Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка профильно-площадной методики спутникового зондирования островных ледников Российского Заполярья

ВАК РФ 25.00.34, Аэрокосмические исследования земли, фотограмметрия

Автореферат диссертации по теме "Разработка профильно-площадной методики спутникового зондирования островных ледников Российского Заполярья"

На правах рукописи

НИКОЛЬСКИЙ ДМИТРИЙ БОРИСОВИЧ

РАЗРАБОТКА ПРОФИЛЬНО-ПЛОЩАДНОИ МЕТОДИКИ СПУТНИКОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ОСТРОВНЫХ ЛЕДНИКОВ РОССИЙСКОГО ЗАПОЛЯРЬЯ

(Специальность: 25.00.34 - Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия)

г 1 ноя 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2013

005539018

005539018

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет геодезии и картографии» (МИИГАиК) на кафедре Прикладной Экологии и химии.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Малинников Василий Александрович

Зверев Анатолий Тихонович,

доктор геолого-минералогических наук, профессор, Московский государственный университет геодезии и картографии, кафедра природопользования и географии, заведующий кафедрой

Барталев Сергей Александрович,

доктор технических наук, профессор, Институт космических исследований РАН, лаборатория мониторинга наземных экосистем, заведующий лабораторией

Ведущая организация:

Институт Географии Российской Академии Наук

Защита состоится «19» декабря 2013 года в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.143.01 при Московском государственном университете геодезии и картографии по адресу: 105064, Москва К-64, Гороховский пер., д. 4, МИИГАиК, зал заседаний Ученого совета.

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

Автореферат разослан «-г^» 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

2

Степанченко А.Л.

Общая характеристика работы

Актуальность диссертационной работы:

Задача получения современной достоверной топографо-геодезической информации особенно остро стоит для самых северных территорий Российского Заполярья. Этот островной регион, покрытый ледниками, является одним из наименее изученных регионов Российской Федерации и наименее изученным регионом во всей Арктике. Ледники Заполярья не включены в международную сеть мониторинга ледников, так как по ним нет доступной комплексной аналитической информации и актуальных сведений. Сегодня единственным достаточно полным собранием сведений о ледниках Российского Заполярья являются топографические карты и «Каталог ледников СССР», содержащие информацию о характеристиках ледников по состоянию на 1950-1980 гг.

Для исследования и освоения Заполярья необходимы новые топографические и тематические карты, необходима актуальная информация о современном состоянии наиболее динамично изменяющихся объектов - ледниках, регулярный мониторинг их изменений. «Стратегией развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года» предусмотрено выполнение картографических работ, а также внедрение современных информационно-телекоммуникационных технологий, в том числе методов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в Арктике.

Современные методы исследования поверхности Земли и выполнения топографо-геодезических работ в региональном масштабе основаны на использовании данных ДЗЗ из космоса, позволяющих в сжатые сроки получить высокоточную геопространственную основу для обширной территории. Из-за сложных погодных условий и недостаточной освещенности поверхности значительную часть времени для арктических территорий целесообразно использовать радиолокационные данные и специализированные методы их обработки, позволяющие получить наиболее полную информацию о ледниковой поверхности. Для получения корректных достоверных результатов при работе с данными ДЗЗ требуется наличие опорной информации, источниками которой могут служить либо топографические карты территории с незначительными изменениями, либо координаты геодезических пунктов, либо точки полевых работ с

ГЛОПАСС/ОРБ координатами. Если в качестве плановых опорных точек при среднемасштабном картографировании (1:100 000,1:200 000) может быть использован ряд контуров с имеющихся топографических карт или ортотрансформированные снимки сверхвысокого разрешения, то для получения высотной опорной информации ни один из приведенных источников не подходит, так как высоты поверхности ледников сильно изменились за 50-ти летний период, а масштабные полевые работы непосредственно на ледниковой поверхности в Заполярье очень сложны, опасны и дороги.

Современные методы обработки какого-либо вида данных ДЗЗ не позволяют получить полную актуальную пространственную информацию о ледниках, поэтому необходима комплексная методика обработки разнородных данных, учитывающая их сильные и слабые стороны, а также наличие и доступность данных. В работе предлагается методика, позволяющая проводить исследования изменений ледников и их картографирование на основе дистанционного профильно-площадного спутникового зондирования. В качестве основных исходных пространственных данных предлагаются интерферометрические пары радиолокационных снимков, а в качестве источника высотной опорной информации - данные высокоточных альтиметрических измерений высот ледниковой поверхности. Разработанная методика может стать основой системы мониторинга ледников Заполярья, позволит получить количественные и качественные оценки изменений оледенения Российского Заполярья.

Цель диссертационной работы:

Разработка методики профильно-площадного спутникового зондирования ледников, основанной на совместной обработке альтиметрических, радиолокационных и оптических данных ДЗЗ, для задач регионального мониторинга, среднемасштабного картографирования и анализа изменений объема, режима и баланса массы ледников Российского Заполярья.

Основные задачи исследования:

- изучить информацию об основных объектах и дистанционных методах их исследования, выполнить сбор и подготовку экспериментальных баз данных;

- выполнить анализ современных методов и программных средств обработки

спутниковых данных профильной альтиметрии и площадной интерферометрии;

4

- разработать профильно-площадную методику спутникового зондирования островных ледников Российского Заполярья;

- провести апробацию методики в рамках научно-исследовательских проектов по исследованию изменений ледников Российского Заполярья;

- создать серию среднемасштабных тематических карт и моделей изменений наиболее удаленных ледниковых комплексов Российского Заполярья за период 1950 -2010 гг.;

- получить количественные и качественные оценки изменений объема, режима и баланса массы исследуемых ледников Российского Заполярья.

Объекты исследования:

Ледниковые комплексы и отдельные ледники наиболее удаленного и малоизученного региона Российского Заполярья, включающего: Землю Франца-Иосифа, Северную Землю, острова Де-Лонга, часть Северного острова Новой Земли и отдельные острова: Виктория и Ушакова.

Предмет исследования:

Методы и технологии обработки данных ДЗЗ для задач мониторинга, картографирования и количественного анализа изменений покровного оледенения.

Методы исследования:

В исследовании использованы численные методы; методы цифровой обработки изображений; методы фотограмметрической обработки данных ДЗЗ; методы интерферометрической обработки радиолокационных данных; методы картографического, статистического и визуального анализа.

