авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Космический мониторинг и оценка риска затопления урбанизированных территорий в периоды половодий

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Тарарин Андрей Михайлович

КОСМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ И ОЦЕНКА РИСКА ЗАТОПЛЕНИЯ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ В ПЕРИОДЫ ПОЛОВОДИЙ

25.00.36 – Геоэкология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2010

Работа выполнена на кафедре геоинформатики и кадастра
Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Никольский Евгений Константинович
Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук, профессор Зверев Анатолий Тихонович кандидат технических наук, профессор Лимонов Анатолий Николаевич
Ведущая организация: МП «Институт развития города «НижегородгражданНИИпроект»

Защита диссертации состоится 22 апреля 2010 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.143.02 в Московском государственном университете геодезии и картографии по адресу: 105064, Москва, Гороховский переулок, д. 4, зал заседания Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета геодезии и картографии.

Автореферат разослан 18 марта 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, Сладкопевцев С.А.

д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Моделирование затопления территории в периоды половодий дает возможность оценить общую геоэкологическую обстановку, связанную с инженерно-гидрологическими особенностями территории строительства. Оценки риска затопления территории позволяют планировать рациональное использование прирусловых территорий, что способствует их устойчивому развитию.

По данным Министерства природных ресурсов РФ наводнения являются одним из часто повторяющихся стихийных бедствий, охватывающих большие территории и превосходящих по наносимому ущербу все другие чрезвычайные ситуации. [Трутнев, 2006]. Несмотря на это до сего времени нет надежных долгосрочных прогнозов их появления, достоверных и общепринятых методик подсчета причиняемых ими ущербов. Анализ данных по наводнениям позволяет сделать вывод о тенденциях роста причиняемого ими ущерба. В этой связи требуется усилить научно-исследовательские, организационные и практические работы, направленные на снижение рисков и уменьшение ущербов от наводнений [Авакян, 2001].

Среди основных причин, приводящих к большим ущербам от половодий в России, можно назвать, во-первых, отсутствие достоверных прогнозов опасности затопления территорий, во-вторых, отсутствие законодательно закрепленных правил хозяйственного использования земель, подверженных сезонным затоплениям.

Учитывая обширность речных пойм и быстроту протекающих на них процессов затопления, для решения первой проблемы можно рекомендовать использовать методов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса. Важными преимуществами этих методов являются большая обзорность, возможность регулярного отслеживания состояния земной поверхности, высокая оперативность получения информации об интересующем районе и интеграция в геоинформационные системы (ГИС). В свою очередь использование ГИС как интегрирующей основы дистанционных и наземных данных о затоплении земель и сведений о хозяйственном освоении территории позволит создать информационный ресурс, позволяющий выработать правила использования затопляемых территорий и представить их в виде картографических материалов.

Прибрежные территории всегда будут являться притягательными для размещения объектов строительства и хозяйственных комплексов, поэтому применение современных технологий, направленных на снижение риска и предотвращение ущерба от наводнений, является одним из актуальных направлений в геоэкологии.

Цель работы состоит в разработке методики моделирования затопления территории по космическим снимкам в сочетании с данными об уровнях воды, определяемых на гидропостах, и оценки риска затопления в периоды половодий.

Основные задачи исследования:

  1. Проанализировать опыт применения методов дистанционного зондирования Земли и ГИС-технологий для мониторинга половодий.
  2. Провести экспериментальные исследования по оперативному космическому мониторингу территории Нижегородской области в периоды половодий.
  3. Разработать методику моделирования затопления территории по космическим снимкам.
  4. Разработать методику оценки риска затопления территории в периоды половодий.
  5. Составить карты опасности, экономической уязвимости и экономического риска затопления территории на тестовых участках в Нижегородской агломерации.

Объектом исследования являются территории, подверженные сезонным затоплениям.

Предмет исследования - применение космических снимков и ГИС-технологий для мониторинга половодий и оценки риска затопления территории.

