автореферат диссертации по геодезии, 05.24.02, диссертация на тему:Разработка теории и методов спутникового топографического мониторинга высокоширотной Арктики

?Г Б ОА

; 3 янв ша

На правах рукописи

ШАРОВ АЛЕКСЕЙ ИВАНОВИЧ

УДК 528.77:528.721

РАЗРАБОТКА ТЕОРИИ И МЕТОДОВ СПУТНИКОВОГО ТОПОГРАФИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВЫСОКОШИРОТНОЙ АРКТИКИ

05.24.02 - Аэрокосмические съемки, фотограмметрия, фототопография

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1997 г.

Работа выполнена в Московском государственном университете геодезии и

картографии

Официальные оппоненты:

д.т.н., проф. Журкин И.Г. д.г.н., проф. Книжников Ю.Ф. д.т.н. Топчиев А.Г.

Ведущая организация:

Институт географии Российской академии наук

Защита диссертации состоится «2о» Фе&Оо А Я_ 199 ¿г.

в Очас. на заседании диссертационного 'Совета Д 063,01.01 при Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК) по адресу: 103064 Москва, Гороховский пер., дом 4 (ауд. 321).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИГАиК. Автореферат разослан « I» Э^/СйТрЗ 1997г.

Ученый секретарь специализированного совета,

д.т.н., проф. , ^ ,.Сладкопевцев С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Вследствие экстремального географического положения и суровых, но динамичных природных условий арктические территории, обладающие громадными земельными и энергетическими ресурсами и богатейшими запасами минерального сырья, по праву считаются крайне проблематичным регионом для традиционных методов исследования и освоения, и являются на сегодня одним из наименее изученных районов Российской Федерации, в том числе и с топографической точки зрения. Отсутствие современных достоверных топографических знаний о природе Заполярья является важнейшей проблемой для хозяйственного развития, широкого освоения богатейших естественных ресурсов и обеспечения рационального природопользования в целях противоборства с наступающим экологическим кризисом этого региона.

Появление в 70-х годах XX века полярноорбитальных средств спутникового дистанционного зондирования обеспечивает большие потенциальные возможности для изучения природы высокоширотных районов Российской Арктики, включая и самые труднодоступные. Весь вопрос заключается в том, насколько оперативно и полно может быть использован этот потенциал для планомерных наблюдений, контроля и оценки современного состояния и топографических изменений обширных арктических территорий. Большое значение в этой связи приобретает теоретическое обоснование, разработка и совершенствование методов сбора и анализа периодической информации о состоянии и изменениях топографических объектов в системе космического мониторинга высокоширотной Арктики. Отметим, что применимость существующих методик по обработке и использованию спутниковой информации для мониторинга высокоширотной Арктики практически не исследовалась.

Актуальность спутникового топографического мониторинга Заполярья определяется первостепенной важностью его результатов для познания объективных закономерностей пространственной организации и эволюции высокоарктических геосистем, для утверждения новых более правильных географических воззрений на природу Арктики в целом и развития базовых наук о Земле, для создания новых и обновления существующих топографических карт, необходимых при проведении тематических исследований и планировании различных видов хозяйственной деятельности в регионе. Применение современных достижений спутникового дистанционного зондирования, методов цифровой обработки изображений и ГИС-технологий для топографического мониторинга в экстремальных

условиях высокоширотной Арктики имеет не только большую практическую значимость, но и вызывает особый научный интерес.

Основной идеей данной работы являлась оценка и использование потенциала спутникового дистанционного зондирования в интересах изучения современного состояния природной среды Заполярья на региональном, локальном и детальном уровнях и исследования топографо-гляциологических изменений, обусловленных различными геофизическими факторами. Немаловажным стимулом послужило стремление автора к обобщению в едином труде основных результатов и практического опыта, накопленного в период проведения ряда научно-технических работ в Московском государственном университете геодезии и картографии в 19841991 гг. и в ходе реализации двух международных научно-исследовательских проектов «Земля Франца-Иосифа» и «АРКТУР» в 1992-1997 гг.

Цель и задачи исследований. Целью настоящих исследований является научный анализ, обобщение и разработка теоретико-методологических основ и практических методов спутникового топографического мониторинга Российской высокоширотной Арктики. Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

• проведение всестороннего критического анализа существующей системы топографических знаний о Российской высокоширотной Арктике;

• выбор основного региона работ, сбор и систематизация необходимых картографических данных и материалов наземных и аэрокосмических съемок;

• определение предпосылок, задач, объектов, методов и концептуальных основ спутникового топографического мониторинга Заполярья;

• исследование и совершенствование методов топографического моделирования арктических территорий по материалам космической съемки на примере архипелага Земля Франца-Иосифа;

• создание алгоритмов обработки , разновременных космических изображений в целях определения основных районов и характера топографических изменений;

• обеспечение надежного геодезического обоснования и полевого контроля топографических определений в условиях островных территорий Крайнего Севера;

• создание и внедрение в практику топографической информационной системы на территорию федерального природного заказника «Архипелаг Земля Франца-Иосифа»;

• обзор принципиальных проблем топографических исследований в высокоширотной Арктике и выработка практических рекомендаций по

развитию универсальной методологии спутникового мониторинга полярных регионов.

Методология и регион исследований. Выполненные исследования основываются на использовании положений общей теории систем, закономерностей формирования полей электромагнитного излучения, теории дешифрирования и стереофотограмметрической обработки аэрокосмических изображений. Методологической базой диссертации является топографическое моделирование местности по разновременным космическим изображениям, включая различные виды физико-математического, графического, топологического, фотограмметрического и картографического моделирования, с использованием средств цифровой обработки изображений, компьютерной графики и ГИС-технологий, а также топографо-геодезические методы полевых наблюдений и измерений. При решении вспомогательных задач применялись общенаучные методы системного, статистического и регрессионного анализа, интеграции данных и контроля их точности, исторического подхода и пространственно-временных экстраполяций. В качестве основного региона исследований был выбран архипелаг Земля Франца-Иосифа (ЗФИ), располагающийся в экстремальных физико-географических условиях европейской части Российской высокоширотной Арктики и являющийся крупнейшим государственным природным заказником Заполярья с общей площадью 42000 км2.

Научная новизна. Предлагаемая диссертация является первой научной работой, посвященной анализу, обобщению и разработке теории и методов спутникового топографического мониторинга высокоширотной Арктики. Впервые предложены понятие и концепция спутникового топографического мониторинга и впервые разработаны теоретические основы и методология топографического моделирования арктических пустынных территорий Заполярья по материалам оптической и радарной космической съемки. По результатам исследований созданы первые отечественные спутниковые фотокарты на территорию арктических пустынь Российской Федерации.

К оригинальным теоретическим и практическим результатам диссертации относятся:

• результаты анализа и обобщения достижимых точностей, периодичности и масштабов спутникового топографического мониторинга высокоширотной Арктики;

» методические варианты топографического моделирования арктических территорий по разновременным и разноспектральным космическим изображениям;

• технологическая схема автоматизированного выявления топографических изменений по разновременным материалам космической съемки,

• методика оценки состояния облачного покрова и содержания водяного пара в атмосфере на моменты основных космических съемок;

• алгоритмы дешифрирования ледниковых' структур по разноспектральйым космическим изображениям; . '' .

• методика синтезирования многозональных изображений в условных цветах с использованием корреляционных процедур;

• методика составления цифровых спутниковых фотокарт высокоарктических территорий; • -

• практические результаты мониторинга и новые топографические, ¿ведения о природных условиях Заполярья. , ■ ' . -

В ходе исследований было сделано несколько географических открытий, к которым относятся обнаружение нескольких новых островов, исчезновейие острова Перламутровый, выявление случаев подвижек крупнейших выводных ледников ЗФИ. Впервые получены практические ; результаты прямых измерений, определяющих характер и тенденции топографических изменений в высоких широтах Арктики. . ' '

На защиту выносятся: у"

1. Концепция спутникового топографического мониторинга высокоширотной Арктики.

2. Теоретическое обоснование и методология топографического моделирования высокоарктических территорий по материалам космической съемки.

3. Теория и алгоритмы дешифрирования космических изображений арктических пустынь, полученных различными съемочными системами.

4. Автоматизированная технология выявления топографических изменений в высокоширотной Арктике, базирующаяся на методах корреляционного и интерферометрического анализа космических изображений.

5. Нетрадиционные методы оценки и повышения точности определения планово-высотного положения топографических объектов по разноспектральным спутниковым данным.

6. Принципы формирования и совершенствования содержания топографической информационной системы на районы Заполярья.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Авторские оригиналы спутниковых карт использовались в ходе трех международных научно-исследовательских экспедиций на ЗФИ в 1994, 1995 и 1996 гг. Несколько научных групп из Австрии, Германии, Италии, России и США, а также ряд туристических агентств выразили свою заинтересованность в

приобретении цифровых версий этих карт. Несколько десятков жземиляроп спутниковой фотокарты ЗФИ в масштабе 1:600000 и топографическая информационная система на территорию государственного природного заказника «Архипелаг Земля Франца-Иосифа» были приобретены Институтом географии РАН и используются в научно-исследовательской работе. Аналогичные запросы на эти материалы поступили из ААНИИ, агентства ВИКАР и администрации заказника.

