Область наук:
  • Енергетика і раціональне природокористування
  • Рік видавництва: 2003
    Журнал: Технології громадянської безпеки

    Наукова стаття на тему 'Космічний моніторинг повеней і їх наслідків'

    Текст наукової роботи на тему «Космічний моніторинг повеней і їх наслідків»

    ?Науково-технічні розробки

    УДК 614.8: 551.311.2

    М.А. Шахраманьян д. Т. Н., A.B. Епіхін к. В. н., Е.В. Щербенко к. С-х. н.,

    С.Г. Дорошенко, A.B. Челюканов

    КОСМІЧНИЙ МОНІТОРИНГ ПОВЕНЕЙ ТА ЇХ НАСЛІДКІВ

    A.B. Епіхін

    Повені є грізну і підступну стихію і загрожують майже трьох чвертей земної поверхні. За оцінкою Міжнародного товариства Червоного Хреста і Червоного Півмісяця в період часу з 1968 по 1992 рік число постраждалих від цього стихійного лиха склало понад 42 млн. Чоловік [1]. Величезний і яку завдають паводками матеріальні збитки. За період з 1976 по 1995 рік збиток від паводків склав близько 55 млрд. Доларів. Основними їх причинами є інтенсивні дощі, танення снігу, вітрові нагону і приливні явища в гирлах річок, льодові затори, прориви дамб і гребель. На території Росії повені є найбільш руйнівними і часто відбуваються (35% від загальної частоти виникнення небезпечних подій) природними стихіями. Загроза повеней існує в Росії більше ніж для 40 міст і кількох тисяч інших населених пунктів. Загальна площа заплавних земель, періодично затоплюваних річковими і озерними водами, становить приблизно 500 тис. Кв. км. Середньостатистичний збиток від повеней по країні становить 3,25 млрд. Доларів в рік [2].

    Для мінімізації людських втрат і зменшення матеріальних збитків від повеней і паводків необхідна оперативна оцінка обстановки. Тому застосування традиційних засобів спостереження (наземна і повітряна інформація) не відповідають сучасним вимогам щодо забезпечення безпеки населення на великих територіях, таких як Росія. Подібні завдання можливо вирішувати комплексними методами на основі космічного моніторингу територій.

    Для реалізації постанови Уряду Російської Федерації від 24 березня 1997 року № 334 «Про порядок збору та обміну в Російській Федерації інформації у сфері захисту населення і територій від надзвичайних ситуацій природного і техногенного характеру», рішенням Міжвідомчої комісії з попередження і ліквідації надзвичайних ситуацій створено Агентство МНС Росії з моніторингу і прогнозування надзвичайних ситуацій. На основі інформації, одержуваної Агентством, в тому числі і від космічних засобів, проводиться безперервний аналіз стану природного і техногенного середовища.

    В Агентстві функціонує Центр прийому і обробки космічної інформації з лабораторіями в Москві, Красноярську, Владивостоці, Елісті і Вологді, які оснащені програмно-апаратними комплексами прийому та попередньої обробки космічної інформації, а також за необхідне базовим і спеціальним програмним забезпеченням. У число основних завдань Центру входить стеження за проходженням паводків на річках Росії, що використовується в прогнозах розвитку паводкової обстановки і може допомогти при прийнятті рішення на надання допомоги населенню та оцінки збитків від стихійних лих.

    Космічний моніторинг паводків передбачає оперативне виявлення факту розливу річки, виявлення територій, що потрапили в зону затоплення і стеження за паводкової обстановкою на затоплених і підтоплених територіях. Висока оперативність, необхідна поставленим завданням, накладає обмеження на використання космічних даних за тимчасовим дозволом. Найбільш придатними космічними даними для виявлення факту розливу річок є дані, одержувані на одну і ту ж територію з периодич-

    М.А. Шахраманьян

    Е.В. Щербенко

    С. Г. Дорошенко

    Представлення даних по паводкової обстановки органам управління МНС для прийняття рішень

    Мал. 1. Схема контролю паводкової обстановки на території Російської Федерації

    ністю 2-4 години. Велике значення має оглядовість космічних зображень, тобто смуга огляду знімається території повинна бути не менше 1000 км. Знімальна апаратура повинна проводити зйомку в необхідному наборі спектральних каналів. Цій вимозі відповідають космічні зображення, одержувані з апаратури АУНЯЯ (ИОАА) і М0018 (ТЕ1ША), інформація з яких доступна всім споживачам.

