических снимков, полученных либо единовременно, либо со сдвигом во времени, позволяет рассчитать интерферометрическую фазу: Ф = Фtopo + Фdef + Фatm + Фn, где: Фtopo – фаза за счет обзора топографии под двумя разными углами; Фdef – фаза за счет смещения поверхности в период между съемками; Фatm – фаза за счет различия длин оптических путей из-за преломления в среде распространения сигнала; Фn – вариации фазы в результате электромагнитного шума. Наличие компонент Фdef и Фatm вызывает трудности при расчете цифровой модели рельефа (ЦМР). При получении снимков с разницей в 1 сутки очень существенные ошибки (вплоть до сотен метров) возникают в зонах быстро движущихся выводных ледников (Фdef). В то же время по таким интерферометрическим данным решается задача определения скорости течения льда, альтернативой чему могут служить только полевые исследования. Существенные ошибки также может вызвать неоднородность атмосферы во время съемок (Фatm). Для анализа произошедших изменений и определения современных высот ледниковой поверхности не достаточно какого-то одного из доступных видов данных ДЗЗ, необходимо использовать комбинацию нескольких видов данных. Основываясь на наличии данных и возможностях их обработки, наилучшим вариантом является комбинация интерферометрических радиолокационных (площадных) и альтиметрических (профильных) данных для исследования изменений высот ледниковой поверхности. В третьей главе подробно описана методология спутникового профильноплощадного зондирования ледников. Предложенная методика обработки данных дистанционного зондирования ледников предусматривает комплексирование площадных и профильных данных и решает задачу построения модели изменений ледниковой поверхности, на основе которой могут быть получены количественные 12 показатели современного оледенения и произошедших за определенный период времени изменений (рис. 3). Методика предусматривает обязательное использование опорной базовой информации о высотах поверхности, а именно ретроспективной цифровой модели рельефа (ЦМР), полученной на основе топографических карт 1950-х гг. Таким образом, при использовании современных радиолокационных и альтиметрических данных (условно 2010 год) временной период исследований составляет 60 лет. Топографические карты Интреферометрические данные Альтиметрические данные Опорная ЦМР Дифференциальная интерферометрия Расчет количественных и качественных характеристик современного состояния ледника посредством ГИСинструментов. Комплексирование дифференциальных данных Дифференциальная альтиметрия Формирование базы геоданных и карты изменений Дополнительные данные, в том числе оптические ДДЗЗ - построение опорной ЦМР; - обработка интерферометрических данных; - обработка альтиметрических данных; - обработка дополнительных данных; - комплексная обработка профильных и площадных данных. Рис. 3. Профильно-площадная методика дистанционного зондирования ледников. 13 Техническая реализация метода подразумевает выполнение последовательных шагов обработки данных: создание опорной ЦМР, интерферометрическую обработку радиолокационных данных, обработку альтиметрических данных, комбинирование полученных результатов, обработку дополнительных данных, формирование модели изменений ледника и расчет характеристик современного состояния ледника. Профиль Профиль 1 Профиль 2 Координаты района, выбор параметров Импорт в ASCII формат Импорт в ГИС формат (shp-файл) Трансформирование (перепроецирование) Объединение профилей в единый массив Высоты геоида ( ) Переход к абсолютным высотам Предварительная фильтрация Массив альтиметрических профилей ) Извлечение базовых высот для каждой точки Топографические карты Расчет изменений высот поверхности Базовая ЦМР ( Фильтрация Массив дифференциальных альтиметрических профилей Рис.4. Технологическая схема обработки альтиметрических данных. 