Отдельные разработки и результаты, полученные в ходе выполнения настоящих исследований, использовались в четырех международных научно-исследовательских проектах («ЗФИ», «АРКТУР», TADAT Р8048 GEO, Проект №4464 Юбилейного фонда австрийского национального банка) и были включены в окончательные научно-технические отчеты по этим проектам. По результатам исследований автором были подготовлены несколько научно-технических отчетов по теме 640-Х, №87718, составлен раздел «Современное состояние и динамика оледенения ЗФИ» годового отчета Мурманского морского биологического института (1994 г.), разработана программа курса «Дешифрирование аэрокосмических изображений», опубликованы методические указания по курсовой и лабораторным работам. Некоторые из разработанных подходов и предложений по усовершенствованию использовались в Совете по кибернетике РАН при создании новых версий 1.4 и 1.5 программного пакета «ФОТОМОД». Практическая значимость работы подтверждается также восемью утвержденными рационализаторскими предложениями. Теоретические положения и методики, разработанные в диссертации, могут быть' практически использованы при создании универсальной методологии топографического мониторинга и цифрового картографирования всей территории Российской Арктики в базовом масштабе 1 -.200000.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на 6 Всероссийских научно-технических конференциях, на 9 международных симпозиумах в гг. Минске (1991), Граце (1993), Вене (1993), Данди (1994), Риме (1994), Гётеборге (1995), С.-Петербурге (1995), Базеле (1995) и Москве (1997), а также на конгрессе международного сообщества фотограмметристов и специалистов по дистанционному зондированию (ISPRS) в Вене в 1996 г.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты исследований по теме диссертации изложены в 1 монографии и 36 статьях, а также защищены одним авторским свидетельством. По результатам исследования издано 3 спутниковых карты общим тиражом 5000 экземпляров.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы из 173 наименований и 6 приложений. Работа содержит 25 таблиц и 80 иллюстраций. Объем диссертации - 306 страниц.

Автор выражает глубокую признательность своим научным консультантам из Московского государственного университета геодезии и картографии проф. В.П.Савиных и проф. Т.В.Верещаке, а также всем тем людям, которые способствовали выполнению и успешному завершению данной работы. .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ у

Введение ' . . '

Во введении дана краткая общая характеристика Российского" сектора высокоширотной Арктики, сделан обзор основных проблем освоения и изучения этого региона, включая политические, экономические; экологические, технические, информационные и общенаучные Проблемы, и обоснована актуальность тематики диссертационных исследований. Далее, сформулированы цели, ожидаемые результаты и этапы исследований, показана роль международного сотрудничества в обеспечении исследований и раскрыта структура работы. Указано, что основное внимание при выполнении комплексных междисциплинарных исследований уделялось топографическим аспектам изучения природной среды и мониторинга ее изменений в условиях крайнего севера России.

Глава 1. . КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ СПУТНИКОВОГО ТОПОГРАФИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВЫСОКОШИРОТНОЙ АРКТИКИ •

Рассмотрение основных идей и проблематики спутникового мониторинга высокоширотной Арктики предваряется разделом, посвященным истории появления и становления терминов «мониторинг» и «мониторинг окружающей среды» в международной научной литературе и практике. Становление и развитие мониторинга окружающей среды в России прослежено по работам В.Л.Андроникова, А.М.Берлянта, В.Г.Бондура, Б.В.Виноградова, И.П.Герасимова, Ю.А.Израэля, Ю.Ф.Книжникова, С.А.Сладкопевцева, А.И.Савина и многих других авторов.

Под мониторингом окружающей среды в настоящей работе понимается система планомерных наблюдений, контроля и оценки современного

состояния, динамики и потенциальных изменений природных сообществ и их Отдельных компонентов под влиянием внешних воздействий в целях оперативного принятия оптимальных управленческих решений, рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды. В более широком смысле мониторинг окружающей среды может быть определен как геоинформационная технология или даже как отдельное научное направление, занимающееся разработкой и исследованием оперативных методов сбора и анализа информации об изменениях окружающей среды, включая инфраструктуру, обеспечивающую оптимальное использование этой информации.

Методы дистанционного зондирования являются на сегодня наиболее эффективным средством изучения природной динамики и мониторинга окружающей среды в труднодоступных и необжитых районах земного шара, к каковым несомненно относится высокоширотная Арктика. Анализ предпосылок и проблематики мониторинга высокоарктических областей показывает, что основным средством осуществления мониторинга Заполярья должна стать система повторных космических съемок, выполняемых автоматическими полярноорбитальными спутниками. Однако, развитие спутникового мониторинга Заполярья должно идти не по пути создания отдельной узкоспециализированной космической системы регионального назначения, но посредством использования существующих, глобальных по покрытию систем с возможными доработками и усовершенствованиями последних и основным упором на создание эффективных методов обработки спутниковых данных с учетом региональной специфики. В краткой характеристике современных международных и национальных программ, ■ посвященных спутниковому мониторингу Арктики, указывается на особую важность разработки автоматизированных технологий выявления изменений на местности по материалам космических съемок и создание на их основе ряда динамических геоинформационных систем для обеспечения научно-исследовательских и производственных работ в Заполярье.

Вопросам применения космических изображений для анализа изменений природной среды русской высокоширотной Арктики уделялось недостаточно внимания, и публикации данного направления встречаются пока еще относительно редко, Автору известны лишь серия работ, посвященных анализу современного состояния отдельных ледников ЗФИ по данным спутниковой съемки, выполненных в 1993-1996 гг. сотрудниками Института географии РАН (А.Ф.Глазовский, Ю.Я.Мачерет) в сотрудничестве с Институтом полярных исследований им.Р.Скотта, и небольшая, но емкая по содержанию работа В.С.Корякина (1985 г.) о ледниках Арктики и результатах анализа изменений некоторых из них по изображениям со спутника

ЬЛЫ08АТ. Скромные результаты единичных попыток проведения спутникового мониторинга в Российской Арктике не позволяют судить с высокой степенью надежности об ожидаемых и достигнутых точностях дистанционных определений, необходимых периодичности, сезонах," масштабах и видах съемок.

Недостаток исходных теоретических знаний о характере природных процессов, происходящих в высокоширотной Арктике, и района^' их максимального внешнего проявления обусловливает изначальную необходимость проведения комплексного, как в предметном, ..Так И в территориальном выражении спутникового мониторинга с наиболее'полным охватом всех объектов, доступных дистанционным наблюдениям. Исходя из технических возможностей современного дистанционного зондирования и сложности проведения обширных подспутниковых экспериментов в Заполярье, был сделан вывод о том, что основным объектом комплексного спутникового мониторинга должна служить местность, т.е. видимая- часть земной поверхности со всеми ее компонентами, достуйнымй непосредственному наблюдению из космоса. '

Для обозначения мониторинга конкретной местности, региона. или отдельных топографических объектов, осуществляемого посредством топографических методов в целях анализа и прогнозирования действительных и возможных топографических изменений предложено использовать понятие топографический мониторинг, которое раскрывает одновременно предметную и методологическую сущность настоящих исследований. Логическая структура процесса топографического мониторинга, отображающая комплекс необходимых работ и последовательность операций представлена на Рис. 1.

Отмечено, что основной задачей топографического мониторинга является определение районов, темпов и характера устойчивых топографических изменений с представлением результатов в документальном виде, а объектами топографического мониторинга могут служить любые элементы арктической топографии и их сочетания. Однако, наличие социально-экономических объектов не является типичным для региона, и, принимая во внимание специфику природы арктических пустынь, наибольший интерес для спутникового мониторинга представляют ледниковые комплексы, гидрографическая сеть, береговые линии, рельеф, грунты и участки относительно медленно растущей, но долговечной растительности высокоарктических тундр. Немаловажное значение при топографическом мониторинге островных территорий приобретает оценка положения

береговых линий и среднего уровня моря, являющегося стандартом поверхностью, от которой, отсчитываются все высоты и глубины в peí попе.

Рис. 1.

Кроме того, в круг задач топографического мониторинга входит выявление и оценка стабильности опорных объектов, например, крупных элементов коренного рельефа или пунктов государственной геодезической сети, которые практически не изменяются за период наблюдений и относительно которых может выполняться оценка изменения положения всех других объектов. Поскольку, в общем случае изменения опорных объектов гораздо меньше изменений исследуемых объектов, контроль их положения должен осуществляться с более высокой точностью, что требует проведения полевых топографо-геодезических работ.

Наряду с определением основных задач и объектов спутникового топографического мониторинга высокоширотной Арктики в работе указаны его ключевые концепции и характерные особенности, предложена необходимая периодичность и масштабы съемок, а также определена совокупность используемых методов, включающая топографо-геодезические методы полевых наблюдений и измерений, методы топографического дешифрирования и фотограмметрической обработки изображений и картографические методы воспроизведения результатов мониторинга.