    Для ефективного вирішення завдання виявлення і моніторингу паводкової обстановки в Центрі розроблено і постійно вдосконалюється програмно-методичне забезпечення, яке дозволяє в оперативному режимі виявляти зони повеней і паводків, визначати їх характеристики і передавати отриману інформацію в органи управління.

    До характеристик паводків і повеней відносять:

    - географічне розташування зони розливу води;

    - найменування розлилися річок;

    - населені пункти, що потрапили в зону розливу води;

    - затоплені або постраждалі в результаті розливу об'єкти інфраструктури, такі як дороги, газопроводи, продуктопроводи, ЛЕП, електропідстанції та інші.

    Крім характеристик паводків (повеней) до органів управління передається так само видова інформація, що представляє собою растрове зображення, отримане шляхом виділення з космічного зображення безпосередньо шару водної поверхні і накладення його на растрову топографічну карту масштабу М 1: 200 000. У ряді випадків можливе надання видовий інформації у векторному вигляді. Однак, як показує практика, використання растрової видової інформації більш переважно для оперативного використання при ліквідації наслідків повеней.

    Загальна схема контролю паводкової обстановки на території Росії представлена ​​на рис. 1.

    Космічний моніторинг весняного паводку починається з отримання щотижневого прогнозу паводкової ситуації по всій території країни, який складається в Гідрометцентрі Росії. Під контроль беруться всі річки, на яких прогнозується наступ паводку. Складається заявка в ЦПД (Центр програмних досліджень) Російського космічного агентства на проведення зйомок прогнозованих територій. Крім того для оперативного контролю території проводиться аналіз космічних зображень з КА «NOAA», що надходять до Центру кожні 2-3 години, що дозволяє проводити безперервний контроль паводкової обстановки в країні.

    Для організації експериментальних робіт використовується наступне програмно-технічне оснащення Центру:

    • прийомні станції «Сканекс» і «СканЕр», які забезпечують прийом космічної інформації з КА «Ресурс-О», «TERRA», «NOAA»;

    • ПЕОМ класу: «Pentium-166» і вище в локальній мережі;

    • програмні засоби тематичної обробки: «ERDAS IMAGINE» (8.2, 8.3.1, 8.4, 8.5) з модулями «HRP» і «Ресурс», «ScanViewer».

    У загальному вигляді схема виявлення паводкової обстановки в оперативному режимі з використанням методів цифрової обробки зображень представлена ​​на рис. 2.

    Фахівцями Центру розроблено наступне методичне забезпечення, що дозволяє навіть непідготовленим користувачам виявляти паводкову обстановку, визначати її характеристики і проводити експрес-оцінку збитку від паводків (повеней):

    - Методика виявлення паводкової обстановки

    Науково-технічні розробки

    Науково-технічні розробки

    Мал. 2. Виявлення паводкової обстановки оперативними методами

    за даними космічної зйомки;

    - Методика експрес-оцінки збитку, що наноситься сільськогосподарським культурам паводками, з використанням даних космічної зйомки.

    Дані методики пройшли експертизу Міжвідомчої координаційної наукової ради з проблем ГО і НС (МВКНС) і були атестовані Міжвідомчою комісією з попередження і ліквідації НС. Крім зазначених методик, показана можливість ефективного застосування нічних космічних зображень земної поверхні в

    тепловому діапазоні електромагнітного спектра для виявлення паводкової обстановки та розроблено рекомендації щодо їх використання. Крім цього в тепловому діапазоні електромагнітного спектра добре розрізняються льодові затори, які можуть бути причинами локального підйому води. Дана проблема актуальна для річок, що течуть із півдня на північ.

    Приклади використання космічної інформації при моніторингу виникнення паводкової обстановки та її розвитку (рис. 3-11).

