Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Теоретические основы картографо-аэрокосмических технологий дистанционного мониторинга опасных гляциальных процессов высокогорных геосистем

ВАК РФ 25.00.33, Картография

Автореферат диссертации по теме "Теоретические основы картографо-аэрокосмических технологий дистанционного мониторинга опасных гляциальных процессов высокогорных геосистем"

На правах рукописи

Золотарёв Евгений Александрович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КАРТОГРАФО-АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ОПАСНЫХ ГЛЯЦИАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ВЫСОКОГОРНЫХ ГЕОСИСТЕМ

25.00.33 - Картография

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора географических наук

11 .'ГО I I и I. 1

Москва-2014

005546996

005546996

Работа выполнена в лаборатории аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформагики географического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Научный консультант - Книжников Юрий Фирсович

доктор географических наук, профессор, зав. лабораторией аэрокосмических методов географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова

Официальные оппоненты: Залиханов Михаил Чоккаевич

доктор географических наук, академик РАН, Высокогорный геофизический институт Росгидромета

Сладкопевцев Сергей Андреевич

доктор географических наук, профессор Московского государственного университета геодезии и картографии

Соломина Ольга Николаевна

доктор географических наук, чл.-корр. РАН, зам. директора Института географии РАН, г. Москва

Ведущая организация: Северо-Кавказский федеральный университет

Защита состоится « 24» апреля 2014 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета по геоморфологии и эволюционной географии, гляциологии и криолитологии Земли, картографии (Д-501.001.61) в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991 Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, географический факультет, 21 этаж, ауд. 2109.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова по адресу: Ломоносовский проспект, д. 27, А8.

Автореферат размещен на сайте географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (http://www.geogr.msu.ru).

Автореферат разослан «¿-Уг.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по адресу: 119991 Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, географический факультет, учёному секретарю диссертационного совета Д-501.001.61. E-mail: malyn2006@yandex.ru Факс: (495) 932-88-36

Учбный секретарь диссертационного совета /

/» 7

чл^

Александр Львович Шныпарков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одним из приоритетных направлений развития науки и техники Российской Федерации является экология и рациональное природопользование, что вызвано глобальным изменением природной среды, обусловливающим процессы, принимающие нередко катастрофический характер. Это вызывает необходимость мониторинга этих процессов и, в свою очередь, предполагает развитие дистанционных методов их наблюдения и оценки, которые позволяют охватывать значительную площадь труднодоступных территорий и в значительной степени снимают опасность для жизни исследователя. Приоритетными будут при этом исследования динамики различных природных систем, особенно высокогорных, где широко развиты опасные гляциальные явления. Подвижки ледников, снежные и ледяные лавины, катастрофические гляциальные сели образуются в зоне тектонически активного высокогорного рельефа с оледенением. Причём быстрое изменение последнего влияет на масштабы этих стихийно-разрушительных процессов природы. Значительная часть регионов России вынуждена тратить большие средства, чтобы приспособить своё хозяйство к закономерно проявляющимся, а нередко и внезапно происходящих природных стихий. Исследование процессов формирования и динамики опасных явлений, решение вопросов прогнозирования возможно только на основе получения количественных параметров, которые можно получить при интеграции методов картографии, информатики и дистанционного зондирования (Берлянт, 1986).

Степень разработанности темы. Мониторинговые исследования опасных гляциальных процессов в высокогорье в настоящее время проводятся в основном на локальных территориях с ограниченным периодом наблюдений, что не всегда позволяет получить достоверные сведения об их параметрах. Практическое применение для этих целей повторных аэро- и космических снимков, которые позволяют охватывать значительные территории, находится в зачаточном состоянии.

Цель и задачи исследования. Основная цель работы - разработка картографо-аэрокосмических технологий мониторинговых исследований высокогорных территорий при организации их защиты, что является научной проблемой, имеющей важное хозяйственное значение.

В соответствии с поставленной целью в работе решались задачи разработки и применения:

- картографо-аэрокосмических технологий для дистанционного мониторинга высокогорных геосистем;

- способа стереоскопического измерительного дешифрирования разновременных снимков для изучения динамики опасных склоновых процессов высокогорных территорий;

- метода определения границ лавиноопасных зон и содержания оценочных и оценочно-прогнозных карт лавиноопасных территорий на различных этапах инженерных изысканий;

- применения разработанных технологий при оценке деградации горного оледенения на примере Эльбруса, как возможного источника катастрофических процессов в высокогорье;

-оценки условий формирования и динамики катастрофических процессов в высокогорье (снежных лавин и гляциальных селей) на основе картографо-аэрокосмических технологий.

Научная новизна работы. Способ стереоскопического измерительного дешифрирования разновременных аэро- и космических снимков при оценке динамики ледников, метод расчёта границ лавиноопасных зон заданной обеспеченности не имеют аналогов и разработаны впервые. Впервые составлены карты изменения оледенения Эльбруса за 40 и 50 лет после МГГ, рассчитан его кумулятивный баланс массы за этот период. Получены достоверные количественные данные об его эволюции за более чем 100-летний период, которые не подтверждают гипотезу об антропогенных причинах глобального потепления климата.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанные технологии картографо-аэрокосмических исследований позволяют проводить необходимый и достаточный комплекс работ для определения динамики высокогорных геосистем, получать с необходимой точностью параметры их изменений, составлять оперативные оценочные и оценочно-прогнозные карты, т. е. осуществлять дистанционный мониторинг.

Способ стереоскопического измерительного дешифрирования разновременных снимков, разработанный нами в процессе исследований, позволяет определять скорость движения льда на поверхности ледников, их пространственное изменение и позволяет выбрать наиболее рациональное расположение точек измерения за счёт визуального наблюдения этих изменений. Модификации этого метода применялись также и для определения динамики различных стихийно-разрушительных процессов (оползней, снежных лавин и гляциальных селей).

Разработанный метод расчёта границ лавиноопасных зон заданной обеспеченности по морфометрии лавиносборов позволяет проектируемые объекты строительства в лавиноопасных районах размещать в безопасных зонах, либо обезопасить их при помощи рационально выбранных соответствующих противолавинных сооружений и мероприятий.

Методология и методы исследования. Все перечисленные задачи решались на основе полевых экспериментальных работ, проводившихся на Центральном Кавказе в течение 40 лет с применением повторных стереофотограмметрических съемок с стационарных базисов. Обработка разновременных наземных, аэро- и космических снимков проводилась цифровыми методами. Цифровые методы использовались и при сравнении разновременных карт. При реконструкции размеров оледенения Эльбруса во время малого ледникового периода использовался лихенометрический метод.

Положения, выносимые на защиту.

1. Разработана система картографо-аэрокосмических технологий мониторинговых исследований высокогорных геосистем.

2. Предложен и разработан способ стереоскопического измерительного дешифрирования, составляющий основу картографо-аэрокосмических технологий мониторинговых исследований.

3. Получены количественные параметры эволюции оледенения Эльбруса за 120 лет, которые показывают что современное потепление климата началось ещё в XIX в.

4. Применение разработанных технологий позволило выявить особенности формирования катастрофических селей гляциального генезиса на современном этапе деградации оледенения и определить границы лавиноопасных зон заданной обеспеченности в лавиноопасных районах.

Степень достоверности и апробация результатов. Оценка достоверности результатов исследования выявила, что результаты, полученные высокоточными фотограмметрическими измерениями снимков, цифровыми методами измерения карт имеют высокую степень достоверности и подтверждаются другими независимыми исследованиями.

Основные положения диссертации были доложены на

- Международной конференции Интеркарто 2 в г. Иркутске 26-29 июня 1996

г.;

- 1 Всероссийской конференции по картографии в Москве 7-10 октября 1997

г.;

- XI-XIV Гляциологических симпозиумах 1996, 2000, 2004, 2008 гг. и специализированных гляциологических симпозиумах в 1998, 2002, 2004 гг.;

- международной конференции «Мониторинг криосферы» 20-23 апреля 1999 г. в Пущино;

- IV Международной конференции «Устойчивое развитие горных территорий» во Владикавказе 23-26 сентября 2001 г.;

- международной конференции по механизму формирования и динамике селей в Давосе, Швейцария, 10-12 сентября 2003 г.;

- заседании Русского географического общества (отделение картографии и аэрокосмических методов), Москва, 25 марта 2009 г.;

- научной конференции МГУ «Ломоносовские чтения», секция географии, 23 апреля 2009 г.;

- международной научной конференции «Гляциология в начале XXI века», Москва, 15-16 октября 2009 г.

По теме диссертации опубликовано 99 научных трудов, из них 3 монографии, 20 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК, 5 статей в иностранных журналах.

ОБЪЁМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка использованной литературы из ... наименований. Общий объём диссертации 207 стр. Работа иллюстрирована 56 рисунками, 5 схемами и 22 таблицами.

В первой главе рассматриваются основные этапы изучения высокогорных территорий на примере оледенения Эльбруса и катастрофических склоновых процессов в Приэльбрусье. Во второй главе изложен способ стереоскопического измерительного дешифрирования разновременных снимков, : как основа картографо-аэрокосмических технологий. Главы 3-6 посвящены применению разработанных технологий в разных направлениях исследований динамики высокогорных геосистем.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Картографо-аэрокосмические технологии - основа мониторинговых исследований высокогорных геосистем

Основные этапы исследований динамики высокогорных геосистем на примере оледенения Эльбруса и катастрофических склоновых процессов в Приэльбрусье

Приэльбрусье является уникальным высокогорным районом. Здесь расположено крупнейшее в Европе оледенение Эльбруса, инструментальное изучение которого было положено ещё в конце XIX в. Широко распространены и катастрофические склоновые процессы, снежные лавины, гляциальные сели, оползни, для изучения динамики которых также проводились повторные съёмки. Некоторые ледники Эльбруса признаются пульсирующими, что не исключает их катастрофических подвижек в будущем. Таким образом, Приэльбрусье -идеальный полигон для отработки технологий дистанционного мониторинга высокогорных территорий.

Первая инструментальная (мензульная) съёмка всего оледенения Эльбруса была выполнена отрядом Корпуса военных топографов в 1887-1890 гг. По её результатам была составлена топографическая карта масштаба 1:42 ООО, которая впоследствии была нами использована для изучения его динамики. 31 июля 1890 г. А.В.Пастухов (1893) впервые выполнил геодезические наблюдения с Западной вершины Эльбруса, определив высоту двухсторонним геодезическим нивелированием (5633 м), завершив, таким образом, съёмку верхней части оледенения. Во время 2 Международного полярного года была выполнена геодезическая съёмка концов некоторых его ледников (Орешникова, 1936).

Впервые в нашей стране для исследования динамики горных ледников (пространственных изменений и скоростей движения льда на их поверхности) фото-граммметрическим методом Г. А. Авсюком (1948) была применена повторная фототеодолитная съёмка. Принципы способа псевдопараллаксов, разработанные Р. Финстервальдером (1931) для определения скоростей движения льда, были модифицированы Ю.Ф. Книжниковым, что позволило ему составить карты скоростей движения ледников Ирик, Кюкюртлю, Уллучиран и др., а также внутренних потоков льда на Эльбрусе во время МГГ (Книжников, 1973). К этому же периоду относятся работы И.А. Лабутиной (1968) по определению пространственного изменения ледника Ирик на Эльбрусе по материалам повторных фототеодолитных съёмок в 1959-1962 гг., а также ледника Б.Азау за период 1911-1957 гг. с использованием карты Г. Бурместера (Оледенение.., 1968). Последнюю работу, по-видимому, следует отнести к пионерной, когда совмещались материалы современной съёмки с ранее составленной картой с иной геодезической и математической основой и точностью. Позже подобные работы были выполнены Ф.В. Никулиным (1971) для ледника Шхельда.

7

Особенным этапом в исследованиях динамики высокогорья следует считать фототеодолитную съёмку всего оледенения Эльбруса, выполненную во время МГТ (1957-1959 гг.) лабораторией аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики географического ф-та МГУ (в то время - лаборатории аэрометодов кафедры геодезии и картографии). В результате была составлена 14-листная карта оледенения Эльбруса масштаба 1:10 ООО, которая стала базовой для его дальнейшего мониторинга (Лабутина, 1961).

Другое важное направление работ на Эльбрусе во время МГГ - картографо-географическое. Результаты комплексных гляциологических исследований в концентрированном виде были представлены в Атласе оледенения Эльбруса, включавшем 3 части: фототеодолитные снимки ледников, общегеографические и тематические карты (Кравцова, 1967). В то время том с тематическими картами не был издан, но впоследствии часть из них, уже уточнённые, были опубликованы в Атласе снежно ледовых ресурсов Мира.

Важным этапом в исследовании динамики высокогорья стали работы по программе Международного гидрологического десятилетия (1965-1974 гг.), которые продолжаются и поныне. Особенностью этих работ являются непрерывные гляциологические измерения баланса массы ледника Джанкуат, который является репрезентативным для всего Центрального Кавказа, и его периодические (через 5-7 лет) фототеодолитные съёмки с последующим составлением как топографических, так и тематических карт (скоростей движения льда, изменения высоты поверхности ледника, его баланса массы и др.) в масштабе 1:10 000. То есть проводится мониторинг ледника, который мы назвали «комплексным» (Золотарёв, 2009).

Знаковым рубежом в исследовании динамики высокогорных геосистем стало создание на географическом факультете МГУ научного центра, по изучению снежных лавин, селей, ледниковых катастроф - Проблемной лаборатории снежных лавин с двумя опытно-экспериментальными станциями в Хибинах и на Эльбрусе под руководством Г.К. Тушинского (Постановление Совмина РСФСР № 1004 от 16 августа 1964 г). Получает развитие направление исследований и картографирования динамики снежного покрова и лавин, на основе применения аэро- и наземной фотограмметрической съёмки (Акифьева, Кравцова, 1965; Брюханов, 1967; Золотарёв, 1975, 1980). С начала 80-х годов прошлого столетия Институтом географии РАН проводятся прямые наблюдения за балансом массы ледника

8

Гарабаши (южный склон Эльбруса) с применением дешифрирования разновременных снимков и геодезическими измерениями. Ряды прямых наблюдений дополнены реконструкцией баланса массы ледника с начала XX в. (Рототаева, Тарасова, 2000). В последние годы в исследования ледников применяются цифровые методы обработки аэро- и космических снимков. Так, по материалам аэрофотосъёмки 1997 г. нами была составлена ортофотокарта оледенения Эльбруса в масштабе 1:10 000 (Золотарёв, Харьковец, 2000) (рис. 1). Таким образом, в исследования динамики высокогорных геосистем всё более внедряются количественные аэрокосмические и картографические методы.

Рис. 1. Уменьшенный фрагмент цифровой ортофотокарты оледенения Эльбруса масштаба 1:10 ООО,

съемка ¡997 г.

Технология картографо-аэрокосмических исследований динамики высокогорных геосистем

Необходимость разработки единой технологии использования карт и снимков в исследовательских целях обосновывается в работах A.M. Берлянта (1986) и Б.А. Новаковского (1986). Принципы совместного использования картографического и аэрокосмического методов исследования разрабатываются и в лаборатории аэрокосмических методов. На примере мониторинга системы оледенения Эльбруса показана необходимость создания «базовой» карты объекта исследования и систематического получения информации при планомерном проведении повторных наземных, аэро- и космических съёмок (Книжников, Кравцова, Лабутина, 1988). Получение достоверной информации о текущих изменениях объекта наблюдения и есть сущность любого мониторинга, какими бы техническими средствами он ни проводился. Впервые общее требование к достоверности получаемых результатов сформулировано достаточно жёстко: «чтобы не принять погрешности измерений и их флуктуации за сами измеряемые величины и их изменения, нужно, чтобы определяемые величины были в 2-3 раза больше их средних ошибок, ибо в пределе они будут соразмерны» (Склоновые..., 1977, стр. 70).

На основе предыдущего опыта разработана схема совместного применения аэрокосмического, картографического и др. методов в исследовании динамики высокогорных геосистем (схема 1). Разумеется, схема не является абсолютно жёсткой, однако может помочь проводить необходимый и достаточный комплекс работ по определению динамики высокогорных геосистем, т. е. осуществлять их дистанционный мониторинг (Книжников, Золотарёв, Кравцова, Харьковец, 2000). На первом этапе при организации дистанционного мониторинга важно правильно определить вид съёмки - наземной, аэро- или космической. Современные космические снимки сверхвысокого разрешения, например, со спутника GeoEye (0.4 м) не уступают по точности материалам аэрофотосъёмки и решающими факторами при выборе между этими материалами, очевидно, будут экономические. Для локальных территорий скорее всего подойдёт наземный вид съёмок. Важен и период между повторными съёмками, который может быть от нескольких секунд (для движущейся лавины), суток (для сползающего снега) до нескольких лет (для динамики ледников).

Схема технологий картографо-аэрокосмических исследований динамики высокогорных геосистем

Способы и приёмы Вид получаемой

Методы исследований применения методов на

различных этапах продукции

исследовании

Второй этап - преобразование (стереофотограмметрическая обработка) снимков. В зависимости от размеров территории и объекта исследования мы можем получить топографические карты, ортофотопланы, цифровые модели.

Третий этап - выявление динамики изучаемой территории или объекта исследований; при этом важно не принять за показатели динамики собственно ошибки измерений. Это обеспечивает способ стереоскопического измерительного дешифрирования разновременных снимков, предполагающий визуальное выявление изменений и их последующее измерение, которое рассматривается в специальной главе. Чёткой границы между последними тремя этапами нет. Прежде всего следует убедиться в достоверности полученных показателей и их соответствии существующим на данный момент теоретическим представлениям об изучаемом явлении. Например, баланс массы ледника, полученный гляциологическим методом, теоретически должен быть равен изменению объёма ледника за данный период, полученному фотограмметрическим или картографическим методами (в пределах точности измерений).

Следует подчеркнуть, что в основе всякого анализа полученных геоизображений или показателей динамики всегда лежит их визуальное распознавание, что позволяет оптимизировать дальнейшие исследования. Методы математической статистики позволяют по выборкам полученных показателей определять средние величины и вариации, рассчитывать их вероятные значения, например, границы лавиноопасных зон заданной обеспеченности (Золотарёв, 1979). Математическое моделирование предполагает более углублённый анализ, нежели просто вычисление количественных показателей, и определяет построение модели динамики геосистем и прогноз их дальнейшего развития. Это развитие происходит в конкретных пространственных условиях, которые отражаются на картах, т. е. можно говорить о математико-картографическом моделировании (Жуков, Сербенюк, Тикунов, 1976). Конечным продуктом технологии картографо-аэрокосмических исследований геосистем являются оценочные и прогнозные карты их динамики (Золотарёв, Дзюба, 1984; Золотарёв, 1997).

Глава 2. Стереоскопическое измерительное дешифрирование разновременных снимков при мониторинге высокогорных геосистем

Сравнение материалов повторных съёмок может идти несколькими путями. Наибольшее распространение получило сравнение топографических карт,

составленных по снимкам или без них, т. е. применяя методы картометрии. Существенным недостатком разновременных карт является, как правило, неодинаковая математическая и геодезическая основа и точность, а также разное содержание, ограниченное принятыми в момент их создания нормами, методами и научными представлениями. К тому же само составление карт - процесс достаточно трудоёмкий, а значимые изменения объекта наблюдения, определяемые достоверно, иногда могут происходить только в незначительной его части, что предопределяет нерациональность способа сравнения разновременных карт. Отсюда стремление к разработке таких методов и способов их применения, которые могли бы выявить именно изменившиеся части наблюдаемого объекта, которые и следует затем измерять.

Нами разработана такая технология, которая позволяет выявить изменившиеся объекты наблюдения непосредственно при сравнении разновременных снимков, минуя составление карт (схема 2). Изменение наблюдаемого объекта может происходить: 1) за счёт смещения его поверхности, например, при оползневых процессах на склоне или в результате движения льда на поверхности ледника; 2) за счёт изменения формы - при деградации или, наоборот, наступании ледника, сходе лавины в лавиносборе; 3) за счёт того и другого фактора, что чаще всего и происходит. При разработке нового способа мы опирались на известные и широко апробированные способы: 1) способ псевдопараллаксов для изучения движения ледников (Финстервальдер, 1931); 2) его модифицированный вариант (Книжников, 1973); 3) способ эпиполярных смещений для изучения движения осыпей и оползней на склонах (Никулин, 1975, 1987). Новый способ получил рабочее название Стереоскопическое измерительное дешифрирование разновременных снимков. Его сущность состоит в том, что при стереоскопическом рассмотрении разновременных снимков изменившиеся части наблюдаемого объекта воспринимаются наблюдателем объёмно на плоском фоне неизменившихся. При этом измеряются только изменившиеся части. Способ предполагает достаточную обзорность и может применяться при работе как с наземными, так и с аэро- и космическими снимками. Периоды между съёмками также могут варьироваться достаточно широко: секунды - для движущейся лавины; сутки - для сползающего снега на лавиноопасном склоне (при наземной съёмке); годы — для изучения движения ледника (при аэро- и космической съёмке).

Стереоскопическое измерительное дешифрирование разновременных снимков

Например, при изучении динамики ледников оцениваются две составляющие: 1) движение льда на поверхности ледника; 2) пространственное изменение ледника. Каждую из этих составляющих можно обнаружить и измерить при помощи способа стереоскопического измерительного дешифрирования разновременных снимков. В данном случае рекомендуется использовать материалы аэро- или космической съёмки с периодом между съёмками от одного года до нескольких лет (схема 3).

При этом стереопару, составленную из разновременных аэрофотоснимков, в идеальном виде мы, как правило, получить не можем, поскольку при повторной съёмке невозможно оказаться точно в той же точке, что и в предыдущей. Практически можно составить стереопару с так называемого пространственно-временного базиса (Книжников, 1973), то есть когда повторный снимок получен с другой точки пространства. Это приводит к тому, что параллаксы смещения суммируются с обычными, возникающими из-за рельефа при несовпадении точек съёмки. Для выделения параллаксов смещения из суммарных и вычисления, таким образом, величины смещения поверхности ледника разработаны различные измерительные методы (Гельман, Книжников, 1991), которые всё же не предполагают дешифрирования стереомодели смещения.