Изучение картографических основ топографического мониторинга выполнено на примере архипелагов Европейской высокоширотной Арктики; Рассмотрена история топографических исследований и использования материалов дистанционного зондирования в целях картографирования высокоширотных архипелагов России. Критический анализ современной системы топографических знаний показывает, что в отличие от прочих высокоширотных архипелагов Земля Франца-Иосифа имеет самую короткую историю исследований, насчитывающую немногим более 120 лет;-.'!! до сегодняшнего дня сохраняет наибольшее число «белых пятен» в .Наших познаниях. Анализ имеющихся картографических источников указывает. На многие неточности, разночтения, несопоставимость и даже противоречивость имеющейся топографической информации. За исключением", "ряда отрывочных и разрозненных сведений, практически отсутствует- система упорядоченных данных о топографических изменениях на .ЗФИ/ Срок давности, всех имеющихся на территорию ЗФИ топографических"? и навигационных карт, которые были составлены по Материалам аэрофотосъемок и топографо-геодезических работ, выполненных £> период с 1953 по 1959 гг., давно истек, и их использование для точных современных топографических определений возможно лишь при условии всестороннего учета не только точности этих карт, но и всех изменений, происшедших на местности за последние 40-45 лет. ' :

Крайне интересным и многообещающим направлением в спутниковой арктической топографии является выпуск топографических фотокарт, создаваемых методами цифровой фотограмметрии на основе материалов спутникового дистанционного зондирования и объективно воспроизводящих местность в ее естественном виде. Благодаря оперативности создания и невысокой стоимости такие карты имеют большую перспективу использования в системе мониторинга.

Описано географическое положение и выполнен общий анализ топографических особенностей исследуемого региона с рассмотрением всех основных групп топографических объектов. Земля Франца-Иосифа, на которой ледники занимают около 85% всей площади, имеет максимальную интенсивность покровного оледенения во всей Арктике, что определяет значительную изменчивость внешнего облика и сложность однозначных топографических определений. Современные данные о протяженности архипелага ЗФИ, общей площади и числе его островов варьируют в зависимости от источника в широких пределах. Сведения о положении ледяных берегов и коренных береговых линий, границ ледников и фирновых зон плохо соответствуют действительности. Множество спорных вопросов имеется в отношении распределения высот и глубин на архипелаге.

большинство высотных отметок в зонах ледниковой аккумуляции даны с большими погрешностями. В отличие от всех других арктических архипелагов России за исходную поверхность, от которой отсчитываются все высоты и глубины на ЗФИ принимается средний многолетний уровень Баренцева моря, регистрируемый на уровенном посту полярной станции Дружная (80"37' с.ш., 58"05' в.д., о.Хейса) с 1957 г.

Рассмотрены особенности топографических исследований

гидрографических объектов, ледникового и коренного рельефа, грунтов и растительного покрова арктических пустынь, выполнен анализ топонимических проблем. Выполнено исследование геофизических факторов топографических изменений на ЗФИ и произведена оценка их возможного влияния на точность современных топографических определений. При этом основное внимание уделялось метеорологическим и климатическим воздействиям; океаническим воздействиям, включая приливно-отливные течения, эвстатические и гидроизостатические изменения уровня моря, поверхностные течения, изменения поверхностной температуры и плотности морской воды; тектоническим и сейсмическим воздействиям, включая современные вертикальные и горизонтальные смещения островов, вызванные дрейфом континентов и эпейрогеническими движениями, гляциоизостатическими эффектами и землетрясениями, и сопоставлению проявлений этих воздействий в топографии архипелага. Данные геофизических исследований до сих пор никем не использовались при изучении топографических изменений на ЗФИ и сопоставление топографических особенностей архипелага с существующими моделями геофизических процессов представляет собой новый подход к изучению топографии высокоширотной Арктики.

Выполнен подробный анализ существующих теорий и рабочих гипотез об истории развития архипелага и характере современных вертикальных движений на ЗФИ, которые базируются на данных геоморфологических исследований, накопленных посредством сравнения высот морских террас с результатами радиоуглеродной датировки органических остатков морского происхождения, найденных на поверхности террас. Установлен ряд противоречий и неясных моментов в принятой на сегодня теории гляциоизостатического подъема архипелага. Сделан вывод о необходимости прямых высокоточных топографо-геодезических измерений для надежного обоснования теории современных вертикальных движений на ЗФИ.

Математическое моделирование влияния перечисленных геофизических факторов на положение текущего уровня моря совместно с результатами . статистического регрессионного анализа многолетних данных уровенного

поста станции Дружная подтвердило необходимость строгого учета изменений барометрического давления, скорости и направления ветра и поверхностных течений при выполнении точных топографических определений на архипелаге. Даны практические рекомендации в отношении наиболее благоприятных сезонов, сроков и гидрометеорологических условий выполнения съемок и проведения полевых топографо-геодезических работ. По результатам общего анализа топографических особенностей архипелага из 56 крупных островов ЗФИ в качестве ключевых участков для проведения топографических исследований на архипелаге были выбраны 5 островов (Белл, Большой Комсомольский, Галля, Хейса, Циглера).

Глава 2. СРЕДСТВА И МЕТОДЫ СПУТНИКОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АРКТИЧЕСКОЙ ТОПОГРАФИИ

Сделаны общие замечания, раскрыта проблематика спутникового зондирования полярных регионов, рассмотрены основные преимущества материалов космической съемки и принципиальные ограничения по их использованию в интересах топографического мониторинга высокоширотной Арктики. Выполнен обзор всех действующих космических полярноорбитальных съемочных систем, указаны их важнейшие параметры и дана сравнительная характеристика спутниковых изображений. Основное внимание было уделено космическим стереофотоснимкам, получаемым с отечественных спутников серии «Ресурс-Ф» и обладающим наилучшим пространственным разрешением, а также материалам радиолокационной съемки со спутников Европейского космического агентства серии ERS, позволяющим проводить исследования вне зависимости от наличия облачного покрова и условий естественной освещенности.

На основе анализа имеющихся сведений о геометрических, фотометрических, спектральных и прочих характеристиках космических изображений, полученных камерами КАТЕ-200 и КФА-1000, и о потребительских свойствах спутниковых радарных изображений, полученных радаром с синтезированной апертурой (САР), сделан вывод о целесообразности сочетания стереофотографических и радиолокационных методов космического дистанционного зондирования при решении задач топографического мониторинга высокоширотной Арктики. Представлена простая физико-математическая модель формирования комплексных радарных изображений, на которых регистрируется и амплитуда, и фаза пучка радиоволн, отраженного земной поверхностью.

При рассмотрении основных перспектив развития космических съемочных систем отмечается активизация работ по , модификации

существующих систем «Ресурс-Ф», SPOT и созданию новых коммерческих систем типа «Early Bird» и «Алмаз-1бис», обеспечивающих пространственное . разрешение съемки в пределах от 1 до 5 метров и лучше. Весьма интересные возможности для долгосрочного топографического мониторинга высокоширотной Арктики открылись в 1997 г. в связи с деклассификацией секретных архивных фотографических стереоизображений с разрешением на местности, достигающим 2-8 метров, полученных в 1960-1972 гг. американскими разведывательными спутниковыми системами «CORONA», «ARGON» и «LANYARD». Приводятся основные технические характеристики изображений, полученных этими системами. Высокая ценность данных изображений для наших исследований определяется возможностью получения топографических сведений об архипелаге ЗФИ за интервал времени между последней аэрофотосъемкой, произведенной в 1958 г., и первой отечественной космической съемкой, выполненной в конце 1970-х гг.

Один из разделов главы посвящен анализу существующих методов получения топографической информации по космическим изображениям, включая методы определения планового и вертикального положения топографических объектов, методы получения семантической информации и классификации объектов, методы выявления топографических изменений, а также методы топологического моделирования и прогнозирования. Кроме того, рассмотрены традиционные операции и приемы, упрощающие процесс топографического дешифрирования изображений и повышающие его достоверность, а также основные принципы интеграции разнородных пространственных данных в топографической информационной системе (ТИС) и контроля качества топографических работ. Глава завершается описанием банка экспериментальных данных, включающего наряду с 29 . космическими фотографическими изображениями, полученными камерами КАТЕ-200 и КФА-1000, и 7 прецизионными САР-изображениями полный набор топографических, морских и тематических карт на Землю Франца-Иосифа, а также оригинальные материалы стереоскопической аэрофотосъемки 1953/58 гг. и совокупность данных топографо-геодезнческих работ, выполненных на этом архипелаге за всю историю его исследований. • Отмечается что разновременные материалы аэрокосмической съемки полностью покрывают всю территорию архипелага, как минимум, трижды, а на ключевые районы имеется семикратное покрытие. Общее число аэрокосмических изображений, использованных в диссертационных исследованиях, приближается к 300, а общее число листов карт, использованных в настоящей работе, превысило 200.