14 Вертикальные изменения в конкретной точке hi представляют собой разность высот для этой точки, полученных из разновременных источников информации hi H1i H 0i ( H 0i - высота точки, определенная по более старому источнику – базовая высота, H 1i - высота точки, определенная по более современному источнику). В качестве базового источника информации по высотам целесообразно использовать имеющиеся топографические карты (полученную по ним растровую цифровую модель рельефа), в качестве же современного источника о высотах поверхности могут быть использованы альтиметрические измерения высот. На сегодняшний день это единственный прямой спутниковый дистанционный метод измерения высот поверхности. Тогда , где альт альт - современная высота точки, измеренная спутниковым альтиметром. На рис. 4 приведена разработанная технологическая схема обработки альтиметрических измерений (аналогичные схемы предложены для всех используемых видов обработки). Изменения высот поверхности могут быть рассчитаны для всех имеющихся точек альтиметрических измерений, но это не дает общей точной картины вертикальных изменений поверхности ледника ввиду дискретного характера альтиметрических измерений. Эта проблема может быть решена при комбинировании дифференциальных альтиметрических данных с данными дифференциальной двухпроходной радиолокационной интерферометрии. Двухпроходная дифференциальная интерферометрия предусматривает использование существующей ЦМР для создания синтезированной интерферограммы, которая впоследствии вычитается из действительной интерферограммы, полученной по паре радиолокационных снимков (рис.5а). Результирующим продуктом двухпроходной дифференциальной интерферометрической обработки является дифференциальная фаза, характеризующая изменения, произошедшие на местности во временной промежуток между состоянием местности на ЦМР и интерферограммой (рис.5б). Значения конкретной дифференциальной точке будут интерферометрической пропорциональны изменению относительно опорной высотной информации: h r sin(θ) , 4B 15 фазы высоты в каждой поверхности где r - наклонная дальность, - длина волны, θ - угол съемки, B перпендикулярная составляющая базы съемки, -интерферометрическая фаза. б) дифференциальная интерферограмма (вычтена ЦМР, полученная по картам), содержащая информацию о вертикальных изменениях а) интерферограмма, содержащая информацию о высотах поверхности Рис.5. Результаты интерферометрической обработки радиолокационных снимков (TerraSAR-X/TanDEM-X 16.04.2011, остров Ушакова). При обработке данных TerraSAR-X/TanDEM-X, которые были предоставлены для тестирования и апробации, в современных программных продуктах было невозможно перевести строгий пересчет фазовых значений в высоты из-за ограниченной поддержки таких данных. Если обрабатываются данные ERS-1/2 (или другие) с временной базой отличной от 0, то данное выражение не может применяться ввиду сложного характера интерферометрической фазы, которая обязательно включает в себя фазовую компоненту за счет движения льда (должны исключаться зоны выводных ледников, либо эти участки должны корректироваться по другим данным). Предложенная методика позволяет выполнить оценку вертикальных изменений поверхности с использованием ГИС-анализа исходных пространственных данных. Основная идея заключается в пространственном совмещении дифференциальных альтиметрических данных, дающих конкретные значения высот в виде сетки профилей, и результатов дифференциальной интерферометрической обработки радиолокационных данных в среде ГИС и проведения их совместного анализа. Таким образом, дифференциальные (эталонной) информацией альтиметрические для классификации профили фазового устанавливаемым градациям вертикальных изменений (рис.6). 16 являются опорной изображения по а) Дифференциальная интерферограмма + дифференциальные альтиметрические профили б) Классификация дифференциальной интерферограммы, выполненная по альтиметрическим профилям в) шкала градаций вертикальных изменений поверхности. Рис.6. Пример классификации дифференциальной интерферометрической фазы. Далее выполняется построение изолиний одинаковых изменений в соответствии с принятой шкалой на основе классифицированного изображения и дифференциальных дифференциальных альтиметрических профилей. интерферометрических При данных использовании TerraSAR-X/TanDEM-X возможно выполнить генерацию изолиний в автоматическом режиме с последующей коррекцией и интерполяцией. Отдельно выделяется изолиния с нулевыми изменениями, которая является границей питания ледника и делит его поверхность на зоны абляции и аккумуляции. Для границы питания на основе ЦМР вычисляется ее средняя высота, которая является важной характеристикой состояния ледника. На основе сравнения границ ледников, оцифрованных по топографическим картам, и современных границ, полученных по оптическим или радиолокационным данным ДЗЗ, формируется файл площадных изменений ледника (зоны отступания фронтов выводных ледников, зоны отступания на суше и зоны подвижек ледников). На основе этих данных формируется цифровая модель изменений ледника. В четвертой главе описаны исходные данные и выполненные экспериментальные исследования. Даны пошаговые инструкции по обработке альтиметрических профилей, интерферометрических пар радиолокационных снимков и комплексирования результатов. Приведено описание созданных цифровых моделей 17 и тематических карт изменений исследуемых ледниковых комплексов. Выполнен анализ полученных результатов. Исходные данные делятся на 3 группы: опорная базовая информация, информация о современных высотах поверхности и информация о современном положении границ ледников. Источником опорной высотной и плановой информации по исследуемым ледникам служат топографические карты масштаба 1:100 000 и 1:200 000, имеющиеся на всю территорию островной высокоширотной Российской Арктики. Топографические карты создавались по материалам стереофотограмметрической аэросъемки и наземных полевых измерений, проводившихся для различных районов в разное время в период 1950-х гг. Основными источниками актуальной информации о высотах поверхности служат альтиметрические и радиолокационные данные. Под радиолокационными данными здесь понимаются радиолокационные интерферометрические пары снимков, позволяющие получать площадную информацию о высотах ледниковой поверхности. Важными факторами при подборе этих данных являются стабильные погодные условия и минимальные временные базы. Оптимальными данными являются данные TerraSAR-X/TanDEM-X с нулевой временной базой, интерферометрическая фаза которых зависит только от высот поверхности. Также успешно могут использоваться данные тандемной миссии ERS-1/ERS-2 с временной базой в 1 сутки (1995-1996 гг), и данные ERS-2 за 2011 г с временной базой 3 суток, но для этих данных интерферометрическая фаза, помимо информации о рельефе поверхности, содержит информацию о движении льда, что вызывает определенные сложности при дальнейшей интерпретации данных на участки выводных ледников. Альтиметрические измерения (профили) высот, полученные сенсором GLAS спутника ICESat (доступны данные за 2003-2009 гг.), выполняют роль контрольной и опорной информации, дополнительно использовались данные Cryosat-2. Информация о современном положении границ ледников может быть получена как по оптическим, так и по радиолокационным данным. При наличии оптических данных основным источником информации о границах ледников являются именно они, так как на радиолокационных снимках лед не всегда отличим от свободной ото льда суши, и, как следствие, граница ледника не всегда может быть дешифрирована 18 достоверно. Для дешифрирования могут использоваться любые имеющиеся снимки с высоким или средним пространственным разрешением (не хуже 30 м). Разработка технологических схем и обработка данных выполнялась с использованием набора стандартных программных средств. Список рекомендуемого программного обеспечения включает в себя: SARscape – обработка радиолокационных снимков, интерферометрическая обработка; ENVI – привязка топографических карт, обработка оптико-электронных снимков, работа с продуктами интерферометрической обработки; NGAT – работа с альтиметрическими данными ICEsat; CrioView – работа с альтиметрическими данными Criosat-2; Global