Варианты применения стереоскопического измерительного дешифрирования разновременных снимков при мониторинге горных ледников

Разновременные снимки при способе измерительного дешифрирования обрабатываются в два этапа. На первом с применением методов цифровой фотограмметрии производится построение неискажённой стереомодели смещения, для чего предварительно выполняется ортофототрансформирование повторных снимков, которое ликвидирует искажения масштаба стереомодели, обусловленные наклоном снимка и рельефом местности, и позволяет получить изображение в удобном для работы масштабе. Особенностью второго этапа является возможность проводить одновременное дешифрирование и измерение стереомодели смещения на относительно простых приборах, позволяющих выполнять измерения параллакса смещения, например, стереокомпараторах. При этом следует помнить о

необходимости разворота снимков, при котором направление движения ледника было бы параллельным глазному базису.

Стереоскопическое измерительное дешифрирование при оценке динамики ледников

На примере ледника Кюкюртлю показана возможность наблюдения стереомодели смещения за счёт движения льда по аэроснимкам с годовым интервалом съёмки (рис. 2).

Рис. 2. Стереопара разновременных цифровых ортофотоизображений ледника Кюкюртлю (Западный склон Эльбруса): а) 27 августа 1988 г.; 6)21 августа 1989г. Стереоскопически воспринимается поверхность ледника за счёт движения льда

Следует заметить, что при больших отстояниях съёмки происходит оптическая генерализация стереомодели смещения, которая не только не уменьшает точность определения величины перемещения ледниковой поверхности, но и позволяет выделить его закономерную составляющую, свободную от случайных подвижек, характерных для короткопериодических наблюдений.

Измерение стереопары смещения производят применяя различные способы наблюдения стереоэффекта непосредственно на мониторе персонального компьютера, например, анаглифический или с использованием стереоочков с жидкокристаллическими затворами. Наблюдение и измерение точек проводят целенаправленно с учётом результатов дешифрирования стереомодели смещения. Рисовка изолиний производится также при стереоскопическом наблюдении стереомодели смещения (рис. 3).

Условные обозначения граница ледника

-60-^ изотахи, м/год

Рис. 3. Ортофотокарта ледника Кюкюртлю и скорости движения льда на его поверхности за период с 27 августа 1988 г. по 27 августа 1989 г. Масштаб оригинала 1:10 ООО

Вторая составляющая динамики ледника — пространственное изменение ледников - при наблюдении совмещённых разновременных стереомоделей в настоящее время может быть определена достаточно просто с использованием цифровых технологий обработки снимков и построения цифровых моделей рельефа. При этом любая из наблюдаемых разновременных моделей может быть представлена в виде дискретной стереоскопически визуализируемой поверхности, например, изолинейной, полученной по предварительно составленной цифровой модели рельефа, а другая является стереопарой. Возможность стереоскопического наблюдения изолиний, наложенных на изображение стереопары, существует во многих цифровых фотограмметрических системах для контроля построения горизонталей. В данном случае эту возможность следует использовать для целенаправленного измерения пространственных изменений ледника (рис. 4 и 5). При этом фактически наблюдается двойная разновременная стереомодель (Книжников, 2013).

; область оледенения

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ граница оледенения

; выходы скал в 2007 г.

---граница области ледника Б.Азау

Повышение поверхности ледника при прохождении кинематических волн

20 более 20 *

Рис. 4. Динамика распространения кинематических волн на леднике Большой Азау по периодам: а - 1957-1997 гг., б -1997-2007 гг.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ | область оледенения | выходы скал в 2007 г.

- граница оледенения в 2007 г.

---граница области ледника Б.Азау

Рис. 5. Состояние ледника Большой Азау в 2007 г.

Возможность использования космических снимков для изучения динамики ледников определяется, в основном, их разрешением. Крупномасштабные снимки сверхвысокого разрешения, например СагТоэаН (2,5 м), ОеоЕуе (0,4 м), можно использовать взамен аэроснимков, при условии их координатной привязки (Золотарёв, 2009). Такие космические снимки, полученные в конце периода абляции с годовым или более интервалом, можно использовать для оценки динамики ледников. Так, например, совместное стереоскопическое измерительное дешифрирование разновременных космических снимков СаЛоваЫ (2007 г.) и ОеоЕуе (2009 г.) показало, что ледник Большой Азау к 2007 г. распался на 3 отдельных ледника: 1) собственно ледник Большой Азау, имеющий площадь 14,07 км2, область питания которого начинается на Западном плато Эльбруса; 2) малый ледник вблизи перевала Хотю-тау площадью 1,17 км2; 3) Азау Западный -западная часть бывшего общего ледника Большой Азау (площадь 3,29 км2) (рис. 5). На малом леднике и леднике Азау Западный движение поверхности не дешифрируется. На самом леднике Большой Азау в районе языка измеренные скорости в отдельных точках достигают 50-60 м/год. При сравнении материалов съёмок 1957-1997-2007 гг. были обнаружены значительные площади повышения поверхности (свыше 20 м), которые перемещаются вниз по леднику Большой Азау со скоростью 150-170 м/год, т. е. в 3 раза быстрее, чем вокруг (рис. 4а и 46). Не исключено, что эти повышения являются кинематическими волнами, которые и приводят к пульсациям ледника (Золотарёв, Харьковец, 2000).

В целом способы стереоскопической оценки перемещения поверхности льда и объёмного изменения ледника можно применять при исследовании динамики других объектов высокогорных геосистем, например, при изучении движения оползня, оценивая при этом активную его часть, т. е. глубину оползающего склона, и определяя таким образом возможный объём при его катастрофической подвижке (Золотарёв, 2010), сползания снега на лавиноопасном склоне, при определении скоростей движения и объёмов лавин.

Стереоскопическое дешифрирование при оценке скорости переднего фронта движущейся лавины

29 марта 1989 г. нами была произведена съёмка движущейся лавины в Приэльбрусье с помощью аппаратуры, разработанной в лаборатории аэрокосмических методов географического факультета МГУ и основанной на

синхронной съёмке двумя аэрофотоаппаратами АФА-39 (рис. 6). Максимальная скорость, что была зафиксирована, составляет 30,7 м/сек. Пульсация скорости составляла до 20%. Стереоскопическое дешифрирование разновременных снимков показало, что движущаяся лавина состоит из нескольких потоков, которые следуют друг за другом. Головной поток тормозится, захватывая новые порции снега. Его догоняет следующий поток и гораздо большая масса снега концентрируется вблизи переднего фронта лавины, в результате чего его скорость снова увеличивается. Предыдущие исследователи (Брюханов, 1967; Самойлов, 1976) также обнаружили пульсацию переднего фронта, но её не объясняли. Данное объяснение пульсации может быть полезным при математическом моделировании движения лавины.

Рис. 6. Стереопары лавины в движении в зоне отложений лавиносбора №2 на сев. склоне г. Чегет 29марта 1989 г.: а) спустя 10 сек. после начала съёмки; б) спустя 15 сек. Наблюдаются без стереоприборов

Глава 3. Индикационно-картографическая реконструкция Эльбрусской ледниковой системы во время малого ледникового периода

Одной из задач, которую удаётся решить на основе картографо-аэрокосмических технологий, является исследование эволюции оледенения Эльбруса как индикатора климатических изменений. Для этих исследований

необходимо иметь набор количественных показателей по изменению его размеров за как можно более длительный период.

Основными количественными показателями, характеризующими пространственные изменения ледников, принято считать колебания фронта (изменение длины ледника и высотного положения его низшей точки) и различия в величинах занимаемой ими площади, толщины и объёма (Рекомендации..., 1988). Изменение толщины ледника, выражающееся в изменении высоты его поверхности, является наиболее ценным показателем, так как оно характеризует баланс массы - соотношение прихода и расхода снега и льда в леднике за определённый период. Изменение высоты поверхности в единицу времени предоставляет возможность сравнения интенсивности изменения в разные отрезки времени и у различных ледников. Карты изменения высоты поверхности ледника дают наглядную картину баланса массы в его различных морфологических зонах и возможность прогнозирования его колебаний.

Анализ топографических карт 1887 и 1957 гг., составленных Корпусом военных топографов и лабораторией аэрокосмических методов, показал, что существует принципиальная возможность картометрических измерений по карте Эльбруса съёмки 1887 г. Что касается правильного совмещения аналогичных поверхностей, изображённых на разновременных картах, то эта задача является одной из основных даже при использовании только современного картографического материала и стандартных решений её нет. В нашем случае мы решили перед измерениями предварительно пересоставить карту, переводя её из масштаба 1:42 ООО в 1:25 ООО в системе координат 1957 г. и в метрической системе высот. Перевод изображения на новую геодезическую основу осуществлялся по частям, при совмещении не менее трёх идентичных опорных точек на изображении и на основе. При переводе старой русской системы высот в саженях в метрическую и проведении горизонталей, вносились поправки за обнаруженную систематическую погрешность в 5 м на всех ледниках, кроме расположенных на склоне южной экспозиции. Эта заново составленная карта в дальнейшем уточнялась, особенно при проведении границ ледников с учётом имеющихся в настоящее время сведений.

Карты 1887 и специальная карта 1957 гг. были оцифрованы, а на 1997 г. составлена карта по материалам аэрофотосъёмки, при обработке которой

изначально применялись цифровые методы. Эта карта (см. рис. 1) по точности не уступает карте съёмки времен МГГ, а в некоторых случаях превосходит её, поскольку координаты всех опознаков на снимках были сведены в единый блок и уравновешены при помощи фототриангуляции. Полученные цифровые модели рельефа в единой системе координат дали возможность проследить изменение основных количественных показателей (площади и объёма) оледенения Эльбруса в целом за период более чем в 100 лет по материалам инструментальных съёмок.

Повторная фотограмметрическая съёмка, проведённая лабораторией аэрокосмических методов МГУ в 1986-1987 годах и имеющая своей основной целью определение пространственного изменения ледников Эльбруса за последние десятилетия, сопровождалась также лихенометрической съёмкой стадиальных морен.

Материалы лихенометрической съёмки стадиальных морен позволили составить карту изменения оледенения Эльбруса с конца XVII в., на которой, помимо максимального распространения ледников во время малого ледникового периода, показаны границы 1887, 1957, 2007гг. (рис.7). Появилась возможность определения изменений площади ледников приблизительно за 120 лет инструментальных наблюдений, а разновременные цифровые модели рельефа 1887, 1957, 2007 гг. позволили произвести оценку общих размеров оледенения Эльбруса и скорости их изменений с конца XIX в. (табл. 1). Отсюда следует, что максимальная площадь оледенения Эльбруса во время малого ледникового периода

2 3

не превышала 160 км , а вероятный объём - 18 км .

Глава 4. Картографо-аэрокосмические технологии исследований эволюции оледенения Эльбруса в связи с глобальным изменением климата

Темпы и направленность колебаний горного ледника в первую очередь зависят от комбинации параметров внешнего и внутреннего массообмена на его языке. Установлено, что величина привноса вещества на язык ледника довольно стабильна во времени, её возможные изменения намного меньше изменений абляции, поэтому колебания фронта ледника зависят прежде всего от условий абляции на его языке. Поскольку температура воздуха - один из основных факторов, способствующих таянию льда на языке ледника, то именно её изменения в глобальном масштабе приводят к сокращению или разрастанию горного оледенения.

Таблица 1

Изменение площади и объёма оледенения Эльбруса с конца XIX в.

Название ледника ^—" ГОДЫ Площадь ледников в горизонтальной проекции, км" Объем ледников, км3

1887 1957 1979 1997 2007 1887 1957 1979 1997 2007

вершины Эльбруса 4,818 4,818 4,818 4,811 4,818 0,480 0,480 0,480 0,470 0,471

1 Уллучиран 12,944 12,124 12,277 12,301 11,848 1,269 1,227 1,318 1,230 1,193

2 Карачаул 5,918 5,748 5,538 5,485 5,373 0,605 0,552 0,595 0,548 0,522

3 Уллукол + Уллума- лиендерку 5,826 5,186 4,960 4,882 4,700 0,475 0,412 0,439 0,488 0,372

4 Микель-чиран 5,564 4,834 4,670 4,604 4,460 0,607 0,479 0,503 0,460 0,434

5 ледяное поле Джи-киуганкез 31,762 29,042 27,295 25,581 23,409 4,339 3,207 3,032 2,558 2,314

6 Ирикчат 2,816 1,806 1,735 1,680 1,525 0,256 0,196 0,196 0,168 0,163

7 Ирик 12,425 10,995 10,763 10,671 10,477 1,405 1,174 1,233 1,067 1,030

8 Терскол 7,818 6,988 6,901 6,975 6,761 0,826 0,700 0,769 0,697 0,657

9 Гарабаши 5,781 4,911 4,744 4,689 4,544 0,561 0,479 0,517 0,469 0,440

10 Мал. Азау 9,826 8,806 8,508 8,363 8,125 0,974 0,866 0,913 0,836 0,794

11 Бол.Азау 22,662 21,032 20,677 20,460 20,228 2,900 2,330 2,222 2,046 1,955

12 Уллукам 1,882 1,620 1,561 1,440 1,430 0,151 0,141 0,146 0,144 0,134

13 Кююор-тлю 7,269 7,039 7,226 6,913 6,803 0,747 0,696 0,700 0,691 0,692

14 Битюк-тюбе 2,330 2,170 1,997 2,212 2,210 0,251 0,221 0,231 0,221 0,205

висячие ледники М» 1-9 7,475 5,395 4,058 3,783 3,292 0,450 0,390 0,407 0,378 0,348

оледенение Эльбруса в целом 147,5 132,5 127,7 124,8 120,0 16,3 13,5 13,7 12,5 11,8

Примечание: абсолютные значения площадей ледников измерены, а объёмов - вероятные.

площадь растаявших льдов за период 1700-1887 гг.

Условные обозначения Границы ледника

- 1887 г.

----- 1957 г.

- 2007 г.

ледоразделы

Рис. 7. Изменение оледенения Эльбруса с конца XVII в.

На основе исследований, выполненных в последнее время рядом климатологов, был сделан вывод о глобальном потеплении климата уже начиная со второй половины XX в. в результате совпадения естественного температурного тренда и парникового эффекта из-за углекислого газа, накапливающегося в атмосфере вследствие сжигания минерального топлива. Появились

24

многочисленные модели глобального потепления климата, разработанные в России и за рубежом (Борисенков, 1982; Будыко, Винников, 1983; Всемирная..., 2003; Broecker, 1975; Climate..., 2001). Очевидно, что повышение глобальных температур воздуха должно отразиться на режиме и размерах ледников, особенно на изменении их площади и объёмов, которые должны интенсивно уменьшаться, начиная приблизительно с конца 1970-х годов, то есть со времени совпадения естественного тренда повышения глобальной температуры и вызванного антропогенными факторами. Эту гипотезу можно проверить по результатам картографо-аэрокосмических исследований динамики оледенения Эльбруса с конца XIX в. до настоящего времени. Нас интересует в первую очередь изменение площади и объёма всего оледенения, которое к концу XX в. состояло из 16 долинных и 9 висячих ледников общей площадью физической поверхности около 136 км2.

Если не считать отдельных ледников, инструментальные съёмки оледенения Эльбруса в целом проводились 6 раз: в 1887-1890, 1957-1959, 1979, 1986-1987, 1997 и 2007 гг. Сопоставляя даты съёмок, нетрудно заметить, что время между съёмками захватывает и период, когда не наблюдалось изменений глобальной температуры воздуха вследствие парникового эффекта С02 (до 1900 г.), и период, когда эффект воздействия антропогенных факторов на повышение глобальной температуры должен был стать определяющим.

Возникает вопрос о репрезентативности оледенения Эльбруса как индикатора изменения глобальной температуры воздуха. Ледники Эльбруса, относясь к ледникам конических вершин, имеют разную экспозицию и площадь, оканчиваются в разных высотных поясах, то есть существуют в разных условиях. В настоящее время некоторые ледники Эльбруса сокращаются, другие находятся в стационарном состоянии, а третьи наступают. В то же время все ледники Эльбруса объединены в единую ледниковую систему с общими внутренними взаимосвязями и связями с окружающей средой. Тем самым они отражают соответствие тенденций изменений ледниковой системы в целом закономерностям глобального изменения климата, в частности, повышению глобальной температуры воздуха, обусловленной антропогенным фактором.

25

Не последнее значение имеют и размеры ледниковой системы (около 150 км2 физической поверхности на 1887 г.); при определении изменений площади таких масштабов за время более чем 100 лет исключаются ошибки, которые могли бы повлиять на результат.

Проанализируем изменение параметров оледенения Эльбруса по материалам инструментальных съёмок за 1887-2007 гг.

Основные параметры оледенения с середины XIX в. приведены в таблице 1.

Результаты измерений по периодам 1887-1957 гг. и 1957-2007 гг. позволяют сделать вывод о неравномерности изменений различных ледников Эльбруса. Аномальным является сокращение ледяного поля Джикиуганкез (ледники Чунгур-чатчиран и Бирджалычиран). Сокращение этих ледников составляет в первом периоде наблюдений 42% от всего сокращения Эльбруса, во втором - 45%. На этих ледниках выявлены и наибольшее уменьшение высоты поверхности, а также уменьшение площади и длины. Исключив Джикиуганкез из общего оледенения Эльбруса, получим среднегодовые цифры уменьшения объёма остальной части оледенения по периодам 0,021 и 0,005 км3/год, а высоты поверхности -соответственно 0,31 и 0,07 м/год, т. е. оба показателя уменьшились в 4 раза. По-видимому, это и есть наиболее реальная цифра, характеризующая изменение темпов сокращения оледенения во второй половине XX столетия. В целом за 50 лет с 1957 по 2007 гг. площадь оледенения Эльбруса сократилась на 12,5 км2 и на 12 сентября 2007 г. составила 120,0 км2 в горизонтальной проекции, причём доля плато Джикиуганкез в этом сокращении составила 45%. Кроме того, следует заметить, что деградирует один из ледников, образующих плато, а именно Бирджалычиран, в то время как ледник Чунгурчатчиран просто отступает (см. рис. 7). Подобным же образом исчез язык ледника Уллукол при недавно наступавшем соседнем с ним леднике Уллумалиендерку. Мы связываем эти факты с подлёдным рельефом, который в значительной степени образован лавами последнего извержения Эльбруса, образующими подлёдные скальные ледоразделы. При общем снижении поверхности оледенения эти ледоразделы препятствуют поступлению льда из общей области аккумуляции на один из языков, который в результате просто отмирает (Золотарёв, Харьковец, 2012).

26

Характер распределения контуров положительного и отрицательного изменения высоты поверхности ледника Гарабаши подтверждает правильность его нового контура с увеличением высотного интервала его области аккумуляции (Рототаева и др., 2005). Повышение поверхности в области аккумуляции объясняет сравнительно небольшое уменьшение средней высоты поверхности ледника за 40 лет между съёмками 1957-1997 гг. (2,8 м), в то время как среднее уменьшение высоты поверхности всей Эльбрусской ледниковой системы за указанный период составляет 5,4 м. Это соответствует среднему уменьшению объёма всего оледенения за 1957-1997 гг. на 0,674 км3, или 0,016 км3/год. Точно такую же цифру мы получили, рассматривая изменение оледенения Эльбруса в 1957-1987 гг. (Золотарёв, 1997). Это ещё раз подчёркивает стабильность изменений его параметров в этом регионе и косвенным образом подтверждает тот факт, что об изменении оледенения Эльбруса в целом допустимо судить по результатам измерений только на языках ледников.

Значительный интерес представляет оценка общего объёма оледенения Эльбруса, которая при наличии данных по его изменению за столетний период позволила бы судить об относительной стабильности или, наоборот, о сокращении оледенения. По оценкам В.И. Кравцовой, составившей во время МГГ карту мощности льда Эльбруса на основе результатов измерений по фототеодолитным снимкам высоты ледяных обрывов, глубины трещин и результатов анализа профилей ледниковых долин, объём оледенения Эльбруса должен был составлять в 1957 г. приблизительно 6 км3 (Кравцова, 1967). При этом предполагалось, что мощность льдов на большей части фирново-ледяной шапки составляет 20-50 м, а по осям крупных ледников достигает 100 м. Средняя мощность льда в целом по всему Эльбрусу оценивалась в 50 м. В настоящее время мы имеем возможность сравнить эти оценки с фактическими данными на некоторых участках оледенения.

По данным бурения и радиолокационного зондирования на южном склоне Эльбруса (ледники Гарабаши, Малый Азау и Большой Азау), полученным в 19871989 гг. и в 2010 на Западном плато Северо-Кавказской экспедицией Института географии РАН, средняя толщина фирново-ледяной шапки составляет 90 м и достигает максимума на Западном плато 200 м (Рототаева и др., 2003; Михаленко и др., 2010). По-видимому, на склоне северной экспозиции толщина льда должна быть ещё больше. Оценка объёмов стаявшего льда показывает, что на плато

Джикиуганкез оценочные значения толщины льда в 1957 г. занижены примерно вдвое. Из этого следует, что средняя толщина льда всего оледенения Эльбруса, по-видимому, составляет около 100 м, а объём оледенения в 2007 г. тогда можно оценить приблизительно в 11,7 км3, в 1957 и 1887 гг. - 13,6 и 16,3 км3 соответственно. Таким образом, за последние 120 лет (с 1887 по 2007 гг.) объём оледенения уменьшился приблизительно на 28%, или на 0,2% в год. Из сравнения вероятного объёма оледенения и среднегодовых потерь льда следует, что в течение ближайших столетий оледенение Эльбруса вряд ли исчезнет. Таблицы 1 и 2 характеризуют изменение площади и объёма оледенения в различные периоды его эволюции.

