Файл: Лабутина Использование данных ДЗЗ для экомониторинга.pdf

Методическое пособие

60

В  последние  годы  стремительно  растет  число  работ,  в  которых 

анализируются изменения в природных системах в связи с измене-
ниями  климата.  Так,  А.И.  Михеева  по  материалам  дистанционного 
зондирования  исследовала  пространственную  изменчивость  поло-
жения верхней границы леса в Хибинах (Михеева, 2010). Хибинский 
горный  массив,  расположенный  в  центре  Кольского  полуострова  – 
один из перспективных горных районов для изучения реакции лесо-
тундровой растительности на изменения климата. В работе отмечает-
ся трудность задачи выделения верхней границы леса, которая давно 
стоит перед исследователями. На основе обзора литературы показа-
но, что разработано множество критериев ее выделения, например: 
сомкнутость крон древесного яруса, величина островка леса, высота 
и диаметр деревьев, предел распространения пряморослых деревьев. 
Выделенные  таким  образом  границы  —  условные  линии,  так  как 
растительность  представляет  собой  пространственный  континуум. 
Верхняя  граница  леса  –  зона  контакта  двух  экосистем,  в  простран-
стве  она  больше  похожа  на  полосу.  В  проведенном  исследовании  в 
качестве границы леса принята условная линия, ниже которой нахо-
дится сплошной лес, ясно распознаваемый на космических снимках 
высокого разрешения по яркости, и выше которой отмечается нали-
чие признаков (в основном яркостных) более высокого фитоценоза 
(в данном случае тундры).

Определение положения верхней границы леса, ее пространствен-

ных вариаций, а также факторов, влияющих на ее положение, для по-
следующей  оценки  динамики  во  второй  половине  XX  в.  выполнено 
на  примере  Хибинского  горного  массива.  Поставленные  задачи  ре-
шались на основе материалов космической съемки, осуществленной с 
индийского спутника IRS сенсорами LISS и PAN 23 июля 2004 г. (про-
странственное разрешение 23 и 5,8 м), космического снимка ASTER/
Terra  от  30  июля  2004  г.,  цифровых  топографических  карт  масшта-
ба 1:50 000, карты природных территориальных  комплексов  Хибин, 
геоботанических  описаний.  Работы  по  географической  привязке 
снимков,  визуальному  и  автоматизированному  дешифрированию 
объектов, расчеты и интерпретация результатов проводились в геоин-
формационной среде в пакетах ERDAS Imagine и ArcGIS. Итогом ра-
боты стала карта пространственных вариаций верхней границы леса 
Хибинского горного массива в масштабе 1:50 000, которая позволила 
сделать  ряд  выводов  об  особенностях  произрастания  леса  и  измене-

Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга экосистем ООПТ

61

ниях его границы. Например, граница леса повсеместно определяется 
формами рельефа, на которых он произрастает. Крутизна склонов ча-
сто служит лимитирующим фактором для верхней границы леса, так 
как на очень крутых склонах почвенный смыв и иные процессы эро-
зионной природы не позволяют формироваться зональным почвам, а 
зачастую уничтожают сами деревья. Обычно предел по крутизне со-
ставляет  20–23°.  Исследованиями  было  подтверждено,  что  главный 
фактор произрастания леса – увлажненность почвы и воздуха, а оро-
графические факторы лишь вторичны. В данном случае можно гово-
рить о проявлении закона минимума Либиха: увлажненность почвы и 
воздуха – те факторы, недостаток действия которых влияет на выжи-
вание деревьев у верхней границы леса. Пространственные вариации 
положения границ леса во многом связаны с локальной экспозицией 
склонов. На склонах западной экспозиции лес может подниматься до 
самого гребня, тогда как на восточном склоне едва превышает 300 м. 
Огромное воздействие на лес и, в частности, на положение его верхней 
границы оказывает антропогенный фактор – вырубки нарушают есте-
ственное  положение  границы  леса,  такую  ситуацию  можно  наблю-
дать, например, на хорошо освоенных территориях. Главное значение 
орографического фактора заключается в том, что чем выше растет лес, 
тем сильнее влияют на его произрастание все остальные факторы. На 
больших высотах даже незначительная смена экспозиции и крутизны 
может повлиять на исчезновение древесных форм. На определенной 
высоте, которая служит пределом распространения древесной расти-
тельности, леса сменяются тундрой.