Методы исследования: методы геоинформационного анализа данных дистанционного зондирования Земли из космоса, автоматизированной обработки данных и картографирования результатов, анализа и обобщения материалов на основе теории риска и ее применения для оценки риска затопления территории в периоды половодий.

Научная новизна. Разработана методика моделирования затопления прирусловых территорий крупных и средних рек по архивным космическим снимкам высокого пространственного разрешения в сочетании с данными об уровнях воды, определяемых на гидропостах. Разработана методика оценки риска затопления земель в периоды половодий, позволяющая оценивать и прогнозировать экономический ущерб для урбанизированных территорий.

Результаты исследования, выносимые на защиту:

  1. Методика моделирования затопления территории по космическим снимкам высокого пространственного разрешения в сочетании с данными об уровнях воды, определяемых на гидропостах.
  2. Методика оценки риска затопления территории в периоды половодий.
  3. Результаты апробации разработанных методик моделирования затопления территории по космическим снимкам высокого пространственного разрешения в сочетании с данными об уровнях воды, определяемых на гидропостах, и оценки риска затопления территории в периоды половодий.

Практическая значимость работы. Исследования, положенные в основу диссертационной работы, выполнялись автором в рамках ряда НИР по заказу Главного управления МЧС России по Нижегородской области, а также по Государственным контрактам по теме: РИ-111.0/003/127 «Применение геоинформационных технологий на основе данных дистанционного зондирования Земли с целью оценки и снижения рисков ущерба в период половодий» в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы и в рамках проекта «Разработка научных основ и технологий защиты урбанизированных территорий от природных и антропогенных катастроф и негативных воздействий» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)».

Результаты работы внедрены при подготовке необходимых планово-картографических материалов в рамках подраздела «Организационная и научная деятельность в бассейне Волги» плана работы Операционного центра ЮНЕСКО при ННГАСУ; при проверке на тестовом участке гидродинамической модели реки Волги, разработанной в рамках проекта «Моделирование Волжско-камского каскада водохранилищ» российско-германской научно-исследовательской программы «Волга-Рейн»; при разработке Схемы территориального планирования Балахнинского района Нижегородской области. Геоинформационная база данных зон затопления передана для практического использования в Центр мониторинга и прогнозирования ЧС Главного управления МЧС России по Нижегородской области.

В учебном процессе результаты работы используются в курсовом и дипломном проектировании студентов ННГАСУ, а также в лекционных курсах по дисциплинам «Аэрокосмические методы мониторинга в кадастре объектов недвижимости», «Геоинформационные и земельные информационные системы».

Апробация результатов работы проводилась на следующих конференциях: научных конгрессах Международных научно-промышленных форумов "Великие реки" (Нижний Новгород, 2006, 2007, 2008, 2009), Третьей международной конференции «Земля из космоса – наиболее эффективные решения» (Москва, 2007), VI и VIII Международных молодежных научно-технических конференциях «Будущие технической науки» (Нижний Новгород, 2007, 2009), V научно-практической конферен­ции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» (Москва, 2005), VIII Российских Чтениях-конкурсе памяти С.А. Каплана (Нижний Новгород, 2005), Четвертой и Пятой открытых всероссийских конференциях "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса" (Москва, 2006, 2007), VI Межрегиональной научно-практической конференции «Новые информацион­ные технологии – инструмент повышения эффективнос­ти управления» (Нижний Новгород, 2007), ХII Нижегородс­кой сессии молодых ученых (технические науки) (Нижегородс­кая область, 2007), отчетной научной конференции института архитектуры и градостроительства ННГАСУ (Нижний Новгород, 2009).

Публикации. Материалы диссертационного исследования опубликованы в 23 печатных работах, из них три в журналах, рекомендованных ВАК и в одном отчете о НИР.