Таблица 2

Среднегодовые изменения площади, высоты поверхности и объёма оледенения Эльбруса, по периодам

Характеристика 1887-1957 1957-2007

Уменьшение площади, км"/год 0,210 0,250

Уменьшение высоты поверхности, м/год 0,350 0,270

Уменьшение объёма, км3/год 0,035 0,035

В целом за 50 лет после МГГ (с 1957 по 2007 г.) объём оледенения Эльбруса уменьшился на 1,7 км3, что составляет около 1,5 км3 воды, из них 45% приходится на два упомянутых выше ледника северо-восточного склона, что хорошо видно на рис. 8, который относится к периоду 1957-1997 гг. Количественные данные по изменению площади и объёма оледенения показывают, что начиная с конца XIX в. сокращение площади и объёма происходило практически равномерно (рис. 9). Полученные данные приводят к выводу, что глобальное потепление климата, которое сменяется кратковременными периодами похолоданий, началось ещё в XIX в. после окончания малого ледникового периода и имеет скорее естественные причины, чем антропогенные. Этот вывод подтверждается независимыми

зарубежными исследованиями изменений температуры воды Мирового океана за тот же период (Dean Roemmich, W.john Gould & John Gilson, 2012).

11

Условные обозначения Суммарный баланс массы, м.водн.эке.

<-40 -40 -20 -10 -5 0 5 10 20 >20

'^Т^ - выходы коренных пород

Рис. 8. Суммарный баланс массы оледенения Эльбруса, м.водн.экв. за период ¡957-1997 гг. Долинные ледники: 1 - Уллучиран, 2 - Карачаул, 3 - Уллукол и Уллумалиендерку, 4 - Микельчиран, 5 - Джикиуганкез, 6 - Ирикчат. 7-Ирик, 8- Терскол. 9 - Гарабаиш, 10 - Малый Азау. 11 — Большой Азау, 12 -Уллукам, 13 - Кюкюртлю, 14 - Битюктюбе. Висячие ледники, не имекпцие собственного названия пронумерованы (№№ 1-9)

Рис. Р. Изменение площади и объёма оледенения Эльбруса за период 1887-2007 гг. 1 - изменение площади, 8, км2; 2 - изменение объёма, V, км3

Глава 5. Картографо-аэрокосмические технологии исследования условий формирования катастрофических селей в Приэльбрусье

Деградация оледенения на современном этапе в Приэльбрусье характеризуется высокой скоростью отступания ледников и образованием большого количества погребённых и мёртвых льдов. При их таянии происходит образование термокарстовых озёр, заполненных водой внутриледниковых полостей и течение гравитационно-моренного материала, что создаёт потенциальную угрозу формирования катастрофических гляциальных селей.

Примером могут служить гляциальные сели в бассейне р. Герхожансу, обрушившиеся на г. Тырныауз 11 августа 1977 г. и 1 8-24 июля 2000 г. Объём этих селей достигал около 1 млн. м3 и около 5 млн. м^ соответственно (Золотарев, Поповин, Сейнова, 1982; Черноморец, 2005).

Для прогноза селевых явлений и оптимальной защиты от них в первую очередь необходимо понять механизм селеформирования. Исследователи, изучающие селевую опасность в районе г. Тырныауз, имеют различные мнения. Так, В.А. Герасимов (1980), например, считает, что катастрофический сель 1977 г.

сформировался в результате слияния многочисленных микроселей с окружающих склонов. С.М. Флейшман, признавая наличие погребённых льдов в моренном комплексе ледников Каярты, связывал причину формирования катастрофических селей с быстрым оползанием морены по погребённому льду, не объясняя при этом причину катастрофического расхода воды (Флейшман, Сейнова, Золотарёв, ! 979). Наиболее полно процесс селеформирования в перигляциальной зоне ледников Каярты изучен Эльбрусской экспедицией географического факультета МГУ под научным руководством Г.К. Тушинского в 1963 г.

Основной вывод этих исследований состоит в том, что условием формирования селей в данном районе является разрушение тиксотропной структуры моренных отложений, переход их в разжиженное состояние одновременно в большей части селеопасного каньона (Тушинский, Попов, Голубев и др., 1966). Катастрофическое увеличение расхода воды в русле каньона авторы объясняют тем, что она может накапливаться в результате таяния на поверхности ледника в отрицательных формах микрорельефа и при их переполнении одновременно сбрасываться со всей поверхности ледника.

Наиболее вероятный ответ на вопрос об условиях формирования катастрофических селей в ледниково-моренном комплексе Каярты могут дать его мониторинговые исследования - материалы повторных наземных стереофотограмметрических съёмок 1963, 1977, 2003 гг. (Золотарёв, Алейников, Харьковец, 2012). При обработке материалов повторных съёмок 1977 г. при помощи метода стереоскопического измерительного дешифрирования был обнаружен сдвиг блока морены размером 50*50 м и образование нового эрозионного каньона. Подтвердился прогноз Г.К. Тушинского с соавторами (1966): «Вытаивание погребённых льдов неизбежно приведёт к нарушению залегания моренных отложений и может вызвать подвижки отдельных блоков морены».

Сравнение материалов съёмок 1963, 1977 и 2003 гг. показало, что Западный ледник Каярты сокращается в 3,5-4 раза быстрее, чем Восточный, причиной чего является подлёдный ледораздел в общей области питания (рис. 10).

Ледник Щ в 2003 г. в 1977 г. в 1963 г.

Селеносные каньоны

............ в 2003 г.

- в 1977 г.

в 1963 г.

---Орографические пинии

Ледоразделы

---поверхностные

- подлёдные

Изменение высоты поверхности моренных отложений за период 1977-2003 гг.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Рис. 10. Изменения ледников Каярты и их перигляциальных зон за 1963-2003 гг.

Заморененный и отступающий западный язык является источником огромной массы погребённого льда, которая представляет собой основную причину селеформирования. Область распространения погребённых льдов относится к моренам современного возраста и стадии малого ледникового периода. Именно здесь развиваются каньоны и очаги формирования селей (рис. 1 1). Ниже Восточного ледника линзы погребённого льда ограничены.

Рис. 11. Селевой врез в зоне формирования селя в ледниковом цирке Каярта Западный. Фото A.A. Алейникова. Июль 2000 г.

Термокарстовый рельеф представлен по всей площади морены, что позволяет предположить наличие погребённого льда и ниже Восточного ледника. Здесь погребённый лёд, возможно, образует не сплошное тело, как под Западным ледником, а отдельные линзы. Всё это показывает, что основной селеобразующий фактор в истоках р. Каярты - прорыв заполненных водой ёмкостей, находящихся в современных и более древних моренах, которые образуются при таянии погребённого в них льда. Этот прорыв и приводит к катастрофическому увеличению расходов воды и формированию катастрофического селя.

О существовании таких ёмкостей (полостей) и в моренном комплексе свидетельствуют и гидрографические данные. Ниже Западного ледника некоторые водотоки теряются в морене, а некоторые - выходят на поверхность из-под земли (см. рис. 10). Напомним, что основой карты являются материалы фототеодолитной съёмки 1977 г., выполненной на следующий день после схода селя.

Общий объём селевой массы в 2000 г. оценивается приблизительно в 5 млн. м3 (Черноморец, 2005). По мнению И.Б. Сейновой (2001), в XX веке селей такого масштаба в бассейне Герхожан-Су не наблюдалось.

Судя по прогрессирующему разрастанию селеопасного Западного каньона за 40 лет мониторинговых наблюдений, следует ожидать повторения катастрофических селей в бассейне р. Герхожан-Су и в будущем.

Глава 6. Определение границ лавиноопасных зон по морфометрии лавиносборов и крупномасштабное картографирование лавиноопасных территорий

В высокогорных районах грозным стихийным бедствием являются снежные лавины. Особенно опасны лавины редкой повторяемости, которые могут и не оставлять на местности следов своего схода. Снеголавинные изыскания, которые имеют своей целью выбор подходящих площадок для хозяйственного освоения, проводятся обычно в ограниченные сроки и за период наблюдения практически не удаётся зафиксировать лавины редкой повторяемости. В связи с этим для проектируемых противолавинных сооружений и мероприятий применяются вероятные расчётные параметры мощных лавин редкой повторяемости (Войтковский, Исаенко, 1989).

Наши работы по внедрению дистанционных методов в исследования снега и лавин показали, что при помощи стереофотограмметрического метода можно с достаточной точностью определять запасы снега в лавиносборах и объёмы сошедших лавин (Брюханов, Золотарёв, 1975). Точное знание морфометрии лавиносборов и параметров сошедших из них лавин редкой повторяемости -необходимое условие для повышения точности расчётных методов при оценке лавинной опасности территории и открывает возможность оценочного и оценочно-прогнозного картографирования (Золотарёв, 1981).

Влияние морфометрии лавиносборов на дальность выброса лавин

Массовый сход катастрофических лавин на Центральном Кавказе был отмечен в зимы 1967/68, 1975/76, 1986/87, 1992/93, 1996/97, 2001/02 (Богатиков, Залиханов, Карамурзов, 2004; Залиханов, 1981). Причины возникновения таких лавин обычно связывают с многоснежными зимами. И лишь недавно одной из причин была названа деградация горного оледенения (Олейников, Володичева, 2005). Кары и ледниковые цирки, освободившись ото льда, превратились в снегосборные воронки, где и формируются особо крупные катастрофические лавины.

За время наблюдений во второй половине прошедшего столетия нам удалось зафиксировать на Центральном Кавказе с помощью стереофотограмметрических

34

съёмок следы сошедших лавин и непосредственно сами лавины, которые до того не сходили более 100 лет (Золотарёв, 1980, 1981). Даже визуальное наблюдение следов схода лавин редкой повторяемости приводит к убеждению, что на движение таких лавин сопротивление среды оказывает существенно меньшее влияние, чем на движение малых или средних по размерам лавин. Такие лавины буквально затопляют склон, не считаясь с мезо- и микрорельефом поверхности, по которой они движутся. Исходя из этого, вполне логично предположить, что на дальность выброса катастрофических лавин влияют лишь основные морфометрические характеристики пути схода, к которым можно отнести: АН - превышение верхней границы лавиносбора над днищем долины и а - средний угол наклона склона в

пределах лавиносбора. Первая величина определяет размер потенциальной энергии лавины (совместно с её объёмом), а вторая - скорость по пути движения и потерю кинетической энергии во время движения по склону и во время торможения при выходе на днище долины (последнюю часть расхода энергии определяет характер профиля пути - угол сопряжения склона и днища долины). Именно средний угол наклона склона в пределах лавиносбора, в значительной мере определяя потерю кинетической энергии движущейся лавины, и оказывает существенное влияние на величину г^ - общего сопротивления движению лавины.

Отсюда следует вывод о возможности расчёта границ максимальной дальности выброса лавин редкой повторяемости по морфометрии лавиносборов. При этом необходимо иметь точные топографические карты лавиносборов. Ранее мы пришли к выводу, что масштаб таких карт должен быть не мельче 1:20001:5000, что предполагало обязательное применение фототеодолитной съёмки (Золотарёв, 1981). Однако, развитие цифровых методов обработки снимков позволяет использовать для целей морфометрии лавиносборов непосредственно материалы аэрофотосъёмки и даже космической съёмки сверхвысокого разрешения, например, со спутника СеоЕуе. Изменение среднего угла наклона поверхности Эльбруса за последние 50 лет было определено по материалам аэрофотосъёмок 1979, 1997 гг. с ошибкой не более 0,5° (Золотарёв, Харьковец, 2007).