Глава 3. ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ИНФОРМАЦИОННОГО СОДЕРЖАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ

ИЗОБРАЖЕНИЙ

Для оценки практической пригодности материалов спутниковых съемок й ожидаемого эффекта от их применения был выполнен теоретико-экспериментальный анализ значений пространственного, спектрального и временного разрешения имеющихся космических изображений. Величины разрешающей способности, пространственного и спектрального разрешения и требуемой частоты дискретизации космических изображений при их оцифровке определялись на основе теоретических соотношений и экспериментальной оценки посредством измерения ширины полосЬ1 размытости в воспроизведении резких границ природных объектов. Средние величины пространственного разрешения, полученные по результатам экспериментов, выполненных на прецизионном аналого-цифровом монокомпараторе РК-1, сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Пространственное разрешение имеющихся космических

изображений

Тип изображения, спектральный канал Положение объекта Контраст . Среднее разрешение

высокий средний низкий

КАТЕ-200,1ый (Б) центр 15 18.5 23 18.8

край 20 23.75 28.75 24

КАТЕ-200, 2ой (В) центр 27.5 33.75 43.5 35

край 37.5 46 52.5 45

КАТЕ-200, Зий (А) центр 21 24.5 31 25.5

край 23.75 31 37.5 30.8

КФА-1000, дубль/поз. центр 3.75 5.8 7.7 5.8

край 4.75 6.5 8.5 6.6

ЕЯЗ-ЗАЯ по азимуту .25 - - 30

по дальности 27 - - 33

На основе полученных значений пространственного, временного и спектрального разрешения, исходя из требований детальности воспроизведения топографических изменений, была определена необходимая периодичность съемок и предельно допустимый масштаб спутникового мониторинга, который составил от 1:30 ООО до 1:40 ООО для съемок камерой КФА-1000; от 1:100 ООО до 1:130 ООО для съемок камерой КАТЕ-200и от 1:180 ООО до 1:200 ООО для съемок радаром с синтезированной апертурой.

Был проведен обширный анализ опубликованных данных о геометрических точностях обработки отечественных космических изображений, которые были получены по результатам измерений, выполненных на аналитических стереофотограмметрических приборах и выработаны правила оценки геометрической точности обработки космических изображений с учетом использования прогрессивных методов цифрового анализа данных. Для практических вычислений ожидаемых точностей нами были получены следующие выражения для среднеквадратических погрешностей плановых етх). и вертикальных сг! измерений по оцифрованным космическим стереофотоснимкам

где рнт - размер пиксела и знаменатель масштаба цифровых изображений;/ - фокусное расстояние камеры; Ъ - базис снимков.

Оценка ожидаемой точности определения положения объектов по топографическим моделям, созданным на основе космических изображений, выполнялась на основе соотношения

где Сщ,,,)- геометрическая точность моделирования, учитывающая погрешности создания стереомодели местности и, соответственно, влияние остаточных искажений изображений; аг - точность определения координат контрольных точек на местности.

Анализ факторов, оказывающих воздействие на точность моделирования, включая влияние кривизны Земли, фотограмметрической дисторсии, наклона снимков, неучтенной разности съемочных высот для каждого из пары стереоизображений и погрешностей аналого-цифрового преобразования исходных фотоснимков, показал, что при сокращении размеров анализируемых фрагментов изображений и выполнении компенсационного моделирования остаточных погрешностей среднеквадратические ошибки определения положения объектов, приведенные в таблице 2, удовлетворяют требованиям выполнения топографического мониторинга в масштабах 1:50000 и 1:100 000 и мельче.

Данные таблицы 2 наглядно показывают, что основные трудности геометрического анализа космических изображений связаны с определением высотных характеристик топографических объектов. Трудности определения высот и стереорисовки рельефа значительно возрастают при обработке

аху=±0.1-р-т и <тг = ±035- р- т-/ / Ь

изображений однородных поверхностей ледниковых щитов и куполов, особенно в районах их вершин. При условии повышения вертикальной точности допустимые значения масштабов топографического мониторинга могут быть повышены до значений 1:25 ООО - 1:30 ООО, полученных на основе анализа информационного содержания космических изображений.

Таблица 2. Ожидаемые точности топографических определений по цифровым космическим изображениям

Вид изображения - Параметр точности КАТЕ-200 КФА-1000 ERS-SAU

ах.у , М , 17.5 3.5 18.7 ± 7

а., м 24.3 , 14.4 27.9 ±5-

°mod > м 22 3.8 12.5

1 1 1

aL, м 37 15 36

Достаточно сложную проблему представляет собой обеспечение геометрической идентичности фотографических изображений, полученных многозональными спутниковыми камерами типа КАТЕ-200, в целях осуществления их высокоточного синтеза и детального топографического дешифрирования. Рассмотрены причины, нарушающие конгруэнтность многозональных фотографических изображений, к которым относятся различие фокусных расстояний съемочных объективов, различие пространственных разрешений, хроматическая дисторсия, взаимные смещения идентичных точек на зональных изображениях, вызванные непараллельностью оптических осей, несинхронной работой фотозатворов и погрешностями работы оптико-механических компенсаторов сдвига, деформация фотоматериала и разница в смещении точек за атмосферную рефракцию. Кроме того, при оцифровке снимков из-за неточной их установки в сканирующее устройство возникает взаимный разворот многозональных изображений. Математическое моделирование влияния перечисленных факторов показало, что основными погрешностями, ухудшающими геометрическое подобие многозональных фотоснимков, являются разномасштабность и взаимный сдвиг зональных изображений. Предложен алгоритм компенсации этих погрешностей на основе использования корреляционных процедур, позволивший значительно усовершенствовать технологическую схему синтезирования многозональных изображений в условных цветах и защищенный авторским свидетельством №1622759 от 1990 г.

Глава 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДЕШИФРИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ АРКТИКИ

Своеобразная природная специфика и слабая изученность исследуемого региона затрудняют использование общеизвестных методик для семантического анализа спутниковых изображений высокоширотных архипелагов. Наибольшие трудности возникают при необходимости проведения автоматического распознавания и классификации основных групп природных объектов, например в случае точного определения положения береговой линии островов или при измерении площади оледенения и оценке ее изменчивости цифровыми методами. Типичной проблемой является отсутствие надежных методов контроля и отбраковки ложных результатов автоматической классификации, радикальное решение которой должно основываться не столько на использовании данных полевого контроля, сколько на основе проверки соответствия полученных результатов объективно существующим закономерностям формирования полей электромагнитного излучения в различных областях спектра.

Серьезным препятствием при дешифрировании объектов снежно-ледового покрова по космическим изображениям является облачный покров, спектральная яркость которого во многих случаях не уступает яркости свежего снега. Оценка состояния облачного покрова и прочих гидрометеорологических условий является крайне важным предварительным этапом при обработке космических и, особенно, радарных изображений.

Изложены принципы и предложено теоретическое обоснование автоматизированного гидрометеорологического дешифрирования биспектральных сканерных изображений, получаемых с метеорологических спутников серии ИОАА «Метеор» и «М^еояаЬ), базирующееся на двухмерном регрессионном анализе яркостных характеристик облачного и снежно-ледового покрова в различных диапазонах инфракрасной области спектра. Получены функциональные зависимости между спектральными яркостями М гидрометеорологических объектов в различных зонах спектра / и ] вида

где к = Я, / Я, , Я,, - величины центральных длин волн спектральных интервалов, с = С,'~* • Я,"5 • Яу5* и С/ - постоянная излучения Планка.

На основе подобных зависимостей был выполнен анализ свыше сотни биспектральных космических изображений с метеорологических спутников и

были получены данные о состоянии облачного покрова и концентрации водяного пара в атмосфере, на основе которых определялись наиболее благоприятные периоды выполнения основных космических съемок и производился отбор космических изображений из архивов. Надежность и простота классификации различных гидрометеорологических объектов, базирующиеся на использовании в качестве решающих правил не субъективно выдуманных, а объективно существующих закономерностей формирования теплового излучения, является основным преимуществом подобного дешифровочного подхода.

Раскрыты особенности интерпретации многозональных изображений арктических территорий и предложена методика дешифрирования различных ледниковых зон, гидрографических объектов и наиболее крупных ареалов растительности арктических пустынь. Создана совокупность дешифровОчных эталонов с описанием характерных дешифровочных признаков. Предложена идея совместного дешифрирования фотографических и радарных космических снимков и рассмотрены основные пути ее практической реализации. Подобный подход к дешифрированию дает значительные преимущества при распознавании маленьких островов, отдельных скал и элементов береговой линии, свободных ото льда, а также многих мелких элементов коренного рельефа.

Получила дальнейшее развитие теория дешифрирования ледникового покрова по космическим изображениям. Созданы новые разделы этой теории, в которых рассматриваются те вопросы дешифрирования ледников, решение которых основывается на принципиальных особенностях космических Изображений и не имеет аналогов в случае использования аэроснимков, что с научной точки зрения представляет наибольший интерес. В разделе, посвященном структурному анализу ледниковой топографии по космическим изображениям указаны принципиальные различия в воспроизведении основных ледниковых зон на оптических и радарных снимках и даны рекомендации по их распознаванию. Приведены примеры интерпретации кольцевых ледниковых структур, впервые обнаруженных автором на космических изображениях ЗФИ, и предложены варианты их дешифрирования. Предлагается методика определения положения снеговой линии, ледниковых границ и ледяных берегов по космическим снимкам. Отмечаются большие трудности при дешифрировании береговых линий в случае наличия припайного льда.