    За космічними даними з високою роздільною здатністю

    передача

    даних

    вЦУКС

    Імпорт в ЕКОА8 їта ^ рпе

    радіометрії еская

    кор акція

    Трансформування в проекцію карти

    Створення маски шару "вода"

    Накладення маски шару "вода" на топографічну карту

    Розпізнавання з навчений

    вибір

    кластера, відповідного класу "вода

    розлитих річок і найближчих

    пунктів

    Нанесення на з обр Ажен назву

    Вибір фрагмента зображення

    Перегляд

    йсаїїУіеіеГі

    прийняття

    рішення

    на річках

    Розпізнавання без навчання

    Мози

    крижаний

    затор

    Мокрий лід Сніг, лід

    Чистий (без льоду) вода

    Розлилася вода з льодом

    вихідне зображення

    Ріс.З. Паводкова обстановка на річці Прийняти 29 лютого 2000 р.

    Метод головних компонент

    Виділення шару води на 2-й головною компоненті, створення маски "вода"

    Створення маски шару "вода" паводкова "і" вода руслових "

    Накладення маски шару "вода паводкова" і "вода руслових" на синтезоване зобр Ажен, складене га 1,2,3 головних компонент

    Розпізнавання без навчання (кластерний аналіз)

    Мал. 4. Виявлення затоплених територій з використанням поточного та архівної зображень

    можна виявити не тільки затоплені і підтоплені території, а й оцінити матеріальний збиток, нанесений паводковими водами і зливовими потоками. Для вирішення цього завдання необхідно використовувати також два зображення, отримані до і після надзвичайної ситуації. Причому, для більш точної оцінки ситуації необхідно використовувати

    зображення близьких термінів зйомки, з тим, щоб виявити зміни об'єктів, що сталися в результаті НС, а не внаслідок їх природного природного зміни. Алгоритм дій оператора в разі визначення збитку від паводків (повеней) представлений на рис. 5.

    З використанням даної методики на замовлення З-

    Визначення місцезнаходження ділянок постраждалих від паводку

    за

    земним

    даними

    За космічними даними методами візуального дешифрування

    Підбір косміческіхізображеній з архіву

    Обчислення вегетаційного індексу

    Визначення проектного покриття рослинністю грунту

    Якісна оцінка стану рослинності (погане, уд., Хор., Дуже хор)

    Цифрова обробка зображень

    Вибір фрагмента космічного зображення з загиблими с / г культурами (Бсапі / іеуег)

    Імпорт обраних фрагментів зображення в ERDAS Imagine

    Попіксельно поєднання двох різночасових зображень

    Розпізнавання загиблих с / г культур методом класифікації без навчання (ІІЗСЮАТА)

    Ідентифікація класів методом аналізу спектральних кривих

    Визначення площ, загиблих с / г культур (га) Б,

    аналіз даних

    Прогнозований урожай з 1 га в центнерах до паводку для с / г культур в різному стані (ц / га) Р1

    І

    Обчислення шкоди від втрати с / г культур в результаті паводку на всій досліджуваній території (руб.) І =? рус

    Я

    Вартість 1 центнера зерна (руб. / Ц) З

    Середній багаторічний урожай с / г культур на досліджуваній території

    Оцінка точності методу (%)

    Мал. 5. Блок-схема алгоритму розрахунку величини збитку, нанесеного сільськогосподарським культурам в результаті паводку

    з використанням космічних даних

    Науково-технічні розробки

    Науково-технічні розробки

    Затоплено 50% території з рослинністю в хорошому стані

    Затоплено 30% території з рослинністю в задовільному стані

    Підтоплені відкриті грунту

    Підтоплені території з рослинністю в задовільному стані

    Затоплено 10% території, на якій була рослинність в дуже хорошому стані

    Русло річки, озера, ставки

    Затоплено 40% території з відкритими грунтами

    Незатопленние відкриті від рослинності грунту

    Затоплено 80% території з рослинністю в задовільному стані

    Затоплено 50% території з рослинністю в поганому стані

    І I

    Мал. 6. Визначення збитків сільськогосподарським культурам від повені в долині річки Малий Дунай

    вета Європи була визначена експрес-оцінка збитку сільськогосподарським культурам від повені в долині річки Малий Дунай (рис. 6). Також був оцінений збиток від повені в ряді районів Краснодарського краю в червні-липні 2002 року (рис. 7).