Расчёт дальности выброса катастрофических лавин по морфометрическим параметрам лавиносборов

При расчёте использовались фактические данные по 5 катастрофическим лавинам на Кавказе (пример таких данных, полученных по материалам фототеодолитных съёмок, показан на врезке карты лавинной опасности, рис. 12) и опубликованные данные по 2 лавинам в Хибинах и 11 - в Швейцарских Альпах. По превышению линий отрыва над точками остановки (АН) и горизонтальным про-

35

ложениям соответствующих путей лавин (5) были вычислены коэффициенты общего сопротивления движению катастрофических лавин гк, по значениям которых был построен график зависимостей гк от аср . Эта зависимость имеет вид (Золотарёв, 1981)

гк ~ " cos*2 аср (6.1)

Формула (6.1) выведена на основании фактических данных по сходу катастрофических лавин в пределах среднего угла наклона склона от 20 до 40°. Судя по распределению точек относительно кривой функции гк = 0.3 • cos"2 аср представляется вероятным, что при углах наклона склона менее 23° лавина может превзойти по дальности выброса величину, рассчитанную при помощи гк, а при углах наклона более 35° формула (6.1) даёт величину гк с некоторым запасом.

Установлено, что средние квадратические ошибки при расчёте дальности выброса катастрофических лавин по предложенной формуле даже при самых грубых измерениях по карте 1:25 000 (аср±2°) не превышают 1% от общего пути, проходимого лавиной.

Расчёт границ лавиноопасных зон заданной обеспеченности

На основании формулы (6.1) можно рассчитать дальность выброса катастрофических лавин - лавин, близких по своим размерам к максимально возможным и относительно редкой повторяемости для данного лавинного очага. Учитывая, однако, что абсолютно безопасных мест в лавинном отношении в горах сравнительно мало, а различные соображения могут побудить производить размещение объектов в лавиноопасных местах, защищая их соответствующими противолавинными сооружениями, целесообразно вместо одной границы, близкой к максимальной дальности выброса лавин для конкретного лавиносбора, давать серию границ лавиноопасных зон заданной обеспеченности. Под заданной обеспеченностью здесь подразумевается вероятность достижения лавиной

заданной нами границы.

Частота схода лавин из данного лавинного очага (//год), коэффициент

обеспеченности (PJ) и вероятность достижения лавиной границы заданной обеспеченности во времени (Г, год) связаны между собой соотношением:

1 (6-2)

Рис. 12. Карта № 626 из Атласа снежно-ледовых ресурсов Мира, т. 1, Региональная часть

Отсюда следует, что для часто действующих лавиносборов вероятность достижения лавиной границ 1% обеспеченности является большей, чем для лавиносборов, где лавины сходят реже. Этот вывод подтверждается и фактическими наблюдениями.

В таблице 3 приводятся значения коэффициентов сопротивления для средних углов наклона склона в пределах лавинного очага от 20 до 44° с интервалом в 2°. Предполагается, что углы наклона измеряются по карте масштаба 1:25 000 со средней квадратической ошибкой +2°. Значения обеспеченностей выбраны: 0,1%, 0,5%, 1%, 2%, 5%, 10%. В этой таблице обращает на себя внимание то обстоятельство, что при углах наклона 20-23° минимальный коэффициент сопротивления с обеспеченностью 1%-0,1% имеет значения близкие к 0,3 и даже бывает меньше 0,3. Следовательно, вопреки распространенному мнению, расчетные значения величин дальности выброса, найденных по формуле С.М. Козика (1962) с постоянным коэффициентом 0,3, в определённых условиях могут не иметь большого запаса.

Таблица 3

Значения коэффициента общего сопротивления заданной обеспеченности Р'х в зависимости от среднего угла наклона склона

Г,. Средний угол наклона склона в пределах лавиносбора

% 20° 22" 24° 26° 28° 30° 32° 34° 36° 38° 40° 42° 44°

0,1 0,275 0,296 0,317 0,340 0,364 0,389 0,415 0,441 0,470 0,500 0,532 0,466 0,603

0,5 0,285 0,306 0,328 0,353 0,376 0,402 0,429 0,456 0,486 0,517 0,551 0,587 0,625

1 0,290 0,311 0,334 0,357 0,382 0,409 0,436 0,463 0,494 0,526 0,560 0,597 0,636

2 0,296 0,318 0,341 0,364 0,390 0,417 0,444 0,472 0,503 0,536 0,571 0,609 0,650

5 0,305 0,327 0,350 0,375 0,400 0,428 0,456 0,485 0,517 0,551 0,588 0,627 0,669

10 0,313 0,395 0,359 0,380 0,410 0,438 0,466 0,497 0,529 0,564 0,602 0,642 0,686

Учитывая важность точного определения углов наклона при их значениях меньших 25°, следует рекомендовать обязательную аэро- или космическую съёмку сверхвысокого разрешения для составления топографических карт лавиносборов масштабов 1:10 000 и крупнее, которые и должны служить основой для расчётов. Данная методика определения границ лавиноопасных зон применялась при изыскательских рбаотах под строительство олимпийских объектов в Красной Поляне (Аджиев, Корнилов, Кумукова и др., 2011).

Крупномасштабное картографирование лавиноопасных территорий Одним из основных результатов изысканий в лавиноопасных районах служат карты лавинной опасности (Золотарёв, 1981). Учитывая опыт лавинных исследований и составления крупномасштабных карт для инженерных целей (Акифьева, 1975; Лаптев, Тушинский, 1981 и др.), рассмотрим поэтапную схему инженерных изысканий в лавиноопасных районах.

Начальный этап - проектирование на стадии районной планировки в диапазоне масштабов 1:25 000 - 1:100 000. В этом случае карты должны предназначаться для технико-экономического обоснования проекта и, следовательно, давать возможность выбора конкурирующих вариантов размещения и защиты проектируемых объектов. Заключительный этап - проектирование на стадии детальной планировки в масштабах 1:2 000 - 10 000. Такие карты предназначаются непосредственно для проектирования и строительства выбранных вариантов противолавинных сооружений и проведения соответствующих мероприятий и, согласно (Инструкция.., 1980), должны давать возможность определения необходимых параметров снежного покрова и лавин.

На начальном этапе изысканий в качестве основы лавинных карт можно пользоваться топографическими картами соответствующих масштабов, а на заключительном необходима аэрофотосъёмка или космическая съёмка сверхвысокого разрешения с последующим составлением топографической или ортофотокарты лавиносборов, которая и явится основой будущей карты лавинной опасности (Золотарёв, 2009). При выборе объекта картографирования целесообразно использовать естественную классификацию геосистем по степени охвата территории: лавиноопасный район - лавиноопасный участок - лавиносбор в целом - морфологические части лавиносбора, которая соответствует последовательности составления карт разных масштабов при изыскательских работах.

При разработке содержания карт для разных этапов изысканий необходимо соблюдать основные принципы: 1) они должны включать набор характеристик лавинной опасности, необходимый и достаточный для планировки хозяйственных объектов и противолавинного проектирования на данном этапе исследований; 2) изображаемые на карте важнейшие характеристики и связи картографируемого явления выбираются в каждом конкретном случае в зависимости от назначения

карты; 3) необходимо соблюдать преемственность содержания карт при изменении их масштаба, что достигается правильным выбором таксономической категории объекта картографирования и показателей лавинной опасности для каждого масштаба карты.

Содержание рассмотренных вариантов карт показывает, что удельный вес объёма полевых и камеральных работ, непосредственных наблюдений и косвенных расчётов отличается на разных этапах снеголавинных изысканий. На этапе районной планировки хозяйственных объектов достаточно одного маршрута в летний полевой сезон по всей территории и стационарных наблюдений на ключевых участках в течение одной зимы. Остальную информацию получают расчётными методами. На этапе детальной планировки непосредственные наблюдения за лавинной деятельностью занимают большую часть времени изыскательских работ в течение нескольких сезонов. На рис. 12 показан пример карты лавинной опасности верховьев долины р. Азау (Приэльбрусье), составленной на стадии детальной планировки. Масштаб оригинала 1:10 000. Важнейшими характеристиками её содержания являются границы лавиноопасных зон заданной обеспеченности, вероятная высота лавинных отложений в пределах этих зон и средняя частота схода лавин в лавиносборах. Границы лавиноопасных зон рассчитывались по морфометрическим характеристикам, определённым по топографической карте 1:5 000, составленной по материалам фототеодолитной съёмки, две другие характеристики - основаны на 14-летнем ряде фактических наблюдений. Остальные характеристики являются дополнительными, но всё же помогают решить основную задачу изыскательских работ - безопасность проектируемых сооружений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты выполненной работы заключаются в следующем.

1. Разработаны теоретические основы и система картографо-аэрокосмических технологий мониторинговых исследований высокогорных территорий. В основе этих технологий лежит впервые разработанный способ стереоскопического измерительного дешифрирования разновременных снимков, который позволяет дешифрировать изменения наблюдаемого объекта и измерять их непосредственно по снимкам. Способ предполагает цифровые методы обработки снимков и

позволяет производить крупномасштабное картографирование динамики наблюдаемых объектов. Способ позволяет определять скорость движения льда на поверхности ледников, их пространственные изменения и позволяет использовать разновременные наземные, аэро- и космические снимки с большим (до года и более) интервалом съёмки. Различные модификации этого способа апробированы также и для определения динамики снежных лавин и формирования гляциальных селей.

2. Способ стереоскопического измерительного дешифрирования и цифровая обработка снимков позволили составить крупномасштабные карты эволюции всего оледенения Эльбруса и получить основные параметры изменений площадей и объёмов льда за 40 и 50 лет после МГГ, используя соответственно материалы аэро-и космической съёмки, а также получить параметры изменений ледников с конца XIX в. по старым картам на основе новых технологий работы с ними. Количественные данные по сокращению оледенения Эльбруса начиная с конца XIX в. не подтверждают гипотезу об антропогенных причинах глобального потепления климата начиная со второй половины XX столетия в результате парникового эффекта. В целом, сокращение оледенения происходит практически равномерно с небольшими периодами стационирования и наступания, что позволяет сделать вывод о том, что глобальное потепление климата началось ещё в XIX в.

3. На основе стереоскопического дешифрирования разновременных космических снимков выявлен пульсирующий характер ледника Большой Азау на Эльбрусе, основной причиной которого, вероятно, является периодическое образование кинематических волн на его поверхности.

4. На основании обработки материалов дистанционного мониторинга выявлен механизм формирования катастрофических селей на современном этапе деградации оледенения. На примере изменений ледниково-моренного комплекса Каярты, выявленных при помощи стереоскопического измерительного дешифрирования, установлена определяющая роль погребённых льдов в формировании катастрофических селей, сходивших на г. Тырныауз во второй половине XX столетия, что было предсказано ещё Г.К. Тушинским

5. С применением картографического метода исследований по материалам стереофотограмметрических съёмок лавин редкой повторяемости разработан метод определения границ лавиноопасных зон различной обеспеченности по морфометрии лавиносборов и данным о частоте схода лавин из них. На примере Приэльбрусья показана реализация этого метода при составлении крупномасштабных карт лавиноопасных территорий.

список

основных публикаций Е.А. Золотарёва по теме диссертации

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Некоторые результаты анализа и распределения снега сухих лавин на конусах выноса. // Вестн. Моск. ун-та, сер. геогр. 1975. № 1. С. 99-101.

2. О расчёте границ лавиноопасных зон заданной обеспеченности на основе морфометрии лавинных очагов. //Материалы гляциологических исследований, 1979, № 37. С. 193-198.

3. Изменения ледников Эльбруса в последнем столетии. // Материалы гляциологических исследований, 1997, вып. 83. С. 146-153.

4. О конечной «морене 30-х годов» и размерах ледника Джанкуат // Материалы гляциологических исследований, 1999, вып. 87. С. 177-183.

5. Катастрофические лавины Сванетии зимы 1976 г. // Материалы гляциологических исследований, 1979, вып. 36, с. 228-234 (соавтор В.В. Дзюба).

6. Лавинный кадастр и его содержание при оценке лавинной опасности территории // Вестн. Моск. ун-та, сер. 5, геогр. 1980. № 4. С. 58-64 (соавтор М.Н. Лаптев).

7. Назначение и содержание карт лавинной опасности на разных этапах инженерных изысканий // Материалы гляциологических исследований, 1984, вып. 51, с. 216-223 (соавтор В.В. Дзюба).

8. Изменение ледников бассейна р. Баксан в последние столетия (по данным лихенометрии) // Материалы гляциологических исследований, 1985, вып. 53, с. 192-196 (соавтор И.Б. Сейнова).

9. Оледенение Эльбруса и его извержение в голоцене // Материалы гляциологических исследований, 1988, вып. 64, с. 95-101 (соавтор И.Б. Сейнова).

10. Катастрофические сели Приэльбрусья за два последних тысячелетия // Материалы гляциологических исследований, 1997, вып. 82, с. 184-189 (соавтор И.Б. Сейнова).

11. Стереоскопическое моделирование перемещения поверхности ледников по разновременным аэрофотоснимкам // Материалы гляциологических

исследований, 1998, вып. 84, с. 48-51 (соавтор Е.Г. Харьковец).

42

12. Оледенения Эльбруса в конце XX в. (Цифровая ортофотокарта Эльбруса на 1997 г.) // Материалы гляциологических исследований, 2000, вып. 89, с. 175— 181 (соавтор Е.Г. Харьковец).

13. Распознавание ледораздела на переметных ледниковых комплексах (Джантуганское плато на Кавказе) // Вестн. Моск. ун-та, сер. 5, география, 2002, № 3, с. 36-43 (соавторы A.A. Алейников, В.В. Поповнин).

14.0 реакции ледника Джанкуат на изменения климата // Материалы гляциологических исследований, 2003, вып. 95, с. 107-110 (соавтор В.В. Поповнин).

15. Оценка деградации оледенения Эльбруса методами цифрового картографирования // Вестн. Моск. ун-та, сер. геогр. 2007. № 5. С. 45-51. (соавтор Е.Г. Харьковец).

16. Эволюция оледенения Эльбруса после малого ледникового периода // Материалы гляциологических исследований. //Лёд и снег, 2012, № 2, с. 1522) (соавтор Е.Г. Харьковец).

17. Деградация оледенения и формирование катастрофических селей в современных моренных комплексах Приэльбрусья // Лёд и снег, 2012, № 3, с. 99-108. Соавторы A.A. Алейников, Е.Г. Харьковец).

Монографии

18. Эволюция оледенения Эльбруса. Картографо-аэрокосмические технологии гляциологического мониторинга. - М. Научный мир, 2009. 238 с.

19. Ледники и сели Приэльбрусья (Эволюция оледенения и селевой активности). - М.: Научный мир. 2001. 203 с. (соавтор И.Б. Сейнова).

20. Крупномасштабное картографирование лавин и лавинной опасности. Деп. ВИНИТИ, № 5485-81. М., 1981. 151 с.

Карты

21. Катастрофические лавины в Приэльбрусье, 1973 г. - Атлас снежно-ледовых ресурсов Мира, т. 1. Региональная часть. Карта № 626, масштаб 1:25 000. М.Киев: НПП Картография, 1997. С. 338.

Другие публикации

22. Динамика оползня в бассейне р. Кубасанты - источник возможного формирования катастрофических селей и угрозы для рекреационного

освоения Приэльбрусья // В кн. Туризм и рекреация: фундаментальные и прикладные исследования. Труды V международной научно-практической конференции. Изд. Д.А.Р.К. Санкт-Петербург, 2010. С. 531-536.

23. Изучение снега и лавин в Приэльбрусье фотограмметрическим методом // Лавины Приэльбрусья. -М.: Изд-во Моск. ун-та, 1980. С. 47-62.

24. Содержание и методика составления крупномасштабной оценочной карты лавинной опасности (на примере Приэльбрусья) // Лавины Приэльбрусья. -М.: Изд-во Моск. ун-та, 1980. С. 69-80.

25. Картографо-аэрокосмические исследования высокогорных геосистем в связи с опасными гляциальными явлениями // Современная географическая картография. -М.: Дата+, 2012. С. 82-99.

26. Ye. A. Zolotarev and V.V. Dzyuba. Avalanche-Hazard Maps for Planning Purposes - Mapping Sciences and Remote Sensing. - July-September 1985. Vol. 22. №3. Pp. 238-248.

27. Ye. A. Zolotarev, O. Baume, J. Marcinek. Gletcherschwankungen im Elbrusgebiet seit dem Spatpeistozan // Gletcher und Landschaften des Elbrusgebietes. Gotha: Pertches, 1998. Ss. 77-85.

28. Aleynikov A.A., Popovnin V.V., Voytkovskiy K.F., Zolotarev Ye.A. Jndirect Estimation of the Djankuat Glacier Volume Based on Surface Topography // Nordic Hydrology. 33(1), 2002, pp. 95-110.

29.1.B. Seinova, Ye.A. Zolotarev. The evolution of glaciers and debris flows in the vicinity of Elbrus, central Caucasus - Debris - Flow Hazards Mitigation: Mechanics, Prediction, and Assessment, Rotterdam, Millpress, 2003. Pp. 189-198.

30. Ye.A. Zolotarev, Ye.G.Kharkovets. Evolution of the Elbrus glaciation since the mid XIX century under changing climate. Key findings of the glacio-cartographical monitoring / Geography, Environment, Sustainability. 2010. № 2. P. 13-31.

Подписано в печать:

22.01.2014

Заказ № 9305 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Объем: 2 усл.п.л. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора географических наук, Золотарёв, Евгений Александрович, Москва

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Географический факультет

05201450805

На правах рукописи

Золотарёв Евгений Александрович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КАРТОГРАФО-АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ОПАСНЫХ ГЛЯЦИАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ВЫСОКОГОРНЫХ ГЕОСИСТЕМ

25.00.33 - Картография

Диссертация на соискание учёной степени доктора географических наук

Научный консультант:

доктор географических наук, профессор Книжников Юрий Фирсович

Москва - 2014

Оглавление

стр.

Введение 5

Глава 1. Картографо-аэрокосмические технологии - основа мониторинговых исследований высокогорных геосистем 9

1.1. Сущность картографо-аэрокосмических исследований динамики природных объектов 9

1.2. Основные этапы картографо-аэрокосмических исследований высокогорных территорий на примере Приэльбрусья 12

1.3.Технологии картографо-аэрокосмических исследований динамики высокогорных геосистем 16

1.4. Развитие фотограмметрического метода для картографо-аэрокосмических исследований горных ледников 19

1.5. Составление цифровой ортофотокарты Эльбруса 20 Выводы 22 Глава 2. Стереоскопическое измерительное дешифрирование разновременных снимков при мониторинге высокогорных геосистем 24

2.1. Проблема совмещения материалов разновременных съемок при мониторинге динамики природных объектов 24

2.2. Схема обработки разновременных снимков при стереоскопическом измерительном дешифрировании 26

2.3.Применение стереоскопического измерительного дешифрирования

при оценке динамики различных природных процессов в высокогорье 29

2.3.1. Определение скорости сползания снега на лавиноопасном склоне фотограмметрическим методом 29

2.3.2. Исследование скорости движения лавин 39

2.4. Особенности стереоскопического измерительного дешифрирования

при оценке динамики ледников 42

2.4.1. Результаты исследования динамики ледника Кюкюртлю (Западный склон Эльбруса) по разновременным аэрофотоснимкам 49

2.4.2. Выявление пульсирующего характера динамики ледника Большой Азау (Юго-западный склон Эльбруса) по разновременным

космическим снимкам 53

Выводы 56 Глава 3. Индикационно-картографическая реконструкция оледенения

Эльбруса во время малого ледникового периода 58

3.1.Методические аспекты лихенометрии в Приэльбрусье 58 3.2.Эволюция оледенения Эльбруса с конца XIX в. по картографическим

данным 65

3.3.Разграничение I и II исторических стадий оледенения Эльбруса 68

3.4. Максимальное распространение оледенения Эльбруса во время

малого ледникового периода 71

Выводы 80 Глава 4. Исследование эволюции оледенения Эльбруса картографо-аэрокосмическими технологиями в связи с глобальными климатическими

изменениями 81

4.1. Колебания фронта ледника Большой Азау на Эльбрусе с середины

XIX века 81

4.2. Гляцио-климатические причины колебания фронта ледников (по исследованиям на леднике Джанкуат) 94

4.3. Колебания фронта ледников Эльбруса в XX столетии 100

4.4. Сокращение оледенения Эльбруса в XX столетии 102

4.4.1. Изменение площади оледенения 105

4.4.2. Оценка изменений объёма оледенения Эльбруса в различные

периоды его эволюции 114

4.5.Цифровое картографирование изменения оледенения Эльбруса и

оценка баланса его массы за 40 и 50 лет после МГГ 116

Выводы 124 Глава 5. Исследование условий формирования катастрофических селей в

Приэльбрусье на основе картографо-аэрокосмических технологий 126

5.1. Эволюция оледенения и формирование катастрофических селей в Приэльбрусье 126

5.2.Причины и оценка вероятности формирования катастрофических

селей в современных ледниково-моренных комплексах Приэльбрусья 131

5.2.1. Долина р. Адылсу 131

5.2.2. Долина р. Герхожан-су 134

5.2.3. Южный склон Эльбруса 139

5.2.4. Северо-восточный склон Эльбруса 139

5.2.5. Долина р. Кубасанты 140 5.3.Возможные способы борьбы с катастрофическими селями 145 Выводы 147 Глава 6. Определение границ лавиноопасных зон по морфометрии лавиносборов и крупномасштабное картографирование лавиноопасных территорий 148

6.1. Деградация оледенения и катастрофические лавины Приэльбрусья 148

6.2. Экспериментальные исследования точности определения запасов

снега на лавиноопасных склонах дистанционными методами 151

6.3. Оценочное картографирование катастрофических лавин в Приэльбрусье с применением дистанционных методов 157

6.4. Определение максимально возможного пути катастрофической

лавины в Приэльбрусье 160

6.5.Исследование дальности выброса катастрофических лавин в зависимости от морфометрии лавиносборов 163

6.6. Ошибки определения дальности выброса катастрофических лавин по морфометрическим параметрам лавиносборов 173

6.7.0 вероятности достижения лавиной заданных границ 174

6.8. Расчет коэффициентов общего сопротивления движению лавины заданной обеспеченности 178

6.9. Картографирование лавиноопасных территорий при инженерных изысканиях 184

Выводы 194

Заключение 196

Литература 198

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Одним из приоритетных направлений развития науки и техники Российской Федерации является экология и рациональное природопользование, что вызвано глобальным изменением природной среды, обусловливающим процессы, принимающие нередко катастрофический характер. Это вызывает необходимость мониторинга этих процессов и, в свою очередь, предполагает развитие дистанционных методов их наблюдения и оценки, которые позволяют охватывать значительную площадь труднодоступных территорий и в значительной степени снимают опасность для жизни исследователя. Приоритетными будут при этом исследования динамики различных природных систем, особенно высокогорных^ где широко развиты опасные гляциальные явления. Подвижки ледников, снежные и ледяные лавины, катастрофические гляциальные сели образуются в зоне тектонически активного высокогорного рельефа с оледенением. Причём быстрое изменение последнего влияет на масштабы этих стихийно-разрушительных процессов природы. Значительная часть регионов России вынуждена тратить большие средства, чтобы приспособить своё хозяйство к закономерно проявляющимся, а нередко и внезапно происходящих природных стихий. Исследование процессов формирования и динамики опасных явлений, решение вопросов прогнозирования надёжно согласуется только на основе получения количественных параметров, которые можно получить при интеграции методов картографии, информатики и дистанционного зондирования.

Степень разработанности темы. Мониторинговые исследования опасных гляциальных процессов в высокогорье в настоящее время проводятся в основном на локальных территориях с ограниченным периодом наблюдений, что не всегда позволяет получить достоверные сведения об их параметрах. Практическое применение для этих целей повторных аэро- и космических снимков, которые позволяют охватывать значительные территории, находится в зачаточном состоянии.

Цель н задачи исследования. Основная цель работы - разработка картографо-аэрокосмических технологий мониторинговых исследований

высокогорных территорий при организации их защиты, что является научной проблемой, имеющей важное хозяйственное значение.

В соответствии с поставленной целыо в работе решались задачи разработки и применения:

- картографо-аэрокосмических технологий для дистанционного мониторинга высокогорных геосистем;

- способа стереоскопического измерительного дешифрирования разновременных снимков для изучения динамики опасных склоновых процессов высокогорных территорий;

- метода определения границ лавиноопасных зон и содержания оценочных и оценочно-прогнозных карт лавиноопасных территорий на различных этапах инженерных изысканий;

-применения разработанных технологий при оценке деградации горного оледенения на примере Эльбруса, как возможного источника катастрофических процессов в высокогорье;

- оценки условий формирования и динамики катастрофических процессов в высокогорье (снежных лавин и гляциальных селей) на основе картографо-аэрокосмических технологий.

Научная новизна работы. Способ стереоскопического измерительного дешифрирования разновременных аэро- и космических снимков при оценке динамики ледников, метод расчёта границ лавиноопасных зон заданной обеспеченности не имеют аналогов и разработаны впервые. Впервые составлены карты изменения оледенения Эльбруса за 40 и 50 лет после МГГ, рассчитан его кумулятивный баланс массы за этот период. Получены достоверные количественные данные об его эволюции за более чем 100-летний период, которые не подтверждают гипотезу об антропогенных причинах глобального потепления климата.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанные технологии картографо-аэрокосмических исследований позволяют проводить необходимый и достаточный комплекс работ для определения динамики высокогорных геосистем, получать с необходимой точностью параметры их изменений, составлять оперативные оценочные и оценочно-прогнозные карты, т. е. осуществлять дистанционный мониторинг.

Способ стереоскопического измерительного дешифрирования разновременных снимков, разработанный нами в процессе исследований, позволяет определять скорость движения льда на поверхности ледников, их пространственное изменение и позволяет выбрать наиболее рациональное расположение точек измерения за счёт визуального наблюдения этих изменений. Модификации этого метода применялись также и для определения динамики различных стихийно-разрушительных процессов (оползней, снежных лавин и гляциальных селей).

Разработанный метод расчёта границ лавиноопасных зон заданной обеспеченности по морфометрии лавиносборов позволяет проектируемые объекты строительства в лавиноопасных районах размещать в безопасных зонах, либо обезопасить их при помощи рационально выбранных соответствующих противолавинных сооружений и мероприятий.

Методология и методы исследования. Все перечисленные задачи решались на основе полевых экспериментальных работ, проводившихся на Центральном Кавказе в течение 40 лет с применением повторных стереофотограмметрических съемок с стационарных базисов. Обработка разновременных наземных, аэро- и космических снимков проводилась цифровыми методами. Цифровые методы использовались и при сравнении разновременных карт. При реконструкции размеров оледенения Эльбруса во время малого ледникового периода использовался лихеиометрический метод.

Положения, выносимые на защиту.

1. Разработана система картографо-аэрокосмических технологий мониторинговых исследований высокогорных геосистем.

2. Предложен и разработан способ стереоскопического измерительного дешифрирования, составляющий основу картографо-аэрокосмических технологий мониторинговых исследований.

3. Получены количественные параметры эволюции оледенения Эльбруса за 120 лет, которые показывают что современное потепление климата началось ещё в XIX в., что означает его преимущественно естественные, а не антропогенные причины.

4. Применение разработанных технологий позволило выявить особенности формирования катастрофических селей гляциального генезиса на современном этапе деградации оледенения и определить границы лавиноопасных зон заданной обеспеченности в лавиноопасных районах.

Степень достоверности и апробация результатов. Оценка достоверности результатов исследования выявила, что результаты, полученные высокоточными фотограмметрическими измерениями снимков, цифровыми методами измерения карт имеют высокую степень достоверности и подтверждаются другими независимыми исследованиями.

Основные положения диссертации были доложены на

- Международной конференции Интеркарто 2 в г. Иркутске 26-29 июня

1996 г.;

- 1 Всероссийской конференции по картографии в Москве 7-10 октября

1997 г.;

- Х1-Х1У Гляциологических симпозиумах 1996, 2000, 2004, 2008 гг. и специализированных гляциологических симпозиумах в 1998, 2002, 2004 гг.;

- международной конференции «Мониторинг криосферы» 20-23 апреля 1999 г. вПущино;

- IV Международной конференции «Устойчивое развитие горных территорий» во Владикавказе 23-26 сентября 2001 г.;

- международной конференции по механизму формирования и динамике селей в Давосе, Швейцария, 10-12 сентября 2003 г.;

- заседании Русского географического общества (отделение картографии и аэрокосмических методов), Москва, 25 марта 2009 г.;

- научной конференции МГУ «Ломоносовские чтения», секция географии, 23 апреля 2009 г.;

- международной научной конференции «Гляциология в начале XXI века», Москва, 15-16 октября 2009 г.

По теме диссертации опубликовано 99 научных трудов, из них 3 монографии, 20 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК, 5 статей в иностранных журналах.

Глава 1. КАРТОГРАФО-АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ-ОСНОВА МОНИТОРИНГОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЫСОКОГОРНЫХ ГЕОСИСТЕМ

1.1. Сущность картографо-аэрокосмических исследований природных

объектов

Необходимым условием выявления глобальных закономерностей в изменении природы Земли является получение достоверной информации в любой пространственной размерности и реальном масштабе времени. Такую возможность дают материалы аэрокосмических съёмок, которые одновременно можно использовать и для решения конкретных задач.

Природа горных геосистем с интенсивными экзогенными процессами очень быстро реагирует на воздействие естественных и антропогенных факторов, к тому же а горах с современным оледенением можно получить достоверную информацию и о прошлом, что является необходимым условием для моделирования глобальных изменений. Поэтому актуальной проблемой является организация систем картографо-аэрокосмического мониторинга различных природных условий и ресурсов.

Мониторинг окружающей среды предполагает наблюдение за состоянием объекта, его оценку, прогноз развития во времени и пространстве, а также разработку системы мероприятий по фактическому использованию благоприятных факторов среды или снижению ущерба от неблагоприятных.

Аэрокосмические методы исследований позволяют решать многие задачи, связанные с оценкой состояния и динамики природных объектов, в том числе с их помощью можно изучать эволюцию и динамику ледников, что, в свою очередь, позволяет производить оценку, например, таких глобальных географических явлений, как изменение климата на Земле.

Одним из достижений лаборатории аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ является разработка принципов и методов картографо-аэрокосмического мониторинга для нужд горной гляциологии, которые основаны на многолетних исследованиях высокогорных территорий (Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И., Лабутина И.А. Картографо-аэрокосмический мониторинг системы оледенения Эльбруса //

Материалы гляциологических исследований. - 1988. - Вып. 62. С. 153-156). На современном этапе чаще применяется гляцио-картографический, или комплексный мониторинг, который подразумевает непрерывное наблюдение за массоэнергообменом ледника и периодический контроль его пространственных (площади, мощности, объёма) и динамических (скорость движения льда) параметров.

Помимо режимных гляциологических наблюдений, программа комплексного мониторинга предусматривает периодические стереофотограмм-метрические съёмки и геодезические измерения. На их основе составляются крупномасштабные (1:10 000 и крупнее) топографические карты ледникового бассейна, карты изменения высоты поверхности и карты скорости движения льда на поверхности ледников (Винников Л.П., Лабутина И.А. Изменение ледника Ккшортлю на Эльбрусе за четверть века // Материалы гляциологических исследований. - 1987. - Вып. 60. С. 147-152).

Периоды между съёмками зависят от поставленной задачи. Если между съёмками проходят десятилетия, то в результате мы имеем возможность определить пространственные изменения ледников, т. е. их эволюцию, для изучения динамики иногда достаточно производить съёмки через несколько дней, исключение составляет определение скоростей движения пульсирующих ледников по космическим снимкам. Здесь интервал между съёмками может быть от года до нескольких лет.

Из всех параметров, характеризующих пространственные изменения ледника, наиболее информативным является показатель среднего изменения его толщины по всей площади ледника, определяемый по материалам разновременных стереофотограмметрических съёмок. В этом случае он характеризует баланс массы ледника за период между съёмками и может заменить прямые гляциологические массбалансовые наблюдения.

Сравнение балансовых характеристик ледника, полученных при помощи прямых гляциологических измерений, и динамических показателей ледника, полученных по материалам повторных съёмок, даёт возможность определения реакции ледника на климатические изменения.

Картографическая составляющая комплексного мониторинга ледников вклю