Из всех задач структурного анализа ледниковой топографии по материалам космической съемки наиболее трудной и, вместе с тем, одной из важнейших представляется задача определения положения линии

ледораздела ледникового покрова, которая включает в себя круг частных задач по распознаванию вершинных и перевальных точек ледниковой поверхности. На космических снимках оптического диапазона линии ледоразделов мощного покровного оледенения воспроизводятся крайне невыразительно, а на аэроснимках не воспроизводится совсем.

Было установлено, что система ледоразделов крупнейших ледниковых щитов и куполов ЗФИ очень резко изображается в виде прямолинейных полос на спутниковых радарных снимках, полученных в холодный период года. В качестве примера на Рис. 2 приведен поперечный радиометрический профиль, проведенный через один из ледоразделов ледникового купола Туманный на о. Земля Георга и показывающий изменение значений яркости спутникового радарного изображения в зависимости от положения.

Рис 2. Радиометрический профиль спутникового радарного изображения ледораздела крупного ледникового купола

Расположение пика на графике соответствует положению максимальной высоты в районе ледораздела. Предложенная Интерпретация причин столь резкого воспроизведения ледоразделов на радарных изображениях базируется на предположении о наличии в районе ледораздела под снежной поверхностью ледникового купола неподвижного «клина» базального льда. Вероятный характер рассеяния микроволнового излучения и соответствующая структура радарного изображения представлены на Рис. 3.

Известно, что горизонтальная скорость движения льда и сдвиговые напряжения в привершинной области ледниковых куполов и щитов увеличиваются с увеличением расстояния от ледораздела и достигают своих нормальных' значений на расстоянии, примерно вдвое превышающем толщину льда. Поэтому приблизительное значение толщины ледника,

покоящегося ua горизонтальном ложе и имеющего симметричную форму, можс! быть определено посредством измерения ширины ледораздельных полос, воспроизводимых fia космических радарных изображениях. Практическое применение методики косвенной оценки топографии ледникового ложа и толщины льда позволило определить приблизительные значения мощности льда крупнейших ледников ЗФИ. Кроме того, был выполнен теоретический анализ влияния мощности и состояния снежного покрова в привершинной части ледниковых куполов на воспроизведение системы ледоразделов на космических снимках и произведена оценка точности определения мощности льда. Установлено, что вследствие ограниченной разрешающей способности радарных изображений со спутников серии ERS предельно минимальное значение толщины ледниковых куполов, оцениваемой с помощью предложенного метода, составляет около 35 м.

Рис. 3. Микроволновое рассеяние в районе ледораздела и структура радарного изображения

Большой интерес с точки зрения топографического мониторинга представляют районы возможного распространения плавучих ледниковых шельфов, являющихся особой частью оледенения ЗФИ, которая наиболее чувствительна к внешним воздействиям и склонна к катастрофически быстрым изменениям своего состояния. Поэтому в настоящей работе приводятся отдельные соображения по распознаванию подобных структур на космических изображениях, а также по определению приблизительного положения линий налегания и всплывания ледникового шельфа.

СПУТНИК

ЛЕДНИКОВЫЙ • КУПОЛ

в

Глава 5. ОБНАРУЖЕНИЕ, ИЗМЕРЕНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРА ТОПОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ НА ЗФИ

< Интенсивные топологические исследования были выполнены посредством топографического дешифрирования разновременных космических изображений и сравнения их с имеющимися аэрофотоснимками, наземными изображениями, историческими и топографическими картами в целях обнаружения, измерения и определения характера и возможных причин топографических изменений, происшедших на архипелаге ЗФИ за последние полсотни лет, с выделением районов максимальных изменений и планированием полевых работ. Практическое дешифрирование материалов аэрокосмичес)<ой съемки осуществлялось на основе комбинированной технологии,.. предусматривающей использование методов полевого и камерального дешифрирования. При этом основной объем работы выполнялся в камеральных условиях с использованием высокоточных фотограмметрических средств, и лишь проведение важнейших контрольных операций и самых необходимых непосредственных наблюдений осуществлялось в течение двух коротких полевых сезонов. Главное внимание уделялось изучению изменений объектов ледниковой топографии и исследованию эволюции береговых линий островов ЗФИ. Основными результатами топологических исследований явились следующие.

1). Выявлено существенное сокращение размеров большинства ледников архипелага, что подтверждает справедливость теории современного отступания ледников ЗФИ, выдвинутой Т.Н.Спижарским в 1934 г. Наиболее заметно отступание фронтов выводных ледников. Максимальное сокращение ледяных берегов до 4 км было обнаружено в районе бухты Суровая на о.Галля. Однако, общие темпы сокращения оледенения оказались меньшими по сравнению с теми, которых можно было бы ожидать, исходя из данных предыдущих исследований. Более того, впервые был обнаружен факт подвижек крупнейших выводных ледников ЗФИ. Обрывистый фронт ледника Восточный на о. Солсбери продвинулся вперед по сравнению с положением 1953 г. на 0.5 км, а продвижение восточной части фронта ледника Стремительный на о. Земля Вильчека составило около 600 м. Суммарные оценки изменений площади оледенения ЗФИ и площади всего архипелага сведены в таблицу 3.

2). Современное отступание ледников ЗФИ ведет к изменению гидрографических объектов, увеличению площадей открытого грунта, активизации процессов рельефообразования на освободившихся ото льда участках и образованию новых плацдармов для развития почвенно-

растительного покрова, создавая тем самым условия для дальнейших топографических изменений. Сокращение ледникового покрова способствовало появлению нескольких новых островов, основные характеристики которых даны в таблице 4. Кроме того, ами было доказано, что о. Перламутровый, полностью покрытый ледниковым куполом с общей площадью 1.5 км2 и максимальной высотой 22 м, показанный на всех топографических картах, в действительности более не существует.

Таблица 3. Площадные изменения ледникового покрова ЗФИ за период с

1953 по 1993 гг.

Параметр \ Год 1953 1993 Разница, км2 (%)

Площадь суши свободной ото льда, км 2,399 2,432 + 33 (1.38%)

Площадь оледенения, км 13,735 13.525 -210(1.53%)

Общая площадь, км 16,134 15,957 - 177(1.10%)

Степень оледенения, % 85.13 84.76 - 0.37 %

Таблица 4. Основные характеристики новых островов

Название острова Координаты центра острова Примерная площадь

сев. Широта вост. долгота

Литтрова 80° 11.5' 58°10' 65 км2

Радар 80°36.5' 56°33' 1000 м2

Малышок 80°50.20Г 57°29.513' 600 м2

3). Фотограмметрическое сравнение разновременных изображений центральной части ЗФИ показало отступание участков берегов, свободных ото льда, особенно в районах с пологим профилем береговой линии. Максимальные величины отступа береговой линии были обнаружены в районе мыса Озерный на о. Галля-Литтрова' (20-80 м), у берегов о. Б.Комсомольский (30-100 м) и о. Ферсмана (130-190 м). Подобные изменения не могли быть объяснены случайными колебаниями уровня моря, положение которого на моменты съемок было весьма близко к среднему многолетнему значению.

4). Были выявлены существенные изменения рек и озер ледникового происхождения, в том числе исчезновение крупнейшего озера Земли Вильчека, имевшего площадь около 1.5 км2. Вместе с тем мы не смогли обнаружить увеличения дельты реки Романтиков на о. Хейса, которое в соответствии с предшествующими публикациями должно быть весьма значительным (80-120 м). 1

В целях проверки достоверности полученных результатов, гипотез и открытий на 19 крупных островах ЗФИ в августе 1994 г. и июле 1995 г. были проведены полевые наблюдения и топографо-геодезические работы. Основное внимание уделялось поиску опорных точек и измерению их координат, определению положения высочайших вершин и ледоразделов, выполнению эталонного дешифрирования фотографических и радарных космических изображений с определением типичных дешифровочных признаков и выялением основных примет топографических изменений. На основе архивных материалов станции Дружная были выполнены топонимические исследования. По результатам полевых работ были выработаны рекомендации по дешифрированию ледниковых трещин и морен, участков крупных осыпей и камнепадов, береговых валов и различных типов береговых линий.

Таблица 5. Изменения высот геодезических пунктов ЗФИ по результатам нивелирования в 1995 г.

1 Станция Я0, м, год установки АН,, м Ветер, направл., м/с Давление мб, градиент мб/км

1 Циглера, геод.сигнал * 81.4,1950-е -0.02 - Штиль -

2 Белл, геод.сигнал ** 17.9,1950-е -0.07 -0.06 SW 2 1012, 1/200

3 Галля-Литтрова, геод.сигнал. ** 8.6, 1950-е +0.17 -0.69 ENE 3 1012, 1/70

4. Хейса, геод.сигнал * 54.7, 1950-е +0.16 -0.20 NNE 4 1017, 1/90

5 Б.Комсомольский, геод.сигнал * 40.2, 1950-е -0.02 -2.4 Е 9 1005,1/50

6 Хейса, репер N2** 12.0,1969 +0.04 -0.12 NE 4 1007, 1/50

7 Хейса, репер N4** 4.8,1977 +0.04 -0.09 Штиль 1007, 1/50

Нивелирование выполнялось: в одном направлении (*); в двух направлениях (**)

На пяти крупных островах архипелага с помощью точного нивелира Н-3 впервые было выполнено повторное нивелирование между 7 имеющимися геодезическими пунктами и текущим уровнем моря. Длина нивелирных ходов не превышала 1100 м, и максимальная невязка оставляла 19 мм. В результаты измерений были внесены поправки V за разницу между текущим и средним многолетним уровнем моря, после чего были вычислены разницы

Л// между современными высотами геодезических сигналов и теми, которые были измерены в 1950-х гг (#0). Результаты измерений, приведенные в таблице 5, указывают на современное опускание поверхности островов относительно среднего уровня Баренцева моря, что согласуется с прочими данными наших топографических исследований, но противоречит ряду существующих гипотез, в том числе некоторым положениям теории современного гляциоизостатического подъема архипелага.