Структура диссертационной работы. Работа изложена на 135 страницах, состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, заключения, библиографического списка и приложений. Имеет, кроме текста, иллюстрационный дополняющий материал в виде 22 рисунков и 24 таблиц, библиографический список, состоящий из 154 наименований, в т.ч. 20 на иностранных языках. Диссертация включает 5 приложений.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность, определяется объект и цель, ставятся задачи исследования, формулируется научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе диссертации даются понятия риска, уязвимости и опасности, вызываемые затоплением территории в периоды половодий. Проведен критический анализ работ по мониторингу паводков с применением данных ДЗЗ и ГИС. Рассмотрено техническое и программное обеспечение космического мониторинга.

По известной вероятности затопления территории (P) и величине возможной уязвимости (V) можно оценить риск затопления (R) для территории в количественных показателях. Такие показатели представляют собой вероятностные величины, характеризующие возможную гибель, увечье людей и возможные материальные потери (экономический ущерб) [Осипов, 2004].

Вероятность проявления затопления (P) территорий рассчитывается исходя из многолетних наблюдений за максимальными уровнями воды на гидропостах и информации о паводкоопасных зонах. Величина уязвимости (V) тесно связана со степенью хозяйствен­ного освоения затапливаемых территорий в зонах различной обеспеченности.

Риск затопления (R) территории можно выразить следующей функцией:

R = f (P, V),

где P - вероятность затопления территории; V - величина возможной уязвимости.

Оценка риска затопления невозможна без развертывания системы мониторинга наводнений. Действующая сеть гидропостов Гидромета не может дать всю необходимую информацию об опасности затопления. С учетом обширности речных пойм дополнительные данные о затоплении могут быть получены методами ДЗЗ из космоса.

Методические аспекты мониторинга природных процессов с использованием данных ДЗЗ в последние 30 лет разрабатывались в НИИ Росгидромета и его региональных подразделениях, Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова, Институте водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН, Институте географии Сибирского отделения РАН, Институте космических исследований РАН, Московском государственном университете геодезии и картографии и др. учреждениях. Значительный вклад в применении геоинформационных технологий и аэрокосмических методов в системах автоматизированного экологическ­ого мониторинга окружающей природной среды внесла федеральная целевая программа "Оздоровление экологической обстановки на реке Волге и ее притоках, восстановление и предотвращение деградации природных комплексов Волжского бассейна" ("Возрождение Волги"), осуществляе­­мая под научным руководством академика PAACH B.B. Найденко.

Анализ опыта использования данных ДЗЗ показал их широкое применение при мониторинге паводков и наводнений. Космические снимки, полученные в реальном режиме времени, используется для оперативного слежения за прохождением весеннего половодья и анализом его развития. Важным достоинством оперативных космических снимков среднего пространственного разрешения является наглядность данных и возможность получения покрытия на всю территорию, в частности, Нижегородской области. Однако использование космических снимков высокого пространственного разрешения в реальном масштабе времени связано с планированием заказа съемок и большими финансовыми затратами. По архивным снимкам высокого пространственного разрешения возможно определять положение урезов воды на даты прошлых лет и выделять затопленные участки поймы. Съемка в радиоволновом диапазоне дает возможность получать информацию о наводнениях независимо от освещенности и облачности. Обработка радарных снимков требует специализированного программного обеспечения, к тому же их стоимость значительно превышает аналогичные данные в видимой и инфракрасной области электромагнитного спектра, в связи с чем они не были применены в данной работе.

Во второй главе рассмотрены методологические вопросы и технологические аспекты предлагаемой методики моделирования затопления территории по космическим снимкам высокого пространственного разрешения в сочетании с данными об уровнях воды, определяемых на гидропостах.