Mapper – пакетный импорт ASCII файлов альтиметрических профилей; ArcGIS – работа с векторными данными, построение ЦМР, ГИС-анализ данных, расчет характеристик, оформление результатов. Adobe Illustrator – оформление карт. Цифровые модели изменений ледниковой поверхности, полученные при обработке исходных данных по предложенной методике, представляют собой набор векторных слоев и растровых пространственных данных, в составе единой базы геоданных ArcGIS для каждого ледника или ледникового комплекса. Каждая база геоданных включает в себя следующие основные слои: - вертикальные и площадные изменения; - граница зоны питания; - современная граница ледника; - граница территорий свободных ото льда; - дифференциальные альтиметрические профили; - горизонтали с топографических карт; - отметки высот с топографических карт; - гидрография; - дифференциальная интерферограмма; - радиолокационное амплитудное изображение; - ортотрансформированный снимок в видимом диапазоне длин волн; - опорная цифровая модель рельефа; 19 - растровая топографическая карта. Посредством ГИС инструментов на основе этих данных выполняется расчет характеристик для исследуемых ледников, в число которых входят: изменение площади ледника за весь период исследований, среднее изменение высоты, изменение объема, отношение площади зоны аккумуляции к общей площади ледника, площадь ледника, площадь острова, длина ледяных берегов, средняя высота границы питания и др. (табл.1). Таблица 1. Количественные оценки изменений исследуемых ледников (1950-2010 гг). № 1 2 3 4 5 6 7 Ледниковый комплекс (ЛК) Ледяной купол о. Виктория ЛК о. Артура ЛК о. Рудольфа ЛК о. Райнера ЛК о. Гогенлое ЛК о. Ева-Лив ЛК о. Фреден ЛК о. Ушакова, Ледяной купол о. Шмидта* Ледяной купол Арктический (о. Комсомолец) о. Беннетта о. Генриетты о. Жаннетты Северная ледниковая шапка (Новая Земля) * * - значения H, м S зоны аккумуляции, км² ELA, м -0,4 -10,2 0 - -5,6 -12,3 -6,2 -2,3 -14,2 -3,9 -19,7 -0,7 -3,9 1,4 -0,2 -3,3 -0,3 0,8 -4,2 -11,5 13,7 -2,9 -8,7 -1 6,2 23 59 103 6 23 13 199 138 255 126 117 147 87 67 398,7 -39,4 -2,2 0,4 223 145 70 -29,9 -0,8 -0,8 39 37 60,3 5,8 0,27 -18,1 -1,1 -0,33 -0,3 -0,13 -0,016 2,6 -17,7 -26,3 45 1,6 0 228 183 - 2260 -140 +35 +0.6 1290 436 Изменения S, км² (соврем.) S, км² V, км³ 6,07 -4,47 84,1 279,1 127,1 24,7 256,1 34,4 310,9 рассчитаны при использовании высотной информации с топографических карт, вероятно, имеющих значительные ошибки. На основе полученных результатов была подготовлена серия из 12 среднемасштабных тематических карт (примеры приведены на рис.7), показывающих изменения за период 1950 – 2010 гг. Масштаб карт 1:200 000, за исключением карт островов Виктория, Генриетты и Жаннетты (1:100 000) и Северной Ледниковой шапки Новой Земли (1:250 000). Проекция UTM, зоны 37-57, эллипсоид WGS 84. Язык оригинала карт – английский. 20 Остров Ушакова, М 1:200 000 (1950-е – 2010-е). Остров Шмидта (Северная Земля), М 1:200 000 (1950-е – 2010-е). Рис.7. Примеры карт изменений островных ледниковых комплексов (шкала изменений приведена на рис.6, фиолетовым цветом показаны зоны отступания ледников). 21 Заключение В ходе теоретических и экспериментальных исследований решена главная задача диссертационной работы – разработана профильно-площадная методика спутникового зондирования островных ледников Российского Заполярья. С использованием разработанной методики была получена информация о современном состоянии и характере изменений ряда наиболее удаленных островных северных ледников дальнего Российского Заполярья, являющегося наименее изученным регионом Арктики. Для всех исследуемых ледниковых комплексов построены цифровые модели изменений ледниковой поверхности, позволившие получить количественные и качественные оценки изменений объема, режима и баланса массы ледников. Результаты оформлены в виде серии среднемасштабных тематических карт. Проведенные исследования позволили установить существование растущих ледников на фоне общего отрицательного характера изменений объема, режима и баланса