    На наведених прикладах виявлення паводкової обстановки результати представлені в двомірному вигляді. У ряді випадків, особливо для гірських районів, з метою більш наочного представлення отриманих даних доцільно використання варіанти подання видової інформації у вигляді тривимірної або 30 моделі. На даний момент в ФЦ ВНДІ ГОЧС йде робота в цьому напрямку. В якості

    базового програмного пакета обраний АгсСІЗ. Також ведеться розробка спеціального програмного забезпечення.

    Основною метою ЗО-моделювання НС є більш наочне уявлення даних, отриманих при обробці космічних зображень. Зокрема ЗЕ моделювання дозволяє створити тривимірну модель місцевості постраждалої в результаті НС. Дані, отримані при обробці космічних знімків можна накласти на цю модель таким чином, що інформація про НС (зокрема паводку) матиме найбільш наочне уявлення.

    Колір Стан переважної с \ г культури до паводку Площа загиблих с / г культур, га Прогнозована врожайність переважної с / г культури з 1 га до паводку, ц Сто гало сть 1 ц переважної с / г продукції, руб. Збиток, млн. Руб.

    Сільськогосподарські культури в поганому стані (ПП до40%) 17713, 14 Рі З іі

    Н Сільськогосподарські культури в задовільному стані з ПП 40-60% 6157, 88 Р2 С і 2

    - Сільськогосподарські культури в хорошому стані з ПП 60-80% Рз З

    ІВ Сільськогосподарські культури в дуже хорошому стані з ПП 80-100% 5916, 51 Р4 з і4

    разом

    Мал. 7. Виявлення сільськогосподарської рослинності на території Гулькевичский району Краснодарського краю,

    загиблої в результаті паводку 20.06.02 - 02.07.02

    За допомогою ЗО-моделювання надзвичайної ситуації можливо як уявлення отриманих даних, так і прогноз поширення паводкових вод по території. Представлення даних за допомогою тривимірного моделювання можливо в декількох видах.

    У першому варіанті космічний знімок накладається на створену тривимірну модель території. Таким чином, виходить зображення найбільш наближене до реального виду території. сел-

    ле цього на модель накладаються оброблені дані. Таким чином, виходить зображення території надзвичайної ситуації з найбільш наближеним до реальності видом (рис. 11).

    Другий варіант набагато менш трудомісткий, однак, і не настільки наочний. У цьому варіанті на тривимірну модель території накладається тільки оброблена інформація, а текстура поверхні задається не космічним знімком, а, наприклад, градієнтом кольору.

    Науково-технічні розробки

    Науково-технічні розробки

    | '? Ділянки, залиті водою

    МП Підтоплені ділянки [| перезволожені ділянки

    I | вода

    ! ! лід

    Мал. 8. Підтоплення територій, викликане рясними опадами і таненням снігу (КА «Ресурс-О», Краснодарський край, 22.02.98 р)

    1РР111 ™ 1ЦА щ | щііьц ^ 1МІІШ1№І

    11111 ,. ? Явшвдр -|г. ; . 111111111111 ДМП-йГ ;; "I ::; '

    Мал. 9. Льодові затори на річці Лена і викликані ними розливи води в районі м Олекминського за даними КА МОАА

    легенда:

    Затоплені ділянки Підтоплені ділянки

    Мал. 10. Паводкова обстановка в Рязанській області в районі нас. пункту Кадом на річках Мокша, Вид з даними штучного супутника Землі «текли» на 26 квітня 2001 р.

    (Виділено шар води і покладений на топографічну карту М 1 200000)

    Мал. 11. Паводкова обстановка в Краснодарському краї на річці Кубань в районі нас. пунктів Новокубанск і Лісовий (обидва зате / міни) 03 липня 2002 р.

    література

    1. Григор'єв Ал.А., Кондратьєв К.Я. Природні і антропогенні екологічні катастрофи. Класифікація та основні характеристики. Дослідження Землі з космосу. № 2, 2000 г. - С. 72-83.

    2. Воробйов Ю.Л., Локтіонов Н.І., Фалеев М.І., Шахраманьян М.А., Шойгу С.К., Шолох В.П. Катастрофи і людина. Книга 1. Російський досвід протидії надзвичайним ситуаціям. - М .: «Видавництво АСТ-ЛТД», 1997 року - 255 с.

    Науково-технічні розробки


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити