Исследование снежного покрова на основе результатов воздушного лазерного сканирования по существу является инновацией в отечественной гляциологии и гидрометеорологии. Новая для снего- и лавиноведения методика построения поля толщины снежного покрова разработана специалистами КубГУ и ООО «ИнжГеоГИС»

А.В. Погорелов (Кубанский государственный университет)

Е.C. Бойко («ИнжГеоГИС», Краснодар)

И.Г. Ризаев («ИнжГеоГИС», Краснодар)

Вопросы, связанные с территориальной структурой нивально-гляциальных систем (в которых снежному покрову принадлежит ключевая роль), относятся к фундаментальным проблемам гляциологии. Наряду с этим существует и прикладная составляющая изучения снежного покрова, связанная, в первую очередь, с оперативным обеспечением снегомерной информацией различных потребителей, включая снеголавинные службы.

Среди разработанных для горных условий авиадистанционных методов измерения характеристик снежного покрова основными были признаны отсчет толщины снежного покрова по дистанционным рейкам и определение водного эквивалента снега по ослаблению интенсивности гамма-излучения земных пород (гамма-съемка). Измерения в обоих случаях должны проводиться с борта вертолета. Метод гамма-съемки обеспечивает относительно невысокое пространственное разрешение и ограничен предельным значением до 600 мм водного эквивалента, а потому не получил распространения. При использовании дистанционных реек для оценки пространственного распределения снежного покрова с заданной точностью требуется большое число точек наблюдения; метод принципиально не отличается от точечных наземных измерений. В начале 1990-х годов авиадистанционные наблюдения за снежным покровом на Кавказе были прекращены, а сеть дистанционных реек утратила свое значение.

Исследование снежного покрова на основе результатов воздушного лазерного сканирования по существу является инновацией в отечественной гляциологии и гидрометеорологии. Новая для снего- и лавиноведения методика построения поля толщины снежного покрова разработана специалистами КубГУ и ООО «ИнжГеоГИС».

Постановка задачи и методика. Снежный покров один из наиболее значимых естественных компонентов, оказывающих влияние на природные процессы и деятельность людей в горах. Район исследований многоснежные бассейны рек Пшехи, Белой и Мзымты (Западный Кавказ, Краснодарский край). Выбор территории обусловлен перспективами использования разрабатываемой методики при освоении и развитии районов зимней рекреации и спорта (рис. 1).

Рис. 1. Территория исследований

Несмотря на высокую пространственную микромасштабную неоднородность поля снежного покрова, регулярные сведения о нем, как правило, исчерпываются точечными измерениями на пунктах гидрометеорологической сети. При этом густота снегомерной сети, например в многоснежных бассейнах рек Пшехи, Белой, Мзымты, составляет 10 3км2 и менее. Результаты таких измерений априори считаются репрезентативными, однако экспериментально подтвердить это можно лишь при наличии площадных (континуальных) данных в пределах соответствующих высотных интервалов горного бассейна.

Полноценное описание структуры полей снежного покрова в горах, необходимое для осмысления организации нивальных систем, предполагает исследование полей с разным пространственным разрешением, поскольку на разных масштабных уровнях формирование поля подчиняется действию различных групп факторов. С позиций зимней рекреации и лавиноведения наибольший интерес представляют моделирование и оценка структуры поля снежного покрова на локальных уровнях формирования горных склонах. Под микро- и мезомасштабными понимаются участки горных склонов с горизонтальными размерами порядка 102 103 и 103 104 м соответственно. Такое пространственное разрешение дает адекватное представление о вкладе локальной неоднородности снежного покрова в фоновые величины, позволяя перейти от осредненных и косвенных показателей заснеженности к реальным значениям на конкретных склонах.

Прямым фактором формирования микроструктуры поля снежного покрова является горный микрорельеф, выраженный в морфометрических показателях (уклоны, микроэкспозиция, кривизна и др.). Поэтому в рамках основной задачи исследования структуры поля снежного покрова выделяются две подзадачи, решаемые путем проведения экспериментов на тестовых участках в горах:
количественная оценка морфометрических свойств земной поверхности (как субстрата для снежного покрова) посредством построения высокоточных моделей рельефа и расчета морфометрии растительного покрова;
построение высокоточной цифровой модели поля толщины снежного покрова на максимуме сезонного снегонакопления.

Последующая интерпретация микро- и мезоструктурных свойств поля должна выполняться на основе сопряженного анализа свойств субстрата (земной поверхности) и собственно поля снежного покрова. В связи с этим выделяются типы моделируемых поверхностей: а) почвенно-каменистый субстрат («истинная» поверхность), б) растительность, в) снежный покров и г) искусственные объекты (сооружения).