Результаты работ по мониторингу топографических изменений подверглись тщательной проверке посредством анализа пространственных и причинно-следственных связей между изменениями отдельных компонентов местности и путем сравнения с данными других исследователей, которая показала высокую степень достоверности и большую значимость полученных сведений. При оценке характера, причин и возможных последствий топографических изменений на ЗФИ впервые использовались методы физико-математического моделирования топографической ситуации, показавшего результаты, хорошо согласующиеся с данными полевых работ.

Глава 6. МЕТОДОЛОГИЯ ТОПОГРАФИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Рассматривается методология цифрового топографического моделирования арктических территорий по аэрокосмическим изображениям с использованием средств цифровой фотограмметрии, • компьютерной графики и ГИС-технологий. Приводится классификация топографических моделей в зависимости от используемого метода моделирования. Основное внимание уделено методологическим вопросам фотограмметрического топологического и картографического моделирования местности. Определены оптимальные последовательность и содержание основных процедур топографического моделирования. Разработаны эффективные приемы цифровой стереофотограмметрической обработки космических изображений и создания цифровых спутниковых карт арктических территорий на стандартном персональном компьютере. Дается описание основных этапов обработки космических изображений и используемого оборудования. Практическая обработка имеющихся космических изображений выполнялась на персональном компьютере типа IBM РС-АТ, имеющем процессор 80486 (166 Мгц) и 64 Мбайт оперативной памяти. Используемое программное обеспечение включало следующие основные пакеты: ADOBE PHOTOSHOP 4.0, DVP/R 3.0А, ENVI 2.5, ERDAS/RSG, WinGIS 3.1 и ФОТОМОД 1.34 / 1.4. Выполненные практические исследования позволили установить сильные и слабые стороны базовых алгоритмов и предложить некоторые усовершенствования в методике

использования данных программ. Например, настоящая работа является одной из первых успешных попыток применения программных пакетов . DVP/R З.ОА и ФОТОМОД 1.34 / 1.4 для обработки космических стереофотоизображений.

Экспериментальные исследования показали, что оптимальной величиной геометрического разрешения при оцифровке одиночных космических фотографических изображений, полученных камерами КФА-1000 и КАТЕ-200, являются 1250 и 2500 DPI (точек на дюйм). Геометрическое разрешение при оцифровке изображений, используемых для совместного анализа, выбиралось таким образом, чтобы минимизировать утрату качества по сравнению с оригинальными снимками и обеспечить сопоставимые размеры, масштаб и пространственное разрешение на местности. Точность оцифровки космических изображений КАТЕ-200 проверялась по сетке впечатанных крестов и составила ± 3 мкм. Огромный объем данных, получаемых в результате оцифровки космических фотоснимков высокого разрешения является серьезным препятствием при их хранении и последующей обработке. Поэтому мы отказались от сканирования изображений целиком и > выполняли лишь оцифровку фрагментов, соответствующих размеру исследуемых районов местности. Полученные цифровые изображения были подвергнуты предварительной обработке в целях улучшения их яркостных, контрастных и резольвометрических характеристик и улучшения их визуального воспроизведения на экране монитора. Общее число обработанных фрагментов цифровых изображений составило 24 файла, по которым было создано 12 цифровых стереомоделей и 5 цифровых моделей рельефа.

Планиметрические координаты и высоты 78 опорных точек, необходимых .для точного топографического моделирования и географической привязки его результатов, определялись в ходе полевых работ с помощью ГПС-приемников, технического нивелира и барометрических альтиметров. Координаты 37 опорных точек были получены из «Каталога координат геодезических пунктов ЗФИ» (1965 г.). Координаты 40 дополнительных точек, опознанных на космических снимках, были определены по : имеющимся крупномасштабным топографическим картам. По нашим оценкам средняя величина погрешности координат опорных точек не превышает ± 20 м.

Стереофотограмметрическое моделирование арктических территорий осуществлялось с использованием корреляционных процедур, обеспечивающих автоматический поиск и идентификацию одноименных точек на левом я правом снимке. Характерным отличием используемого

алгоритма от традиционных является нормировка коэффициента корреляции па величину квадрата дисперсии значений яркости пикселов изображения. Получаемый в результате критерий не зависит от контрастно-яркостных вариаций сравниваемых изображений. Общее число идентифицированных точек, которые используются для взаимного ориентирования стереоизображений, оказывается гораздо большим по сравнению с традиционными способами и достигает обычно нескольких сотен. Это позволяет существенно повысить точность ориентирования и величина остаточных поперечных параллаксов не превышает, как правило, десятых долей размера пиксела. Основные трудности при использовании кросс-корреляционного критерия возникают в случае необходимости идентификации одноименных точек на однородных участках изображений с низким значением дисперсии яркости, например в привершинных районах ледниковых куполов.

Для визуального наблюдения стереомодели использовался анаглифический способ, существенным преимуществом которого является простота, а также возможность представления файла анаглифических изображений в виде твердой копии. Традиционное мнение, утверждающее, что анаглифический метод не позволяет наблюдать цветные стереомодели, справедливо лишь отчасти, и при рациональном подборе светофильтров анаглифических очков большинство цветов спектра от синего до оранжевого различаются на экране монитора вполне уверенно.

Горизонтирование стереомоделей выполнялось по полям однолетнего битого морского льда , поверхность которого выступает над водой не более, чем на 20-30 см. При этом текущее положение уровня моря принималось равным среднему многолетнему уровню.

При автоматическом создании цифровых моделей рельефа (ЦМР) арктических пустынь от 40 до 75 % всех точек ЦМР, определенных на основе упомянутого корреляционного алгоритма, подлежат коррекции. Основные ошибки возникают при моделировании обширных ледниковых поверхностей, где коррелятор испытывает затруднения в отождествлении соответственных точек и происходит накопление погрешностей в процессе использования интерполяционных процедур. Кроме того, положение точек в автоматически создаваемых ЦМР определяется без учета геоморфологических условий местности, и в воспроизведении орографических линий и экстремальных участков рельефа возникают значительные неточности. Все это определяет необходимость контроля и коррекции результатов моделирования.

Наибольшая эффективность процесса визуального "контроля и коррекции ошибок. ЦМР может быть достигнута в случае наглядного графического воспроизведения модели посредством систематического объединения всех ее точек с помощью прямых линий-векторов. Для изоморфного воспроизведения реальной топографической поверхности возникает необходимость в использовании определенной совокупности топологических правил по пространственному объединению точек ЦМР. Поэтому получаемые графические модели называют топологическими. Указывается, что процесс создания топологических моделей можно считать самостоятельным видом топографического моделирования. В целях обеспечения учета геоморфологических особенностей топографической поверхности, а также повышения точности и наглядности топологического моделирования был предложен ряд модификаций алгоритма Делануэ, позволяющего представить топографическую поверхность в виде связанной нерегулярной триангуляционной сети.

Разработана методика создания цифровых спутниковых фотокарт арктических пустынь, на основе которой была создана серия из шести следующих космических карт на территорию архипелага ЗФИ:

1) обзорно-географическая карта архипелага в масштабе 1:1000 ООО;

2) туристическая фотокарта ЗФИ в масштабе 1:600 ООО;

3) синтетическая карта топографических изменений на ЗФИ в масштабе 1:500000;

4) спутниковая цифровая карта в равновеликой азимутальной проекции и масштабе 1:600 000 для площадных измерений;

5) гипсометрическая карта о. Циглера в масштабе 1:100 000 и шагом сечения рельефа 50 м;

6) цифровая топографическая фотокарта о. Галля - Литтрова в масштабе 1:50000.

Три из шести перечисленных карт были изданы общим тиражом 5000 экземпляров. Кроме того было создано три схематических карты, показывающие изменения береговых линий и ледниковых границ в районе мыса Озерный (о. Галля) и мыса Брайса (о. Циглера).

Доработацы принципы выполнения трехмерной картографической векторизации стереофотомоделей и предложена методика выполнения картометрического анализа топографических изменений на ЗФЦ, основанная на использовании методов статистического анализа гистограмм цифровых карт. По результатам анализа были получены значения современной площади оледенения ЗФИ и общей площади архипелага (См. Табл. 3). Относительная погрешность цифровых планиметрических измерений составила 1.8%.