Научная новизна работы:

предложена не имеющая аналогов профильно-площадная методика спутникового зондирования ледников, предусматривающая комплексную совместную обработку радиолокационных, оптических и альтиметрических данных ДЗЗ, учитывающая региональные особенности и рациональное использование имеющихся данных;

- определены современные размеры оледенения наиболее северных ледников Российского Заполярья (2010 - 2012 гг.), данные о режиме, балансе массы и характере изменений;

установлено существование растущих ледников на фоне общего отрицательного характера изменений объема, режима и баланса массы ряда ледников Российского Заполярья за период 1950-е - 2010-е гг.;

- установлены существенные ошибки в плановом положении ряда крупных отдельных удаленных островов с ледниками на топографических картах масштабов 1:200 000- 1:1 000 000 (1957-1965 гг. и более поздние переиздания).

Результаты диссертационных исследований, выносимые на защиту:

1. Методика профильно-площадного спутникового зондирования ледников, основанная на совместной обработке альтиметрических, радиолокационных и оптических данных ДЗЗ;

2. Технологические схемы обработки данных ДЗЗ, использование которых предусмотрено разработанной методикой;

3. Рекомендации и пошаговые инструкции по обработке данных в рамках разработанной методики;

4. Результаты исследования изменений объема, режима и баланса массы исследуемых ледников Российского Заполярья за период 1950-е - 2010-е гг.:

- серия моделей изменений ледников;

- серия тематических карт изменений ледников;

- результаты количественного анализа, свидетельствующие о наличии растущих ледников на фоне общего уменьшения площади занятой ледниками;

- уточненные границы арктических островов.

Практическая значимость:

Предложенная методика комплексной обработки радиолокационных,

оптических и альтиметрических данных разрабатывалась в ходе 3 научно-

исследовательских проектов (два международных: INTEGRAL и SMARAGD в

Joanneum Research, институт информационных и коммуникационных технологий,

Грац, Австрия и в рамках НИР «Географические исследования северных территорий

России по материалам космических съемок», МИИГАиК). Совершенствование и

практическое применение представленной методики проводилось в рамках

международного проекта MAIRES - Мониторинг ледников и морских льдов Арктики

с использованием российских и европейских данных ДЗЗ в 2012-2013 гг. для

6

исследования арктических ледниковых комплексов. Предложенные подход и методика могут использоваться для картографирования и анализа изменений для ледников покровного типа в глобальном масштабе.

Апробация работы:

Основные положения и результаты исследования представлены на научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК (Москва, 2007 г.), на юбилейной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК (Москва, 2009 г.), на Генеральной ассамблее Европейского союза наук о земле EGU General Assembly 2012 (Австрия, Вена, 2012 г.), на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава "МИИГАиК-234" (Москва, 2013 г.), на Всероссийской конференции с международным участием «Применение космических технологий для развития арктических регионов» КТАР-2013 (Архангельск, 2013 г.), на одиннадцатой открытой Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса» (Москва, 2013 г.).

Публикации:

Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 9 статьях, в том числе 2 - в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, состоящего из 119 наименований и двух приложений. Общий объем работы составляет 158 страниц машинописного текста, включая 104 рисунка и 14 таблиц.

Краткое содержание работы

Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель работы и основные задачи исследования, отмечены научная новизна, практическая значимость и международное сотрудничество в рамках диссертационной работы.

Первая глава посвящена описанию района и объектов исследований, здесь рассмотрены вопросы изученности ледников, наличия информации и темпы ее старения, а также особенности спутникового дистанционного зондирования ледников.

В качестве основного района исследований (рис. 1) был выбран наиболее удаленный и малоизученный регион Российского Заполярья, включающий: Землю Франца-Иосифа, Северную Землю, острова Де-Лонга, часть Северного острова Новой Земли и два отдельных острова (Виктория и Ушакова). Район характеризуется значительной степенью оледенения (среднее значение составляет 53% от общей площади), значительными изменениями гляциоклиматических условий в широтном и меридиональном направлениях, а также крайне суровым климатом.

Рис.1. Район исследований (красный контур). Цифрами обозначены: 1-0. Виктория,2 - Земля Франца-Иосифа, 3 - о. Ушакова, 4 - о. Шмидта, 5 - Северная Земля, б - о-ва Де-Лонга, 7 - Новая Земля.

Большинство ледников исследуемого района относится к покровному оледенению полярного (холодного) типа, представляющие собой островные ледниковые покровы, изолированные друг от друга акваториями проливов и выходами скальных поверхностей. Ряд самых северных и наименее изученных островных ледниковых комплексов и ледников бассейнов морей Баренцева, Карского и Лаптевых являются непосредственными объектами исследования.

Значительная часть исследуемых ледников представляют собой островные ледники или ледниковые комплексы, занимающие практически весь остров, за исключением участков выхода скальных поверхностей. Отличительной особенностью таких островов - ледяных шапок является отсутствие быстродвижущихся выводных

8

ледников. К такому типу относятся ледниковые комплексы, расположенные на островах в акваториях Баренцева и Карского морей: Виктория, Артура, Гогенлое, Райнера, Ева-Лив, Фреден, Ушакова, Шмидта. Эти острова отличает достаточно небольшие площадь и высоты поверхности. Ледники островов Де-Лонга представляют собой небольшие ледниковые шапки, лежащие на возвышенностях, высоты которых достигают 400 м. Также среди объектов исследования есть два сложных ледниковых комплекса, включающих в себя быстродвижущиеся выводные ледники: Северная ледниковая шапка, которая является обособленной частью Главного Ледникового Щита Северного острова Новой Земли, и остров Рудольфа.

В настоящее время основным опубликованным источником геопространственной информации об исследуемых ледниках Российского Заполярья являются стандартные топографические карты, созданные по результатам топографо-геодезических работ на основе стереофотограмметрической аэросъемки 50-х - 80-х гг. XX века. Большой объем общей фактической информации, а также конкретные численные топографические и морфологические характеристики, некоторые данные по режиму ледников и объемам льда содержатся в «Каталоге ледников СССР», тематических атласах, монографиях, посвященных вопросам оледенения региона и отдельных арктических архипелагов, а также большом числе публикаций в научных журналах.

Топографические карты могут рассматриваться как источник полной, но ретроспективной информации, поскольку вопрос старения топографической информации для территорий, значительную часть которых занимают ледники -является определяющим. Ледники являются динамическими объектами и имеют очень быстрые темпы изменений по сравнению с большинством других природных объектов. Следовательно, вопрос получения актуальной информации для данного региона стоит достаточно остро. Причем наиболее целесообразным и с практической (возможность получения большого числа данных ДЗЗ с различными характеристиками), и с экономической точек зрения (существенно боле низкие затраты по сравнению с организацией и выполнением аэросъемки) является использование именно спутниковых методов ДЗЗ для изучения труднодоступных полярных регионов.