Новая для снего- и лавиноведения методика построения поля толщины снежного покрова разработана специалистами КубГУ и ООО «ИнжГеоГИС». Она базируется на современной технологии проведения топографо-геодезических съемок трехмерном лазерном сканировании. Составными компонентами методики являются: инструментальная часть в виде съемочной аппаратуры, устанавливаемой на вертолете; программное обеспечение для обработки данных лазерной локации; приемы геоинформационного моделирования. Лазерно-локационная съемка позволяет получать пространственные данные для создания крупномасштабных карт, ортофотопланов и трехмерных моделей местности. Возможности лазерно-локационной аппаратуры и сопутствующих программных средств обработки полученных данных чрезвычайно эффективны при создании разного рода картографической продукции. Принцип лазерной локации заключается в постоянном взаимодействии между базовыми элементами съемочной аппаратуры: лазерным сканером (LIDAR), инерциальной системой (IMU), приемником спутникового позиционирования и цифровым аэрофотоаппаратом. Центральное место в инструментальной части занимает авиационный лазерный локатор, выступающий в роли средства съемки и источника получения пространственных данных. Ширина полосы захвата при съемке в горных условиях достигает 500 900 м. Точность данных после обработки составляет 10 20 см в плане и 15 см по высоте (при относительной высоте съемки до 1000 м), что является достаточным для создания топографических планов масштаба 1:2000 и крупнее. По нашим оценкам, такая позиционная точность соответствует преобладающим погрешностям моделирования поля толщины снежного покрова в условиях Западного Кавказа в пределах 1 7%.

Эксплуатация авиационных лазерных сканеров и обработка массивов полученных пространственных данных, развивая классический стереотопографический метод, одновременно предполагают ряд инновационных решений, которые относятся к поиску алгоритмов моделирования выделенных типов сканируемых поверхностей. Результаты воздушной лазерной локации представляют собой высокоточные цифровые модели местности или рельефа, возможности всестороннего фундаментального и прикладного использования которых еще недостаточно изучены. Модель поля толщины снежного покрова рассчитывается как разность цифровых моделей поверхностей субстрата и снежного покрова.

К очевидным преимуществам рассматриваемой разработки относятся:
точность съемки земной поверхности, соответствующая точности топографических планов;
высокая степень детализации трехмерной модели поверхности, достигаемая выбором режимов лазерного сканирования;
возможность работы в труднодоступных горных районах;
оперативность и высокая производительность съемки.

Существенным компонентом развиваемой методики является ГИС-моделирование, включающее построение полей толщины снежного покрова по данным трехмерного лазерного сканирования с использованием геостатистических приемов интерполяции. Для этих целей применяются соответствующие инструменты полнофункциональной ГИС ArcGIS 9 (ESRI, Inc.). Технологии лазерно-локационной съемки являются одним из наиболее прогрессивных средств проведения комплексного геоинформационного моделирования.

Предварительные результаты эксперимента. Эксперимент проводился силами специалистов КубГУ, ООО «ИнжГеоГИС», ЗАО «НИПИ «ИнжГео» (Краснодар) и предусматривал:
проведение лазерно-локационной съемки тестовых участков для получения исходных массивов данных об истинной земной поверхности, высоте и характере растительного покрова;
построение высокоточной базовой цифровой модели рельефа (ЦМР) тестовых участков;
разработку алгоритмов, автоматизирующих манипуляции с массивами исходных данных;
проведение лазерно-локационной съемки тестовых участков на максимуме снегонакопления для получения массивов данных о снежном покрове;
построение моделей поля толщины снежного покрова как разности поверхностей снежного покрова и субстрата;
проведение количественного анализа микро- и мезоструктурных свойств поля снежного покрова с учетом факторов его формирования.

Для апробации предлагаемой технологии выбраны три репрезентативных тестовых участка (рис. 1) с характерными географическими условиями формирования снежного покрова. Первый участок в районе массивов Пшехасу и Фишт (верховья рек Пшехи и Белой) закладывался с учетом наземного снегомерного маршрута с. Черниговское гора Фишт, на котором гидрометеослужбой регулярные наблюдения ведутся с 1978 г. Наличие наземных снегопунктов дает возможность, во-первых, выполнить верификацию данных дистанционных наблюдений, во-вторых, проверить репрезентативность наземных измерений на снегопунктах. Два других тестовых участка расположены в бассейне р. Мзымты в районе проектируемого горнолыжного комплекса «Роза Хутор» (курорт Красная Поляна, Сочи). Среди микро- и мезомасштабных факторов, вклад которых в формирование поля снежного покрова необходимо установить по данным тестовых участков, выделяются: высота местности, экспозиция склонов (ветровая, солярная), морфология поверхности.