Глава 7. КОНТРОЛЬ ТОПОГРАФИЧЕСКИХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ И СОВНРШЕ11СТВОВАНИЕ МЕТОДОВ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА

Выполнена опенка относительной и абсолютной точности определения планово-высотного положения объектов и детальности воспроизведения местности по топографическим моделям, созданным на основе космических изображений. Результаты оценок были соотнесены с имеющимися стандартами и нормативами по выполнению топографо-геодезических работ в соответствующих масштабах. Данные анализа точности рюкоторых из созданных спутниковых карт представлены в таблице 6.

Таблица 6. Точность спутниковых карт

Карта Точность Спутниковая фотокарта 1:600 ООО Гипсометрическая карта 1:100 000 Спутниковая фотокарта 1:50 000

реальная стандарт реальная стандарт реальная стандарт

Горизонтальная: ситуация, м линии сетки, мм 350 0.19 120 -300 0.2 - 0.25 50 20-50 0.2 - 0.25 15 0.2 10-25 0.2 - 0.25

Вертикальная: отметки высот, м горизонтали, м - - 15.5 17.1 9- 14 10-25 17 4-6 5 - 12

Качество созданных топографических моделей было охарактеризовано следующим образом. Спутниковые топографические модели обеспечивают полное территориальное покрытие тестовых областей и всего архипелага ЗФИ. Современность, достоверность, объективность и наглядность воспроизведения арктических территорий на моделях, сомнения не вызывают. Модели обеспечивают удовлетворительную планиметрическую точность воспроизведения топографической ситуации. Однако, вследствие недостаточно высокого пространственного разрешения спутниковых изображений и ограниченных возможностей в проведении обширных полевых наблюдений, созданные модели уступают по полноте и детальности содержания традиционным топографическим картам того же масштаба. Точность вертикальных топографических определений не всегда удовлетворяет стандартным требованиям, что требует совершенствования методов спутникового мониторинга на локальном и детальном уровне. Особое внимание должно быть обращено на случаи неудовлетворительного воспроизведения некоторых объектов гидрографии, малых островов, отдельных скал, осыхающих камней и мелей, деталей коренного и ледникового рельефа, особенно в привершинных районах ледниковых

куполов, элементов береговых линий в местах распространения сплоченного припая и других объектов, имеющих низкий фотографический контраст.

В целях повышения детальности и точности топографического моделирования был разработан и исследован оригинальный метод совместного фотограмметрического анализа стереофотографических и радарных космических изображений, при котором данные стереофотосъемки применяются для построения базовой цифровой модели местности и стереорисовки рельефа, а данные синхронной микроволновой съемки используются для более достоверного распознавания объектов ледниковой топографии (ледоразделов, границ ледниковых зон, участков ледниковых шельфов, береговых линий и т.д.) и уточнения их положения. Идея метода заключается в трансформировании гипсометрической модели, полученной в результате стереорисовки рельефа, в соответствии с геометрией радарного изображения и последующем совмещении трансформированного графического слоя с радарным изображением. Трансформация графического слоя гипсометрической модели заключается в последовательном сдвиге всех горизонталей, линий топографической ситуации и штриховых знаков по направлению к проекции орбиты спутника ERS на земную поверхность. Величина сдвига D конкретного графического элемента определяется его высотой Д/i над уровнем моря (Рис. 4) в соответствии с полученной нами формулой.

где а-в-arctg ig0---(tgO + ctgû) .

спутник

высота орбиты H

Уровенная пов-ть

D

Рис. 4. Смещение точки радарного изображения за рельеф

X, Y - компоненты сдвига D вычисляются из следующих уравнений

АХ = АЬ-с^О-««(180 -Р)1т и АУ = /1)! т,

где р - азимут проекции орбиты спутника, т - знаменатель масштаба модели.

Рис.5 К вычислению Х,У-компонентов сдвига и определению поправок к ним

При строгом учете геометрических особенностей радиолокационной съемки разница в положении между элементами транспонированных графических элементов и соответствующих им объектов на радарном изображении (<5Х,<5У) определяется лишь ошибками ориентирования стереофотомодели и картографической векторизации (Рис.5). При этом компонента 6У вызывается погрешностью определения высоты графического символа и возможной ошибкой его положения в плане, а компонента <5Х определяется исключительно погрешностью положения символа в плане. Следовательно, С помощью измерения разностей ¿>Х,ЗУ и введения соответствующих поправок в результаты моделирования реализуется нетрадиционное и простое решение проблемы анализа точности картографической векторизации и общего повышения точности топографического моделирования. Предложен итеративный алгоритм реализации данного метода.

Новый метод, названный стереофоторадарграмметрическим или методом альтернативного решения, позволяет значительно сократить объемы полевых и камеральных работ по определению точных координат опорных и контрольных точек, что определяет его преимущества при использовании в

труднодоступных и неизученных районах высокоширотной Арктики по сравнению с традиционными методами, базирующимися на использовании файла точных координат опорных точек или ЦМР.

Дальнейшее повышение вертикальной точности и детальности топографического мониторинга островов ЗФИ удалось добиться за счет применения метода спутниковой радарной интерферометрии. Данный метод базируется на совместной обработке двух комплексных радарных изображений, на которых зарегистрирована амплитудная и фазовая информация о пучке радиоволн, отраженном земной поверхностью, и которые получаются идентичной аппаратурой с интервалом 24 часа со спутников ЕЯЗ-1 и ЕЯ8-2, работающих в режиме «тандем». При корреляционном совмещении таких комплексных радарных изображений, полученных из двух близкорасположенных точек орбиты формируется интерферограмма, каждая полоса которой соответствует определенной величине разности фаз регистрируемого излучения и, следовательно, высоте участка над уровнем моря (Рис. 6).

Полученная интерферограмма может быть развернута в растровую ЦМР с субметровой точностью при условии, что параметры орбиты и метеорологические условия съемки достоверно известны. Поэтому для успешной реализации метода радарной интерферометрии использовалась разработанная методика анализа состояния облачного покрова на моменты радарной съемки (См. Главу 4).

Анализ интерферограммы (Рис. 7, г) показывает, что интерференционные полосы формируются лишь в районах, не претерпевающих изменений за время между последовательными съемками, т.е. за 24 часа. Тем самым автоматически осуществляется фильтрация полей морского льда в проливах архипелага, в том числе припайного, и упрощается распознавание быстродвижущихся и шельфовых участков ледников. Простой математический аппарат и алгоритм развертки интерферограммы в соответствии с предложенным выражением вида

4л- В '

где Л= 5.666 см - длина волны излучения РЛС; ДТ- величина разности фаз, измеряемая по интерференционной картине, 9 - угол падения пучка радиоволн; В - базис съемки, позволили определить современные высоты нескольких' крупнейших ледниковых куполов ЗФИ. Среднеквадратическая погрешность этих определений составила по предварительным оценкам

около 3-4 м. Корреляционное изображение (Рис. 7, в), являющееся промежуточным продуктом интерференционного анализа и названное нами картой когерентности, контрастно воспроизводит крупные объекты гидрографии и положение береговой линии всех, даже самых мелких островов, что в совокупности с другими возможностями определяет высокий потенциал данного метода для решения задач топографического мониторинга высокоширотной Арктики.

Рис. 6. Геометрия формирования «стереопары» радарных изображений (а); фрагмент амплитудной части комплексного радарного изображения (б); карта когерентности (в) и интерферограмма (г) ледникового купола Москвы на о. Галля.

На основе разработанных методов топографического моделирования и полученных географических сведений была создана топографическая информационная система на территорию государственного природного заказника «Архипелаг Земля Франца-Иосифа». На этом примере рассмотрены

принципы формирования топографической информационной систему, определена ее структура и общее содержание, даны практические рекомендации по использованию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертационная работа содержит исследования и разработки автора, которые можно рассматривать как становление нового научного направления в области топографии, дистанционного зондирования и мониторинга окружающей среды - спутниковый топографический мониторинг. В рамках данного направления на основе критического анализа и обобщения опыта топографических исследований в Арктике были решены две крупные научные проблемы:

проблема теоретико-методологического обоснования топографического моделирования арктических территорий по материалам космических съемок; проблема получения новых географических знаний о тенденциях современного развития арктических архипелагов Российской Федерации.

Основные результаты и выводы работы заключаются в следующем.

1. Определены концепции, теоретическая база, основные задачи, объекты и методы спутникового топографического мониторинга Российской высокоширотной Арктики.

2. На основе выполненных теоретико-экспериментальных исследований информационного содержания космических изображений различного типа, установлено пространственное, спектральное и временное разрешение имеющихся снимков, определены необходимая периодичность, допустимые масштабы и детальность спутникового мониторинга, выполнена оценка ожидаемых точностей топографического моделирования и измерения положения топографических объектов.

3. Разработаны теория и алгоритмы автоматизированного дешифрирования объектов снежно-ледового и облачного покрова по материалам космической съемки, базирующаяся на анализе объективно существующих закономерностей формирования полей электромагнитного излучения в различных областях спектра.

4. Предложена оригинальная методика совместного дешифрирования объектов ледниковой топографии на оптических и радарных космических изображениях, позволяющая достоверно определять положение вершин

ледниковых куполов и щитов, а также выполнять косвенные оценки топографии ледникового ложа и мощности льда.