Для получения качественных и количественных характеристик исследуемых

ледников необходимо комплексное использование различных методов, средств и видов обработки данных, которое учитывает региональные географические и климатические характеристики и особенности подстилающей поверхности.

Во второй главе приведено общее описание фотографических, оптико-электронных, радиолокационных и альтиметрических спутниковых систем ДЗЗ, рассмотрены методы спутникового дистанционного зондирования ледников и продемонстрированы конкретные примеры обработки различных видов данных для исследуемых объектов. Методы спутникового дистанционного зондирования ледников сгруппированы по видам выходной информации: получение плановой информации, определение высот ледниковой поверхности и измерение скоростей течения ледников.

Основными источниками актуальной плановой информации являются космические снимки, получаемые в оптическом и микроволновом диапазонах длин волн. Использование таких видов данных для определения современного положения объектов, их границ и анализа изменений требует обязательного выполнения фотограмметрической обработки. В ходе фотограмметрической обработки (ортотрансформирования) устанавливается соответствие между точками на снимке и точками, расположенными на земной поверхности. Для повышения плановой точности при ортотрансформировании необходимо использовать цифровую модель местности. Если объект исследования не покрывается одним снимком, то выполняется создание мозаики из нескольких ортотрансформированных снимков. Полученная геопространственная основа используется для получения современных границ ледниковых комплексов.

Задача определения высот ледниковой поверхности или их изменений является существенно более сложной, чем задачи определения географического положения и плановых характеристик ледников. Во-первых, это связано с физическими свойствами снежно-ледовых поверхностей, к которым относятся значительный коэффициент отражения и структурная однородность, во-вторых, это связано с топографией исследуемых ледниковых поверхностей, которые представляют собой гладкие пологие куполообразные шапки.

Наиболее точные дистанционные данные о высотах ледниковой поверхности можно получить с помощью лазерного альтиметра GLAS, установленного на

спутнике ICEsat (2003 - 2009 гг.). Альтиметрические данные, полученные спутником ICEsat, представляют собой профильные точечные измерения с очень высокой точностью определения высоты поверхности (порядка 10 см), измерение проводится для участка поверхности с диаметром около 70 м. Размер «пятна» измерения является достаточно большим, но для пологой куполообразной поверхности ледника изменение высоты на таком расстоянии является незначительным и не оказывает существенного влияния на точность. Расстояние между соседними точками измерений составляет чуть более 170 м. Среднее расстояние между профилями на широтах 80-81° (Земля Франца-Иосифа) соответствует 12 км. Среднее расстояние между профилями на широте 75-77° (Новая Земля) соответствует 20 км.

Высоты поверхности, определяемые с помощью спутника ICEsat, являются уникальным проверочными и контрольными данными, которые могут использоваться совместно с другими источниками высотной информации, а также служить источником для топографических определений высот ледниковой поверхности. На рис. 2 приведен сравнительный профиль, на котором показаны значения высот по измерениям ICEsat и значения высот для этих же точек, определенных по топографическим картам.

—— |СЕЬм 04-05-2004 -Топок«!*! 1950-е "

Рис.2. Сравнительный высотный профиль (Северная ледниковая шапка, Новая

Земля).

Стереосъемка в оптическом диапазоне длин волн является самым распространенным дистанционным способом определения высот поверхности, но ввиду сложных метеоусловий, не достаточной освещенности и однородного характера ледниковой поверхности ее использование в этом регионе ограничено.

Радиолокационная интерферометрическая съемка — метод измерений, использующий эффект интерференции электромагнитных волн. Техника интерферометрической обработки радиолокационных данных предполагает получение нескольких когерентных измерений одного и того же района земной

поверхности со сдвигом в пространстве приёмной антенны. Данный метод существенно меньше зависит от освещенности и метеоусловий в регионе, так как съемка выполняется на больших длинах волн (3,1 - 27 см). Радиолокационное изображение содержит информацию об амплитуде и фазе сигнала. Пара интерферометрических снимков, полученных либо единовременно, либо со сдвигом во времени, позволяет рассчитать интерферометрическую фазу:

ф = Ф,оро + Фае/ + Фат + Фт где:

Фюро - фаза за счет обзора топографии под двумя разными углами;

Фае/- фаза за счет смещения поверхности в период между съемками;

Фат - фаза за счет различия длин оптических путей из-за преломления в среде распространения сигнала;

Ф„ - вариации фазы в результате электромагнитного шума.

Наличие компонент Фщ и Фат вызывает трудности при расчете цифровой модели рельефа (ЦМР). При получении снимков с разницей в 1 сутки очень существенные ошибки (вплоть до сотен метров) возникают в зонах быстро движущихся выводных ледников (Фае/)- В то же время по таким интерферометрическим данным решается задача определения скорости течения льда, альтернативой чему могут служить только полевые исследования. Существенные ошибки также может вызвать неоднородность атмосферы во время съемок (Фа,„,).

Для анализа произошедших изменений и определения современных высот ледниковой поверхности не достаточно какого-то одного из доступных видов данных ДЗЗ, необходимо использовать комбинацию нескольких видов данных. Основываясь на наличии данных и возможностях их обработки, наилучшим вариантом является комбинация интерферометрических радиолокационных (площадных) и альтиметрических (профильных) данных для исследования изменений высот ледниковой поверхности.

В третьей главе подробно описана методология спутникового профильно-площадного зондирования ледников. Предложенная методика обработки данных дистанционного зондирования ледников предусматривает комплексирование площадных и профильных данных и решает задачу построения модели изменений ледниковой поверхности, на основе которой могут быть получены количественные

показатели современного оледенения и произошедших за определенный период времени изменений (рис. 3).

Методика предусматривает обязательное использование опорной базовой информации о высотах поверхности, а именно ретроспективной цифровой модели рельефа (ЦМР), полученной на основе топографических карт 1950-х гг. Таким образом, при использовании современных радиолокационных и альтиметрических данных (условно 2010 год) временной период исследований составляет 60 лет.

Интреферометрические данные

Альтиметричсские данные

¡1

Дифференциальная интерферометрия

Комплексирование дифференциальных данных | Дифференциальная альтиметрия

А 1' 1 *

1 | 'а ' \ 1

Расчет количественных и качественных характеристик

современного состояния ледника посредством ГИС-инструментов.

Формирование базы геоданных и карты изменений

Дополнительные данные, в том числе оптические ДДЗЗ

Топографические карты

| I

- построение опорной ЦМР; Г * - обработка интерферометрических данных;

- обработка альтиметрических данных; - обработка дополнительных данных;

- комплексная обработка профильных и площадных данных.

Опорная ЦМР

Рис. 3. Профильно-площадная методика дистанционного зондирования ледников.

Техническая реализация метода подразумевает выполнение последовательных шагов обработки данных: создание опорной ЦМР, интерферометрическую обработку радиолокационных данных, обработку альтиметрических данных, комбинирование полученных результатов, обработку дополнительных данных, формирование модели изменений ледника и расчет характеристик современного состояния ледника.

Массив дифференциальных альтиметрических профилей

Рис.4. Технологическая схема обработки альтиметрических данных.

Вертикальные изменения в конкретной точке ДА, представляют собой разность высот для этой точки, полученных из разновременных источников информации Afy = Ни - Нт ( oi - высота точки, определенная по более старому источнику -

базовая высота, " - высота точки, определенная по более современному источнику). В качестве базового источника информации по высотам целесообразно использовать имеющиеся топографические карты (полученную по ним растровую цифровую модель рельефа), в качестве же современного источника о высотах поверхности могут быть использованы альтиметрические измерения высот. На сегодняшний день это единственный прямой спутниковый дистанционный метод измерения высот поверхности. Тогда = Нтьт ¡ — Hoi , где Ншы„ ¡ - современная высота точки, измеренная спутниковым альтиметром. На рис. 4 приведена разработанная технологическая схема обработки альтиметрических измерений (аналогичные схемы предложены для всех используемых видов обработки).

Изменения высот поверхности могут быть рассчитаны для всех имеющихся точек альтиметрических измерений, но это не дает общей точной картины вертикальных изменений поверхности ледника ввиду дискретного характера альтиметрических измерений. Эта проблема может быть решена при комбинировании дифференциальных альтиметрических данных с данными дифференциальной двухпроходной радиолокационной интерферометрии. Двухпроходная дифференциальная интерферометрия предусматривает использование существующей ЦМР для создания синтезированной интерферограммы, которая впоследствии вычитается из действительной интерферограммы, полученной по паре радиолокационных снимков (рис.5а). Результирующим продуктом двухпроходной дифференциальной интерферометрической обработки является дифференциальная фаза, характеризующая изменения, произошедшие на местности во временной промежуток между состоянием местности на ЦМР и интерферограммой (рис.56).

Значения дифференциальной интерферометрической фазы в каждой конкретной точке будут пропорциональны изменению высоты поверхности относительно опорной высотной информации:

Ms>sin(H) 4яй1Д<р '

где г - наклонная дальность, ^ - длина волны, и - угол съемки, ^ -перпендикулярная составляющая базы съемки, Аср -интерферометрическая фаза.

б) дифференциальная интерферограмма а) интерферограмма, содержащая (вычтена ЦМР, полученная по картам),

информаг/ию о высотах поверхности содержащая информацию о вертикальных

изменениях

Рис.5. Результаты интерферометрической обработки радиолокационных снимков (Тегга8АЯ-Х/ТапйЕМ-Х 16.04.2011, остров Ушакова).

При обработке данных ТеггаЗАЯ-Х/ТапОЕМ-Х, которые были предоставлены для тестирования и апробации, в современных программных продуктах было невозможно перевести строгий пересчет фазовых значений в высоты из-за ограниченной поддержки таких данных. Если обрабатываются данные ЕЯ8-1/2 (или другие) с временной базой отличной от 0, то данное выражение не может применяться ввиду сложного характера интерферометрической фазы, которая обязательно включает в себя фазовую компоненту за счет движения льда (должны исключаться зоны выводных ледников, либо эти участки должны корректироваться по другим данным).

Предложенная методика позволяет выполнить оценку вертикальных изменений поверхности с использованием ГИС-анализа исходных пространственных данных. Основная идея заключается в пространственном совмещении дифференциальных альтиметрических данных, дающих конкретные значения высот в виде сетки профилей, и результатов дифференциальной интерферометрической обработки радиолокационных данных в среде ГИС и проведения их совместного анализа. Таким образом, дифференциальные альтиметрические профили являются опорной (эталонной) информацией для классификации фазового изображения по устанавливаемым градациям вертикальных изменений (рис.6).

а) Дифференциальная интерферограмма + б) Классификация дифференциальной дифференциальные альтиметрические интерферограммы, выполненная по

профили альтиметрическим профилям

-50 -25 -15 -5 0 5 15 25 50

в) шкала градаций вертикальных изменений поверхности. Рис.6. Пример классификации дифференциальной интерферометрической фазы.

Далее выполняется построение изолиний одинаковых изменений в соответствии с принятой шкалой на основе классифицированного изображения и дифференциальных альтиметрических профилей. При использовании дифференциальных интерферометрических данных ТеггаЗАЯ-Х/ТапОЕМ-Х возможно выполнить генерацию изолиний в автоматическом режиме с последующей коррекцией и интерполяцией. Отдельно выделяется изолиния с нулевыми изменениями, которая является границей питания ледника и делит его поверхность на зоны абляции и аккумуляции. Для границы питания на основе ЦМР вычисляется ее средняя высота, которая является важной характеристикой состояния ледника. На основе сравнения границ ледников, оцифрованных по топографическим картам, и современных границ, полученных по оптическим или радиолокационным данным ДЗЗ, формируется файл площадных изменений ледника (зоны отступания фронтов выводных ледников, зоны отступания на суше и зоны подвижек ледников). На основе этих данных формируется цифровая модель изменений ледника.

В четвертой главе описаны исходные данные и выполненные экспериментальные исследования. Даны пошаговые инструкции по обработке альтиметрических профилей, интерферометрических пар радиолокационных снимков и комплексирования результатов. Приведено описание созданных цифровых моделей

и тематических карт изменений исследуемых ледниковых комплексов. Выполнен анализ полученных результатов.

Исходные данные делятся на 3 группы: опорная базовая информация, информация о современных высотах поверхности и информация о современном положении границ ледников.

Источником опорной высотной и плановой информации по исследуемым ледникам служат топографические карты масштаба 1:100 ООО и 1:200 ООО, имеющиеся на всю территорию островной высокоширотной Российской Арктики. Топографические карты создавались по материалам стереофотограмметрической аэросъемки и наземных полевых измерений, проводившихся для различных районов в разное время в период 1950-х гг.

Основными источниками актуальной информации о высотах поверхности служат альтиметрические и радиолокационные данные. Под радиолокационными данными здесь понимаются радиолокационные интерферометрические пары снимков, позволяющие получать площадную информацию о высотах ледниковой поверхности. Важными факторами при подборе этих данных являются стабильные погодные условия и минимальные временные базы. Оптимальными данными являются данные TerraSAR-X/TanDEM-X с нулевой временной базой, интерферометрическая фаза которых зависит только от высот поверхности. Также успешно могут использоваться данные тандемной миссии ERS-1/ERS-2 с временной базой в 1 сутки (1995-1996 гт), и данные ERS-2 за 2011 г с временной базой 3 суток, но для этих данных интерферометрическая фаза, помимо информации о рельефе поверхности, содержит информацию о движении льда, что вызывает определенные сложности при дальнейшей интерпретации данных на участки выводных ледников. Альтиметрические измерения (профили) высот, полученные сенсором GLAS спутника ICESat (доступны данные за 2003-2009 гг.), выполняют роль контрольной и опорной информации, дополнительно использовались данные Cryosat-2.

Информация о современном положении границ ледников может быть получена как по оптическим, так и по радиолокационным данным. При наличии оптических данных основным источником информации о границах ледников являются именно они, так как на радиолокационных снимках лед не всегда отличим от свободной ото льда суши, и, как следствие, граница ледника не всегда может быть дешифрирована

достоверно. Для дешифрирования могут использоваться любые имеющиеся снимки с высоким или средним пространственным разрешением (не хуже 30 м).

Разработка технологических схем и обработка данных выполнялась с использованием набора стандартных программных средств. Список рекомендуемого программного обеспечения включает в себя:

SARscape - обработка радиолокационных снимков, интерферометрическая обработка;

ENVI - привязка топографических карт, обработка оптико-электронных снимков, работа с продуктами интерферометрической обработки;

NGAT - работа с альтиметрическими данными ICEsat;

CrioView - работа с альтиметрическими данными Criosat-2;

Global Mapper - пакетный импорт ASCII файлов альтиметрических профилей;

ArcGIS - работа с векторными данными, построение ЦМР, ГИС-анализ данных, расчет характеристик, оформление результатов.

Adobe Illustrator - оформление карт.

Цифровые модели изменений ледниковой поверхности, полученные при обработке исходных данных по предложенной методике, представляют собой набор векторных слоев и растровых пространственных данных, в составе единой базы геоданных ArcGIS для каждого ледника или ледникового комплекса. Каждая база геоданных включает в себя следующие основные слои:

- вертикальные и площадные изменения;

- граница зоны питания;

- современная граница ледника;

- граница территорий свободных ото льда;

- дифференциальные альтиметрические профили;

- горизонтали с топографических карт;

- отметки высот с топографических карт;

- гидрография;

- дифференциальная интерферограмма;

- радиолокационное амплитудное изображение;

- ортотрансформированный снимок в видимом диапазоне длин волн;

- опорная цифровая модель рельефа;

- растровая топографическая карта.

Посредством ГИС инструментов на основе этих данных выполняется расчет характеристик для исследуемых ледников, в число которых входят: изменение площади ледника за весь период исследований, среднее изменение высоты, изменение объема, отношение площади зоны аккумуляции к общей площади ледника, площадь ледника, площадь острова, длина ледяных берегов, средняя высота границы питания и др. (табл.1).

Таблица 1. Количественные оценки изменений исследуемых ледников (1950-2010 гг).

№ Ледниковый комплекс (ЛК) 8, км2 (соврем.) Изменения Б зоны аккумуляции, км2 ЕЬА, м

Э, км2 V, км3 Н, м

1 Ледяной купол о. Виктория 6,07 -4,47 -0,4 -10,2 0 -

2 ЛК о. Артура 84,1 -5,6 -0,7 -4,2 23 138

ЛК о. Рудольфа 279,1 -12,3 -3,9 -11,5 59 255

ЛК о. Райнера 127,1 -6,2 1,4 13,7 103 126

ЛК о. Гогенлое 24,7 -2,3 -0,2 -2,9 6 117

ЛК о. Ева-Лив 256,1 -14,2 -3,3 -8,7 23 147

ЛК о. Фреден 34,4 -3,9 -0,3 -1 13 87

3 ЛК о. Ушакова, 310,9 -19,7 0,8 6,2 199 67

4 Ледяной купол о. Шмидта* 398,7 -39,4 -2,2 0,4 223 145

5 Ледяной купол Арктический (о. Комсомолец) 70 -29,9 -0,8 -0,8 39 37

6 о. Беннетга 60,3 -18,1 -0,3 2,6 45 228

о. Генриетты 5,8 -1,1 -0,13 -17,7 1,6 183

о. Жаннетты 0,27 -0,33 -0,016 -26,3 0 -

7 Северная ледниковая шапка (Новая Земля) * 2260 -140 +35 +0.6 1290 436

* - значения рассчитаны при использовании высотной информации с топографических карт, вероятно, имеющих значительные ошибки.

На основе полученных результатов была подготовлена серия из 12 среднемасштабных тематических карт (примеры приведены на рис.7), показывающих изменения за период 1950 - 2010 гг. Масштаб карт 1:200 000, за исключением карт островов Виктория, Генриетты и Жаннетты (1:100 000) и Северной Ледниковой шапки Новой Земли (1:250 000). Проекция иТМ, зоны 37-57, эллипсоид 84.

Язык оригинала карт - английский.

Остров Ушакова, М 1:200 ООО (1950-е - 2010-е).

Остров Шмидта (Северная Земля), М 1:200 ООО (1950-е - 2010-е). Рас. 7. Примеры карт изменений островных ледниковых комплексов (шкала изменений приведена на рис. 6, фиолетовым цветом показаны зоны отступания ледников).

Заключение

В ходе теоретических и экспериментальных исследований решена главная задача диссертационной работы - разработана профильно-площадная методика спутникового зондирования островных ледников Российского Заполярья. С использованием разработанной методики была получена информация о современном состоянии и характере изменений ряда наиболее удаленных островных северных ледников дальнего Российского Заполярья, являющегося наименее изученным регионом Арктики. Для всех исследуемых ледниковых комплексов построены цифровые модели изменений ледниковой поверхности, позволившие получить количественные и качественные оценки изменений объема, режима и баланса массы ледников. Результаты оформлены в виде серии среднемасштабных тематических карт.

Проведенные исследования позволили установить существование растущих ледников на фоне общего отрицательного характера изменений объема, режима и баланса массы ледников Российского Заполярья. Для ледяных шапок накопление льда (зона аккумуляции) в большинстве случаев приурочено к вершинам, в то время как понижение поверхности (зона абляции) приурочено к минимальным высотам. Таким образом, в сравнении с данными топографических карт, сами такие купола (Ушакова, Шмидта, Беннета, Артура, Фреден и др.) стали выше, а их склоны стали менее пологими.

В ходе работы были установлены существенные ошибки в плановом положении (до 9 км) ряда крупных отдельных удаленных островов (Виктория, Ушакова, о-ва Де-Лонга) на топографических картах масштабов 1:200 ООО -1:1 000 000 (1957-1965 гг. и более поздние переиздания), что потребовало выполнить геопривязку базовых моделей рельефа на основе современных радиолокационных данных. Дополнительно следует отметить большую вероятность ошибки в указанных высотах вершины Северной ледниковой шапки (Новая Земля) на топографических картах, так как, выявленное нами накопление льда более чем в 200 метров за 50 лет, представляется крайне маловероятным.

Предложенная методика имеет ряд ограничений при использовании радиолокационных интерферометрических данных с не нулевой временной базой и

наличием быстро движущихся выводных ледников. Интерферометрический метод обработки данных очень чувствителен к малейшим смещениям, происходящим между съемок, что вносит большие ошибки при анализе изменений для зон выводных ледников на основе интерферограмм. Идеальным вариантом является использование данных TerraSAR-X/TanDEM-X с нулевой временной базой, либо необходимо опираться на альтиметрические измерения и топографию поверхности для оценки изменений на участках выводных ледников.

Апробация разработанной методики была проведена в рамках международного проекта MAIRES (Monitoring Arctic land and sea Ice using Russian and European Satellites) - Мониторинг ледников и морских льдов Арктики с использованием российских и европейских данных ДЗЗ.

Научные статьи в рекомендованных ВАК РФ изданиях:

1. Малинников В.А., Никольский Д.Б. Методика обработки радиолокационных данных для целей топографического мониторинга высокоширотной Арктики // Известиях вузов: геодезия и аэрофотосъемка №4, 2011 г. Стр. 7178.

2. Никольский Д.Б. Профильно-площадная методика дистанционного зондирования ледников // Известиях вузов: геодезия и аэрофотосъемка №5, 2013 г. Стр. 77-83.

Материалы, статьи и тезисы международных и всероссийских конференций:

3. A. Sharov & D. Nikolskiy. Semi-Controlled Interferometric Mosaic of the Largest European Glacier. Proceedings of the Envisat Symposium. Montreux, Switzerland, 2007.

4. Sharov A., Nikolskiy D., Tyukavina A. Geodetic estimates of glacier mass balance in Severnaya Zemlya // Geophysical Research Abstracts Vol. 13, EGU2011 -5945-1, Vienna 2011.

5. Шаров А.И., Бушуева И.С., Никольский д.Б. Спутниковый мониторинг и

региональный анализ динамики ледников Баренцево-Карского региона

23

(СМАРАГД) // Сборник статей по итогам международной научно-технической конференции, посвященной 230-летию основания МИИГАиК, Москва 2009 г. Стр. 53-57.

6. Sharov A.I., Rieser D., Nikolskiy D.B. Glacier mass balance in high-arctic areas with anomalous gravity. EGU General Assembly 2012, State of the cryosphere: observations and modeling (co-organized) - Poster: http://presentations.copernicus.org/EGU2012-1177_presentation.pdf, Vienna 2012.

7. Nikolskiy D.B., Sharov A.I., Malinnikov V.A., Ukolova M.B. Dual-sensor mapping of mass balance on Russia's northernmost ice caps. EGU General Assembly 2012, Remote Sensing of the Cryosphere - Poster: http://presentations.copernicus.org/EGU2012-251_presentation.pdf, Vienna 2012.

8. Sharov A.I., Nikolskiy D.B. Satellite map series of long-term elevation changes on Eurasia's northernmost ice caps. In: R.Lasaponara (Ed) Proc. of the 33d EARSeL Symposium, Matera, Italy 2013. 14 p.

9. Никольский Д.Б. Современные методы дистанционного мониторинга ледников Арктической зоны РФ // Применение космических технологий для развития арктических регионов. Архангельск 2013 г.

Подписано в печать 13.11.2013. Гарнитура Тайме Формат 60790/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем 1,5усл. печ. л. Тираж80 экз. Заказ №123-2013 Цена договорная Издательство МИИГАиК 105064, Москва, Гороховский пер., 4

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Никольский, Дмитрий Борисович, Москва

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ (МИИГАиК)

РАЗРАБОТКА ПРОФИЛЬНО-ПЛОЩАДНОЙ МЕТОДИКИ СПУТНИКОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ОСТРОВНЫХ ЛЕДНИКОВ

РОССИЙСКОГО ЗАПОЛЯРЬЯ

(Специальность: 25.00.34 - Аэрокосмические исследования Земли,

фотограмметрия)

На I ж

04201365309

НИКОЛЬСКИЙ ДМИТРИЙ БОРИСОВИЧ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Малинников Василий Александрович,

Москва 2013

Содержание

Введение.................................................................................................. 4

1 Район, объекты и особенности исследований............................................. 12

1.1 Район и объекты исследований................................................................. 12

1.2 Характеристики исследуемых ледников......................................................20

1.3 Изученность ледников Российского Заполярья. Наличие информации и темпы ее старения.............................................................................................22

1.4 Спутниковое дистанционное зондирование как эффективный метод исследования ледников в высокоширотной Арктике......................................28

1.5 Особенности спутникового дистанционного зондирования ледников.................31

2 Обзор методов спутникового дистанционного зондирования ледников.......... 36

2.1 Спутниковые системы дистанционного зондирования................................... 36

2.1.1 Фотографические системы......................................................... 38

2.1.2 Оптико-электронные сканирующие системы.................................. 39

2.1.3 Радиолокационые системы......................................................... 42

2.1.4 Альтиметрические системы........................................................ 46

2.2 Получение плановой информации............................................................ 48

2.3 Определение высот ледниковой поверхности.............................................. 55

2.3.1 Альтиметрическая съемка.......................................................... 55

2.3.2 Стереосъемка в оптическом диапазоне длин волн.............................57

2.3.3 Радаргамметрическая съемка...................................................... 65

2.3.4 Интерферометрическая съемка.................................................... 65

2.4 Измерение скоростей выводных ледников...................................................75

3 Методология спутникового профильно-площадного зондирования ледников.. 79

3.1 Аналитическое обоснование профильно-площадных съемок в Арктике............. 79

3.2 Методика профильно-площадного зондирования.......................................... 82

3.3 Техническая реализация метода............................................................... 84

3.3.1 Получение опорной цифровой модели рельефа................................ 84

3.3.2 Блок обработки интерферометрических данных.............................. 87

3.3.3 Программное обеспечение для обработки интерферометрических данных.................................................................................. 93

3.3.4 Блок обработки альтиметрических данных..................................... 96

3.3.5 Программное обеспечение для обработки альтиметрических данных.... 100

3.3.6 Обработка дополнительных данных ДЗЗ........................................ 102

3.3.7 Блок комплексной обработки профильных и площадных данных......... 104

4 Экспериментальные исследования ледников Российского Заполярья в

в период 1950-е - 2010-е гг....................................................................... 108

4.1 Исходные данные................................................................................. 108

4.1.1 Топографические карты............................................................. 108

4.1.2 Радиолокационные снимки......................................................... 110

4.1.3 Альтиметрические данные......................................................... 113

4.1.4 Данные оптического диапазона длин волн..................................... 114

4.2 Обработка данных................................................................................ 115

4.2.1 Интерферометрическая обработка радиолокационных данных............ 115

4.2.2 Обработка альтиметрических данных........................................... 123

4.2.3 Комплексирование результатов обработки интерферометрических и альтиметрических данных......................................................... 128

4.3 ГИС-анализ, количественные оценки и картографирование............................ 130

Заключение............................................................................................. 136

Список использованных источников.......................................................... 140

Приложение 1. Серия карт о. Северный Новой Земли, полученная на основе

продуктов интерферометрической обработки снимков ERS-1/2 и Landsat-7............... 148

Приложение 2. Серия карт изменений исследуемых ледников............................ 154

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Заполярье представляет собой крупнейший физико-географический регион Евразийской Арктики с общей площадью суши примерно 220 тыс. км2. Термин «Заполярье» обозначает территориальную принадлежность этого региона Российской Федерации. Внешняя граница Заполярья совпадает с границами Северного Ледовитого Океана и проходит по северной периферии шельфа арктических морей, охватывая высокоширотные архипелаги и отдельные острова. Южная граница определяется значениями годового радиационного баланса менее 7 ккал/см2 и изотермой средней температуры августа в 5°С [8]. Настоящая работа посвящена исследованию наиболее удаленной островной части Российского Заполярья - Дальнего Заполярья, располагающейся в полосе 75 - 82 ° северной широты и характеризующейся крайне суровым климатом и весьма изменчивыми природными условиями. Данный регион включает самые северные арктические архипелаги: Землю Франца-Иосифа, Северную Землю, северную часть Новой Земли, острова Виктория, Ушакова, Де-Лонга и др.

Большая часть территории Дальнего Заполярья относится к зоне холодных арктических пустынь и более чем наполовину покрыта ледниками (около 53% всей площади). Здесь располагаются крупнейшие ледяные купола и ледниковые комплексы России с общими запасами льда, превышающими 15 тыс. км3 [68]. Самым крупным из них является Главный Ледниковый Щит Северного острова Новой Земли, занимающий приблизительно 22 тыс. км [3]. Это третий по величине ледник в мире, уступающий по площади лишь ледниковым покровам Антарктиды и Гренландии.

Большинство ледников региона, за исключением покровного ледника Новой Земли, представлены островными ледниковыми куполами (щитами) и приливными выводными ледниками, вместе образующими ледниковые комплексы, характер поверхности которых преимущественно обуславливается распределением питания и расхода льда. Ледники очень чувствительны к любым климатическим изменениям и могут служить надежными индикаторами долговременных климатических процессов регионального и глобального уровней [2]. Современный климат полярных регионов и, в первую очередь, Арктики подвержен максимальным изменениям. Потепление климата ведет к существенно более высокому повышению средней температуры в Арктике, чем в других природных регионах, и, следовательно, к значительному сокращению интенсивности оледенения [56]. Этот факт делает Заполярье уникальным с точки зрения исследования климатических изменений. Ледники позволяют получать данные для разработки прогностических климатических моделей и выполнять ретроспективные палеоклиматические исследования.

За счет таяния меняются границы ледниковых комплексов, высоты ледяных шапок и объемы льда, уменьшается общая площадь островов, в то же время, освобождаются ото льда новые, ранее неизвестные острова, заливы и проливы, открывая доступ к новым природным ресурсам региона. В арктических морях открыто более 20 шельфовых месторождений нефти и газа, большинство из которых находится в Баренцевом и Карском морях, ограниченных архипелагами Шпицберген, Земля Франца-Иосифа, Северная Земля, Новая Земля и отдельными островами [14,43]. Старт первому проекту по освоению Штокмановского газоконденсатного месторождения был дан более 10 лет назад, но он все еще находится на стадии согласования и проектных работ, ввиду сложных экстремальных природных условий, географической удаленности и отсутствия производственного опыта [72]. В данном случае можно сказать, что ледники непосредственно связаны с хозяйственной деятельностью человека. Приливные ледники являются основными производителями айсбергов, которые представляют собой одну из главных угроз при разработке морских шельфовых месторождений и эксплуатации Северного морского пути. Изменение режима выводных ледников и положения их фронтов существенно сказывается на количестве, мощности и зонах распространения айсбергов в Заполярье [111].

Помимо углеводородных ресурсов Заполярья, перспективными считаются месторождения коренного и россыпного золота на архипелаге Северная Земля, месторождения полиметаллов и марганца на Новой Земле. Также важное место занимает рыбно-промысловое хозяйство. В настоящее время более трети объема добычи рыбы и морепродуктов России приходится на полярный регион [54].

Острой проблемой для полярного региона становится вопрос обеспечения экологической безопасности. До недавнего времени антропогенная нагрузка на Дальнее Заполярье носила очаговый характер - локальные участки вокруг метеорологических полярных станций, пограничных застав и мест развертывания исследовательских экспедиций, куда для обеспечения жизнедеятельности на протяжении длительного времени завозились горюче-смазочные материалы (ГСМ) в металлических бочках. Большая часть ГСМ была использована, но на островах также осталось значительное количество частично-использованных или не использованных бочек с ГСМ. Сейчас многие из таких очагов представляют непосредственную угрозу для арктических экосистем. Большое число бочек находятся в Арктике 50 — 40 лет и в результате коррозии остатки ГСМ в значительном количестве попадают в хрупкие арктические экосистемы, очень чувствительные к антропогенным воздействиям, особенно в условиях существенных климатических изменений [52]. Сейчас эти локальные участки

5

представляют серьезную экологическую угрозу регионального масштаба. Начало эксплуатации шельфовых месторождений и интенсификация использования Северного морского пути также существенно увеличивают экологические риски из-за возможности техногенных аварий, которые могут привести к значительному загрязнению акваторий морей, что окажет непосредственное влияние на экосистемы региона [56].

Для сохранения уникальных экосистем в Российском Заполярье действует ряд особо-охраняемых природных территорий (национальный парк «Русская Арктика», образованный 15 июня 2009 года, и заказник федерального подчинения «Земля Франца-Иосифа», созданный 23 апреля 1994 года), общая площадь которых составляет 56 тыс.

"У 0

км , из которых на сушу приходится около 22 тыс. км [51]. Российское Заполярье, несмотря на суровость климата, привлекает все большее число туристов. В 2011 году, по официальной статистике национального парка «Русская Арктика», число туристов составило 865 человек. Основными районами, посещаемыми туристами в рамках арктических круизов, являются особо охраняемые природные территории архипелагов Земля Франца-Иосифа и Новая Земля. В ближайшем будущем для развития туризма на территории северной оконечности острова Северный архипелага Новая Земля планируется создание и оборудование объектов экспедиционной туристической инфраструктуры [52].

Помимо суровых климатических условий и географической удаленности региона, затрудняющих освоение ресурсного потенциала, развития транспорта, туризма, экологического контроля природопользования, существенно осложняет ситуацию слабая обеспеченность Арктического сектора геопространственной и картографической информацией. На настоящий момент на Российское Заполярье не существует полной актуальной топографической и тематической информации. Практически все имеющиеся топографические карты создавались по материалам аэрофотосъемки 50-х годов прошлого века и сейчас они во многом не соответствуют современному состоянию местности.

Актуальность получения достоверной топографо-геодезической информации особенно остро стоит для самых северных территорий Российского Заполярья. Этот островной регион, покрытый ледниками, является одним из наименее изученных регионов Российской Федерации и наименее изученным регионом во всей Арктике. Ледники Заполярья не включены в международную сеть мониторинга ледников, так как по ним нет доступной комплексной актуальной аналитической информации. Сегодня единственным достаточно полным собранием сведений о ледниках Российского Заполярья являются топографические карты и «Каталог ледников СССР» [5,9,13,30], которые содержат информацию о характеристиках ледников по состоянию на 1950-1980 гг.

Для исследования и освоения Заполярья необходимы новые топографические и тематические карты, необходима актуальная информация о современном состоянии наиболее динамично изменяющихся объектов - ледниках, регулярный мониторинг их изменений. «Стратегией развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года» предусмотрено выполнение картографических работ, а также внедрение современных информационно-телекоммуникационных технологий, в том числе методов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в Арктике [50,64]. Без современных знаний о Российском Заполярье невозможно выйти на инновационный путь развития региона, тем самым повысив роль и место Арктики в экономике Российской Федерации.

Современные методы исследования поверхности Земли и выполнения топографо-геодезических работ в региональном масштабе основаны на использовании данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса, позволяющих в сжатые сроки получить высокоточную геопространственную основу для обширной территории. В большинстве случаев используются данные, получаемые в видимом диапазоне электромагнитного спектра, но для Заполярья такие данные не могут быть основными при картографировании и мониторинге территории. Это обусловлено сложными погодными условиями и недостаточной освещенностью поверхности большую часть года. Также ограничением при съемке со средним радиометрическим разрешением (8 бит/пиксел) в видимом диапазоне является высокая отражательная способность ледовых и снежных поверхностей, вследствие чего снимки получаются «засвеченными» [58]. Другим источником информации служат радиолокационные данные ДЗЗ, основными преимуществами которых являются отсутствие зависимости от освещенности земной поверхности, всепогодность и возможность специализированной обработки данных наряду с традиционной фотограмметрической обработкой. К специализированным видам обработки данных относится метод радиолокационной интерферометрии, позволяющий получить не только пространственную информацию о положении ледников и их высотах, но и информацию о динамике их изменения [59].

При выполнении топографо-геодезических работ и мониторинге изменений требуется использование плановой и высотной опорной информации, источниками которой могут служить либо топографические карты территории с незначительными изменениями, либо координаты геодезических пунктов, либо точки полевых работ с ГЛОНАСС/ОР8 координатами. Если в качестве плановых опорных точек при среднемасштабном картографировании (1 : 100 000, 1 : 200 000) может быть использован ряд контуров с имеющихся топографических карт или, в некоторых случаях,

7

ортотрансформированные снимки высокого разрешения, то для получения высотной опорной информации ни один из приведенных источников не подходит, так как высоты поверхности ледников сильно изменились за более чем 50 лет, а масштабные полевые работы с ГЛОНАСС/GPS измерениями непосредственно на ледниковой поверхности в Заполярье очень сложны, дороги и, более того, опасны, особенно во фронтальных частях выводных ледников [111]. В данной работе предлагается методика, позволяющая проводить исследования изменений ледников и их картографирование на основе дистанционного профильно-площадного спутникового зондирования ледников. В качестве основных пространственных исходных данных предлагаются интерферометрические радиолокационные снимки, а в качестве источника высотной опорной информации - данные высокоточных альтиметрических измерений ледниковой поверхности.

Основной целью диссертационной работы является Разработка методики профильно-площадного спутникового зондирования ледников, основанной на совместной обработке альтиметрических, радиолокационных и оптических данных ДЗЗ, для задач регионального мониторинга, среднемасштабного картографирования и анализа изменений объема, режима и баланса массы ледников Российского Заполярья.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

-изучить информацию об основных объектах и дистанционных методах их исследования, выполнить сбор и подготовку экспериментальных баз данных;

-выполнить анализ современных методов и программных средств обработки спутниковых данных профильной альтиметрии и площадной интерферометрии;

- р