Методика состоит из трех последовательных этапов:

I этап - Формирование базы данных космических снимков территории:

  1. Произвести анализ развития половодий.
    1. Анализ водного режима рек.
    2. Составление графиков максимальных уровней для гидропостов.
    3. Расчет обеспеченности уровней воды.
    4. Выявление периодов стояния высоких вод с целью заказа архивных космических снимков на даты максимального разлива вод.
  2. Произвести анализ обеспеченности данными ДЗЗ.
    1. Выбор космических аппаратов.
    2. Выбор поставщиков данных ДЗЗ.
    3. Анализ архивов поставщиков данных ДЗЗ.
  3. Произвести обработку космических снимков.
    1. Выбор картографической основы.
    2. Выбор комбинации каналов для визуализации.
    3. Выбор картографической основы для контроля привязки и трансформирования изображения.
    4. Обработка космических снимков в специализированном программном обеспечении.

II этап - Создание геоинформационной базы данных (ГБД) зон затопления:

  1. Выбрать участки паводкового контроля.
  2. Сформировать зоны затопления по участкам.
  3. Занести в ГБД информацию по участкам паводкового контроля.
  4. В случае недостатка космических снимков произвести моделирование зон затопления с помощью ЦМР в виде грида.

III этап – Моделирование затопления территории:

  1. Составить карты затопления территории при различных уровнях обеспеченности.

Отработка методики производилась на тестовых участках Нижегородской агломерации. С учетом времени прохождения весенних половодий проводился анализ обеспеченности данными ДЗЗ территории Нижегородской области со следующих космических аппаратов: Terra (Aster), Landsat 5, 7, Метеор-3М (МСУ-Э), IRS (Liss 3),
Spot 4, 5. Анализ архивов ведущих российских поставщиков данных ДЗЗ (ИТЦ «СканЭкс», «Совзонд», НЦОМЗ и др.) показал, что для периодов весенних половодий на территорию Нижегородской области космических снимков достаточно мало. Это вызвано отсутствием достаточного количества космических съемок высокого разрешения, а также наличием облачности в паводковый период.

В результате было отобрано 16 архивных космических снимков с космических аппаратов Terra (Aster), Landsat 5, 7 и Метеор-3М (МСУ-Э), которые были приобретены в рамках НИР при финансовой поддержке Главного управления МЧС по Нижегородской области.

Космические снимки были получены от поставщиков поканально в формате GeoTIF, после чего была произведена их обработка: визуализация в режиме RGB, контрастирование изображений, коррекция цветового баланса. Как известно, «вода» на космических снимках лучше всего отображается в инфракрасных и красных каналах. Исходя из этого для космических снимков Landsat и Aster были опытным путем подобраны комбинации, на которых затопляемые территории выглядят темно синими и почти черными и резко контрастируют с прибрежными территориями. Для Landsat это комбинация 7-5-3, а для Aster 9-3-2. Космические снимки с космического аппарата Метеор-3М (МСУ-Э) по своему качеству сильно уступают данным Landsat и Aster, в связи с чем далее работа с ними не проводилась.

Обработка космических снимков проводилась в программе ScanEx Image Processor v2.0. Так как границы затопления, полученные по космическим снимкам, необходимо сравнивать между собой, совмещать с картой местности, то необходимым условием является их метрическая точность. В виду отсутствия более точного картографического материала космические снимки привязывались к цифровой топографической карте Нижегородской области масштаба 1 : 200 000. В качестве опорных точек использовались, как правило, пересечения дорог. После того как достигалось наиболее четкое изображение, оно сохранялось в формате BMP с географической привязкой в формате ГИС MapInfo Professional.

В программе ScanEx Image Processor v2.0 производилась автоматическая векторизация зон затопления по снимкам в инфракрасных каналах, после чего они редактировались в ГИС MapInfo Professional на этапе создания геоинформационной базы данных зон затопления прирусловых территорий рек Волга и Ока. Прирусловые территории рек Волга и Ока были поделены в зависимости от местоположения гидропостов на участки так, чтобы гидропост находился на середине участка, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Схема участков паводкового контроля и размещения гидропостов

Для этих слоев была создана и заполнена атрибутивная таблица. Структура таблицы атрибутивных данных отражена в табл.1.

Таблица 1 - Структура таблицы атрибутивных данных



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.