5. Детально разработана методология топографического моделирования арктических территорий по материалам космической съемки на базе персонального компьютера. Предложен ряд нетрадиционных подходов к синтезированию многозональных изображений в условных цветах, выполнению топологического моделирования и визуализации моделей. На основе разработанной методики цифрового картографирования арктических территорий по космическим изображениям создана серия из шести спутниковых карт и топографическая информационная система на территорию природного заказника «Архипелаг Земля Франца-Иосифа». Разработаны принципы формирования и даны практические рекомендации по совершенствованию содержания топографических информационных систем.

6. Предложен новый метод совместной фотограмметрической обработки стереофотографических и радарных изображений, позволяющий выполнять оценку и повышение точности моделирования объектов ледниковой топографии с одновременным сокращением объема полевых и камеральных работ по определению координат опорных точек.

7. Разработана технология автоматического выявления топографических изменений, базирующаяся на использовании метода спутниковой радарной интерферометрии и позволяющая определять с высокой достоверностью высоты ледниковых куполов, границы выводных ледников, а также положение и состояние береговых линий арктических архипелагов.

8. Получены новые географические сведения о тенденциях развития арктических архипелагов Российской Федерации. Обнаружено несколько новых островов. Доказано исчезновение крупного острова Перламутровый. Подтверждено значительное сокращение площади (на 210 км2) и степени оледенения (на 0.37%) архипелага ЗФИ. Результаты топологических исследований и повторного нивелирования, выполненного впервые за всю историю исследования архипелага, подтвердили опускание поверхности островов относительного среднего уровня Баренцева моря.

9. Автор работы считает, что область применения разработанных теоретических положений, методов и практических рекомендаций по выполнению спутникового топографического мониторинга может быть распространена на всю территорию Российской и зарубежной Арктики. Отдельные положения диссертации представляют несомненный интерес и

практическую значимость для решения задач цифрового картографирования территории нашей страны по материалам космической съемки. Полученные результаты могут послужить основой для совершенствования системы топографических знаний и представлений о природе геофизических и физико-географических процессов, происходящих в высокоширотной Арктике.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. О возможностях структурного анализа изображений железомарганцевых конкреций топографическим методом. // Мировой океан. IV Всесоюзная конференция, Владивосток, ДВГУ, 1983, с.31-32 (соавторы Плотников B.C., Алексеев И.А., Преображенский И.А.).

2. Корреляционный метод структурного анализа изображений железомарганцевых конкреций. // Сб. Трудов всесоюзной научно-технической конференции. М., ОНТИ ЦНИИГАиК, 1986, 3 с. (соавторы Плотников B.C., Алексеев И.А.).

3. Расчет освещенности поверхности объекта в автоматизированных системах дешифрирования. Деп. в ОНИПР ЦНИИГАиК, №178-гд, 1986, 6 с.

4. Статистические характеристики материалов космической метеосъемки. // Материалы X и XI Всесоюзных научно-технических конференций. Экспрессинформация. М., Госцентр «Природа», 1987, с.22.

5. Методика инструментального дешифрирования материалов космической сканерной съемки облачного покрова Земли. // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка №5, 1987, с.95-98.

6. К вопросу применения способа анаглифов для обработки многозональных изображений на приборах синтеза. // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка №5,1987, с. 104-109 (соавтор Сладкопевцев С.А).

7. Перспективы анализа динамики высоты верхней границы облачного покрова по космическим снимкам. // Сб. трудов Всесоюзной научно-технической конференции, Томск, ТПИ, 1988, 3 с. (соавтор Чудинов А.К.).

8. Разработка системы признаков для автоматизированного дешифрирования материалов космической сканерной съемки облачного покрова Земли. Деп.

• в ОНТИ ЦНИИГАиК, №388-гд, 1989,7 с. (соавтор Чудинов А.К.).

9. Разработка методики автоматизированного дешифрирования облачного - покрова по материалам космической многозональной съемки. //

Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н., М., МИИГАиК, 1989, 24 с.

10. Устройство автоматического дешифрирования данных космической скансрной съемки. Авторское свидетельство №1622759. М., ВНИИПИ, 1990, 6 с. (соавторы Машников H.H., Сладкопевцев С.А., Чудинов А.К.).

11. Дешифрирование многозональных изображенийснежно-ледового покрова на приборах синтеза. // Сб. трудов Всесоюзной научно-технической конференции, Ереван, ЕрГУ, 1990, 2 с. (соавторы Сладкопевцев С.А., Чудинов А.К.).

12. Комбинированный способ оценки состояния гидрологических объектов по материалам многозональной съемки. II Труды Всесоюзной научно-практической конференции, Свердловск, Дом науки и техники, 1991, с. 143-145 (соавтор Чудинов А.К.).

□ .Корреляционный анализ многозональных изображений в целях оценки экологических систем. // Материалы научной конференции при международной специализированной выставке «Спектр-91», Миниск, Бел АН, с. 70-71 (соавтор Чудинов А.К.).

14. Дистанционные методы ландшафтно-геохимического картографирования - перспективное направление экологии и прикладной космонавтики. // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, №1, 1994, с. 89-96 (соавторы Сладкопевцев С.А., Дроздов СЛ.).

15. Спутниковое дистанционное зондирование высокоширотной Арктики: проблемы и возможности. // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, №3, 1996, с. 9-15 (соавтор Малинников В.А.).

16. Краткий исторический обзор географических открытий и исследований Земли Франца-Иосифа. // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, №3, 1996, с. 16-23.

17. Краткое физико-географическое описание архипелага Земля Франца-Иосифа. // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, №3, 1996, с. 43-47.

18. Практическое применение спутниковой фототопографии для целей картографирования Земли Франца-Иосифа. // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, №3, 1996, с. 82-114.

19. Остров Галля и его природа: аргументы в пользу его выбора в качестве тестового района. // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, №3, 1996, с. 115-116.

20. A new technique for morphological analysis of clouds: case study with Meteosat data over Europe. // Proc. of the 25-th ERIM Int. Symposium, v. II, Graz, 1993, p.572-582.

21. An employment of Russian spaceborne photographic imagery for urban mapping: metric aspects. // UDMS'93, Vienna, 1993, p. 104-112 (co-author R.Kostka).

22. Russian spaceborne SAR data: comparative analysis with ERS-1 imagery. Final report. // ESRIN, Frascati, 1993, pp.19.

23. An objective approach to hydrometeorological interpretation of inultispectral ' satellite images. // Remote sensing - From research to applications in the new

Europe, R.Vaughan (Ed.), Springer Hungarica, Budapest, 1994, p.345-352.

24. Three-dimensional topographic modelling of mountainous and glaciated areas through Russian spaceborne photographs. Abstract book, EARSeL Symposium, Goeteborg, 1994, p. 106.

25. Geometric processing of Priroda MK-4 spaceborne inultispectral images. // Digital photogrammetry and remote sensing'95. Proc. SPIE 2646, 1995, p.l31 -142 (co-author R.Kostka).

26. Integrated thematic information system for the Franz Josef Land archipelago: . first results. // Microwave instrumentation and satellite photogrammetry for

remote sensing of the Earth. J.B.Lurie (Ed.), Proc. SPIE 2313, 1995, p.26-38 (co-author R.Kostka).

27. Interpretation of several glacial areas in spaceborne photographs and radar imagery. // Proc. of the 15-th EARSeL Symposium, E.Parlov (Ed.), Balkema-Rotterdam, p.203-212, 1996 (co-author R.Kostka).

28. Operational image-based mapping in the Franz Josef Land archipelago. // I APRS, v.XXXI, Part 4, Druckerei Berger, Horn, 1996, p.469-475 (co-author R.Kostka).

29. Mountain cartography in the Arctic: The Franz Josef Land archipelago. // Proc. of the 4-th Int. Symposium on High-mountain remote sensing cartography, Karlstad,-1996, 6 pp. (co-author R.Kostka).

.30. Digitalphotogrammetrie im Dienste der Geoinformation. // PROGIS Softseller, v.7, 1997, p. 10-13 (co-author G.Brandstaetter).

31. Hall Island and its environs: Arguments for the selection of the testsite. // Petermanns Geographische Mitteilungen, Ergaenzungsheft 293, 1997, p.86-88.

'32. Physical-geographical peculiarities of the archipelago. // Petermanns Geographische Mitteilungen, Ergaenzungsheft 293, 1997, p.30-33.

33. Practical application of satellite phototopography to mapping tasks in Franz Josef Land. // Petermanns Geographische Mitteilungen, Ergaenzungsheft 293, 1997, p.60-65.

34. Satellite remote sensing in the High Arctic: problems and possibilities. // Petermanns Geographische Mitteilungen, Ergaenzungsheft 293, 1997, p. 12-18.

35. Short historical review of geographical discoveries and research in Franz Josef Land. // Petermanns Geographische Mitteilungen, Ergaenzungsheft 293, 1997, p.19-25.

36. The Franz Josef Land archipelago - Remote sensing and cartography. R.Kostka (Ed.), Justus Perthes Verlag, Gotha, 1997, pp. 112 (co-authors V.P.Savinykh, T.V.Vereshchaka, V.A.Malinnikov, A.T.Zverev et al.). /' .. /,