Примеры  изучения  реакции  горных  ледников  на  изменения 

климата  с  использованием  разновременных  материалов  дистан-
ционного  зондирования  можно  привести,  основываясь  на  работах 
Е.А.Золотарева (Золотарев, 2009) и Е.А. Золотарева и Е.Г. Харьковца 
(Золотарев, Харьковец, 1996, 2000, 2007). В этих работах исследова-
ние эволюции оледенения Эльбруса базируется на трех фиксирован-
ных датах: 1957, 1979 и 1997 гг., которые образуют два почти равных 
интервала времени. Данные 1957 г. были представлены оцифрован-
ной топографической картой масштаба 1:10 000, составленной по ма-
териалам фототеодолитной съемки в лаборатории аэрокосмических 
методов кафедры картографии и геоинформатики географического 
факультета  Московского  университета,  а  1979  и  1997  гг.  –  материа-
лами аэрофотосъемок, обработанных с помощью цифровых техноло-

Методическое пособие

62

гий. В результате на каждую из дат были составлены цифровые моде-
ли всего оледенения. Их сопоставление дало возможность измерить 
изменение  границ  и  высоты  поверхности  оледенения  для  каждого 
из интервалов времени. Оно облегчалось тем, что все три цифровые 
модели оледенения были составлены в единой системе координат и 
опирались на одни и те же пункты съемочного обоснования. Макси-
мально  возможная  среднеквадратическая  ошибка  при  совмещении 
разновременных цифровых моделей в плане и по высоте составила 
2,5  м  и  была  рассчитана  по  20  контурным  точкам,  опознанным  на 
карте и на снимках. Количественные данные по изменению площа-
ди и объема оледенения Эльбруса позволили авторам сделать вывод, 
что за 40 лет (с 1957 по 1997 г.) объем оледенения Эльбруса умень-
шился на 1,2 км

3

, что составляет около 1 км

3

 воды, из них 45% при-

ходится  на  два  ледника  северо-восточного  склона.  Примечательно, 
что 98% этого объема – это нижняя часть оледенения от окончаний 
языков до высоты 4000 м. 

Технология  выполнения  работ  по  сравнению  разновременных 

аэрокосмических  материалов  при  изучении  высокогорных  ледников 
описана  в  других  работах  (Золотарев,  Харьковец,  1996,  2000,  2007). 
Современный этап картографического изучения ледников характери-
зуется цифровой фотограмметрической обработкой наземных, аэро- и 
космических  снимков.  Появились  "цифровые  снимки",  которые  для 
нужд  горной  гляциологии  пока  получают  в  основном  путем  скани-
рования и цифровой записи материалов фотографической аэро- или 
фототеодолитной  съемки.  Обработку  стереопар  цифровых  снимков 
выполняют  с  помощью  цифровых  фотограмметрических  программ-
ных комплексов, построенных на базе вычислительных систем, в том 
числе и персональных компьютеров. В представленных здесь работах 
использовалось  преимущественно  собственное  программное  обеспе-
чение,  разработанное  Е.Г.  Харьковцом.  Цифровой  метод  картогра-
фирования  ледников  рассмотрен  на  примере  составления  цифровой 
ортофотокарты Эльбруса по материалам аэрофотосъемки 1997 г.

Цифровая  ортофотокарта  составлялась  с  использованием  циф-

рового  фотограмметрического  программного  комплекса,  который 
включал  следующие  основные  компоненты:  программный  стерео-
компаратор для измерения координат точек по цифровым снимкам; 
программы  для  проведения  фотограмметрических  расчетов,  в  том 
числе блочной фототриангуляции; программы для автоматического 

Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга экосистем ООПТ

63

измерения параллаксов и набора точек цифровой модели рельефа; 
стереоредактор  для  редактирования  стереомодели  и  цифрования 
контуров  при  визуальном  дешифрировании  стереомодели,  наблю-
даемой  на  мониторе  персонального  компьютера  с  помощью  жид-
кокристаллических затворных стереоочков; программы построения 
цифровой модели рельефа и создания ортофотоизображения. Фото-
грамметрическая  обработка  включала  измерение  опорных  точек, 
фототриангуляцию, набор точек для цифровой модели рельефа и со-
ставление ортофотоплана. Цифровые снимки были предварительно 
получены путем записи исходных аэрофотоснимков на фотограмме-
трическом сканере.