Лазерное сканирование проводилось ЗАО «НИПИ «ИнжГео», обработка данных ООО «ИнжГеоГИС». Следует отметить, что дата осенней съемки (21 ноября 2006 г.) не отвечала условиям «чистоты» проведения эксперимента, поскольку к этому времени в верховьях рек установился сезонный снежный покров, учет которого при последующем построении ЦМР базовой поверхности выполнить невозможно. Однако это не помешало получению запланированных предварительных результатов, среди которых цифровые модели поверхности земли и поля толщины снежного покрова тестовых участков. Следует отметить, что в настоящее время проведена съемка рассматриваемых участков без снежного покрова и данные находятся в обработке.

В бассейне р. Пшехи объяснимый интерес вызывало распределение снежного покрова на участке маршрута с наземными снегопунктами. Анализу поля снежного покрова предшествовало построение производных ЦМР (рис. 2).

Рис. 2. Карты крутизны поверхности и экспозиции склонов

Модель поля толщины снежного покрова на исследуемом участке представлена способами количественного фона и градиентной заливки (рис. 3). Площадное (рис. 3) и линейное распределение толщины снежного покрова по данным моделирования свидетельствует о ее высокой пространственной изменчивости. При этом очевиден вклад в структуру анализируемого поля на характерных линейных отрезках 1400 1900 м, по меньшей мере, двух факторов: микрорельефа и высоты местности. На данной стадии исследования ограничимся качественной оценкой этого вклада, хотя полученные цифровые модели формально позволяют выполнить количественный анализ сопряженности исследуемых типов поверхности.

Как видно из рис. 3, в выбранном высотном интервале 1100 1600 м на фоне флуктуаций, вызванных микрорельефом, заметен тренд постепенный рост толщины снежного покрова с увеличением абсолютной высоты местности. Для исключения высотного тренда стандартные статистические показатели распределения толщины снежного покрова рассчитывались в границах высотных ступеней. На высотах 1100 1700 м средние значения толщины снежного покрова монотонно растут от 0,67 до 2,07 м; в интервале 1700 2000 м они резко уменьшаются вследствие увеличения крутизны склонов. Показатели пространственной изменчивости STD и CV зависят, главным образом, от абсолютных значений толщины снежного покрова и характера поверхности. В исследуемом высотном диапазоне наименьшие значения CV (0,28) отмечаются на высотах 1400 1500 м в лесной зоне, наибольшие (1,32) на отметках 1800 1900 м вне лесной зоны.

Рис. 3. Распределение толщины снежного покрова на участке наземного снегомерного маршрута. Способы изображения количественный фон (слева) и градиентная заливка (справа)

Наименьшие средние углы наклона поверхности (19,7 ) свойственны высотному диапазону 1400 1600 м, где отмечается и наименьшая пространственная вариабельность толщины. На высотах 1700 2000 м со средней крутизной склонов 36 43 коэффициенты вариации толщины снежного покрова резко увеличиваются (CV>1,08), одновременно, несмотря на высотный тренд снегонакопления, уменьшаются средние толщины снежного покрова. В этом же высотном диапазоне отмечаются и экстремально высокие для данной местности локальные пятна снегонакопления, приуроченные к понижениям в рельефе (воронки, котловины). Следует отметить качественные структурные изменения поля толщины снежного покрова в лесной зоне и вне ее. Так, в лесной зоне явно выражено формирование микроструктур в связи с эрозионной сетью, имеющей линейную вытянутость. Рисунок поля здесь складывается из небольших линейно вытянутых отдельностей; наряду с этим отмечается и влияние мезоэкспозиции на южных склонах снега меньше, что говорит о роли солярной экспозиции. Вне лесной зоны поле снежного покрова представлено относительно крупными пятнами, формирующимися под влиянием метелево-ветрового переноса. Здесь велика роль ветровой экспозиции.

Полученные в районе наземного снегомерного маршрута данные дают возможность не только перейти от точечных (одномерных) наблюдений к трехмерному представлению поля, но и выполнить оценку репрезентативности снегопунктов.

В заключение сформулируем перспективные задачи исследования:
1. Последующие съемки базовой поверхности и снега.
2. Формальная оценка ошибок и погрешностей моделирования поля снежного покрова.
3. Увязка микромасштабной морфометрии поверхности (рельеф, растительность) с показателями поля снежного покрова на основе принципа «подобия» формирования поля.
4. Описание структурных свойств поля толщины снежного покрова с использованием геостатистических методов.
5. Разработка методики оперативной оценки снегонакопления в горах по данным воздушного лазерного сканирования.
6. Изучение потенциальной лавинной опасности по построенным моделям.

В теоретическом плане полученные результаты способствуют развитию представлений о пространственной структуре нивальных систем и собственно механизмах структурирования. Практическая реализация подобных исследований оперативное обеспечение районов горнолыжных трасс и зимней рекреации, включая территорию Красной Поляны, информацией о снеголавинном состоянии.