массы ледников Российского Заполярья. Для ледяных шапок накопление льда (зона аккумуляции) в большинстве случаев приурочено к вершинам, в то время как понижение поверхности (зона абляции) приурочено к минимальным высотам. Таким образом, в сравнении с данными топографических карт, сами такие купола (Ушакова, Шмидта, Беннета, Артура, Фреден и др.) стали выше, а их склоны стали менее пологими. В ходе работы были установлены существенные ошибки в плановом положении (до 9 км) ряда крупных отдельных удаленных островов (Виктория, Ушакова, о-ва Де-Лонга) на топографических картах масштабов 1:200 000 – 1:1 000 000 (1957-1965 гг. и более поздние переиздания), что потребовало выполнить геопривязку базовых моделей рельефа на основе современных радиолокационных данных. Дополнительно следует отметить большую вероятность ошибки в указанных высотах вершины Северной ледниковой шапки (Новая Земля) на топографических картах, так как, выявленное нами накопление льда более чем в 200 метров за 50 лет, представляется крайне маловероятным. Предложенная методика имеет ряд ограничений при использовании радиолокационных интерферометрических данных с не нулевой временной базой и 22 наличием быстро движущихся выводных ледников. Интерферометрический метод обработки данных очень чувствителен к малейшим смещениям, происходящим между съемок, что вносит большие ошибки при анализе изменений для зон выводных ледников на основе интерферограмм. Идеальным вариантом является использование данных TerraSAR-X/TanDEM-X с нулевой временной базой, либо необходимо опираться на альтиметрические измерения и топографию поверхности для оценки изменений на участках выводных ледников. Апробация разработанной методики была проведена в рамках международного проекта MAIRES (Monitoring Arctic land and sea Ice using Russian and European Satellites) – Мониторинг ледников и морских льдов Арктики с использованием российских и европейских данных ДЗЗ. Научные статьи в рекомендованных ВАК РФ изданиях: 1. Малинников В.А., Никольский Д.Б. Методика обработки радиолокационных данных для целей топографического мониторинга высокоширотной Арктики // Известиях вузов: геодезия и аэрофотосъемка №4, 2011 г. Стр. 7178. 2. Никольский Д.Б. Профильно-площадная методика дистанционного зондирования ледников // Известиях вузов: геодезия и аэрофотосъемка №5, 2013 г. Стр. 77-83. Материалы, статьи и тезисы международных и всероссийских конференций: 3. A. Sharov & D. Nikolskiy. Semi-Controlled Interferometric Mosaic of the Largest European Glacier. Proceedings of the Envisat Symposium. Montreux, Switzerland, 2007. 4. Sharov A., Nikolskiy D., Tyukavina A. Geodetic estimates of glacier mass balance in Severnaya Zemlya // Geophysical Research Abstracts Vol. 13, EGU2011-5945-1, Vienna 2011. 5. Шаров А.И., Бушуева И.С., Никольский д.Б. Спутниковый мониторинг и региональный анализ динамики ледников Баренцево-Карского региона 23 (СМАРАГД) // Сборник статей по итогам международной научнотехнической конференции, посвященной 230-летию основания МИИГАиК, Москва 2009 г. Стр. 53-57. 6. Sharov A.I., Rieser D., Nikolskiy D.B. Glacier mass balance in high-arctic areas with anomalous gravity. EGU General Assembly 2012, State of the cryosphere: – Poster: http://presentations.copernicus.org/EGU2012-1177_presentation.pdf, Vienna observations and modeling (co-organized) 2012. 7. Nikolskiy D.B., Sharov A.I., Malinnikov V.A., Ukolova M.B. Dual-sensor mapping of mass balance on Russia’s northernmost ice caps. EGU General Assembly 2012, Remote Sensing of the Cryosphere – Poster: http://presentations.copernicus.org/EGU2012-251_presentation.pdf, Vienna 2012. 8. Sharov A.I., Nikolskiy D.B. Satellite map series of long-term elevation changes on Eurasia’s northernmost ice caps. In: R.Lasaponara (Ed) Proc. of the 33d EARSeL Symposium, Matera, Italy 2013. 14 p. 9. Никольский Д.Б. Современные методы дистанционного мониторинга ледников Арктической зоны РФ // Применение космических технологий для развития арктических регионов. Архангельск 2013 г. 24