Определение  элементов  ориентирования  снимков  и  вычисление 

пространственных  координат  измеряемых  точек  основывались  на 
проведении  блочной  фототриангуляции  с  использованием  большо-
го количества опорных точек по всей площади аэрофотосъемки. Это 
позволило достичь точности определения координат порядка 1,5 м в 
плане и по высоте, достаточной для создания карты в масштабе 1:10 
000. Основными элементами содержания созданной ортофотокарты 
являются ортофотоизображение с разрешением 1 м на местности, ре-
льеф, изображаемый горизонталями с сечением 10 м, и отдешифриро-
ванная граница ледников.

Картографирование  рельефа  проводилось  с  использованием  в 

качестве  промежуточных  данных  его  цифровой  модели.  Набор  то-
чек ЦМР осуществлялся по стереопарам взаимно ориентированных 
снимков. Необходимость набора большого количества точек для по-
строения  детальной  модели  рельефа  обусловила  применение  авто-
матизированных методов стереоизмерения, с использованием кото-
рых было получено 96% точек ЦМР. Остальные точки были набраны 
во  время  визуального  контроля  результатов  измерений  с  помощью 
программы-стереоредактора после обработки каждой из стереопар. 
Общее количество измеренных точек составляет около 1 000 000 на 
всю обрабатываемую территорию. Полученная ЦМР использовалась 
для построения горизонталей и при ортотрансформировании аэро-
фотоснимков. 

Границы оледенения определялись в режиме визуального дешиф-

рирования при стереоскопическом рассмотрении снимков, увеличен-
ных в стереоредакторе приблизительно до масштаба 1:5 000, что по-
зволило изобразить их достаточно точно. 

Методическое пособие

64

Особое  значение  при  мониторинге  ледников  имеет  определение 

изменения  высоты  поверхности  ледника,  на  основе  чего  устанавли-
вается  изменение  его  объема.  Традиционно  для  этого  используются 
картометрические  способы  определения  по  разновременным  карто-
графическим  материалам.  Однако  большая  трудоемкость  картогра-
фирования ледников на основе материалов фототеодолитной съемки 
или аэрофотоснимков и стремление повысить точность определения 
изменений  путем  использования  материалов  повторных  съемок  без 
предварительного  создания  по  ним  карт  обусловили  необходимость 
их непосредственного совмещения на универсальных приборах. При 
таком способе стереопары повторной съемки ориентировались по кар-
там,  составленным  на  основе  более  ранних  съемок.  Измерения  про-
водились  при  наведении  визирного  устройства  координатографа  на 
горизонталь карты или узел регулярной сетки и одновременном на-
ведении  марки  стереоавтографа  на  поверхность  стереомодели.  На-
ведение  на  горизонталь  не  требует  интерполяции  рельефа  по  карте. 
Измерения в узлах регулярной сетки, напротив, предусматривают та-
кую интерполяцию, но они предпочтительнее при восстановлении не-
прерывной поверхности изменения высоты. Обе разновидности этого 
способа позволяют определять изменения высоты точнее, чем карто-
метрическими способами.

Иллюстрации  визуальных  наблюдений  стереомодели  смещения, 

составленной из двух повторных снимок на примере изменений одно-
го из ледников Эльбруса, можно найти в учебных материалах Межу-
ниверситетского  аэрокосмического  центра  (http://www.geogr.msu.
ru/science/aero/acenter/int_sem5/sem5_1.htm). Высокая трудоемкость 
такого способа и его ограничения, связанные с техническими возмож-
ностями  совмещения  повторных  снимков  и  карт,  стали  причиной 
перехода  к  аналитическим  способам  обработки  снимков.  Предпри-
нимались  попытки  определения  изменения  высот  путем  сравнения 
ЦМР,  построенных  по  разновременным  стереопарам.  Эксперимен-
тально  было  установлено,  что  при  наборе  точек  по  регулярной  или 
какой-либо произвольной сетке, при использовании структурных ли-
ний или других способов детализации поверхностей, полученных по 
независимо измеряемым стереопарам, не удается значительно повы-
сить точность определений, а аналитически полученная поверхность 
изменений  существенно  отличается  от  реальной.  Выход  был  найден 
в проведении согласованных измерений стереопар – в одних и тех же