Введение к работе
Актуальность проблемы. Вследствие экстремального географического положения и суровых, но динамичных природных условий арктические территории, обладающие громадными земельными и энергетическими ресурсами и богатейшими запасами минерального сырья, по праву считаются крайне проблематичным регионом для традиционных методов исследования и освоения, и являются на сегодня одним из наименее изученных районов Российской Федерации, в том числе и с топографической точки зрения. Отсутствие современных достоверных топографических знаний о природе Заполярья является важнейшей проблемой для хозяйственного развития, широкого освоения богатейших естественных ресурсов и обеспечения рационального природопользования в целях противоборства с наступающим экологическим кризисом этого региона.
Появление в 70-х годах XX века полярноорбитальных средств спутникового дистанционного зондирования обеспечивает большие потенциальные возможности для изучения природы высокоширотных районов Российской Арктики, включая и самые труднодоступные. Весь вопрос заключается в том, насколько оперативно и полно может быть использован этот потенциал для планомерных наблюдений, контроля и оценки современного состояния и топографических изменений обширных арктических территорий. Большое значение в этой связи приобретает теоретическое обоснование, разработка и совершенствование методов сбора и анализа периодической информации о состоянии и изменениях топографических объектов в системе космического мониторинга высокоширотной Арктики. Отметим, что применимость существующих методик по обработке и использованию спутниковой информации для мониторинга высокоширотной Арктики практически не исследовалась.
Актуальность спутникового топографического мониторинга Заполярья определяется первостепенной важностью его результатов для познания объективных закономерностей пространственной организации и эволюции высокоарктических геосистем, для утверждения новых более правильных географических воззрений на природу Арктики в целом и развития базовых наук о Земле, для создания новых и обновления существующих топографических карт, необходимых при проведении тематических исследований и планировании различных видов хозяйственной деятельности в регионе. Применение современных достижений спутникового дистанционного зондирования, методов цифровой обработки изображений и ГИС-технологий для топографического мониторинга в экстремальных
условиях высокоширотной Арктики имеет не только большую практическую значимость, но и вызывает особый научный интерес.
Основной идеей данной работы являлась оценка и использование потенциала спутникового дистанционного зондирования в интересах изучения современного состояния природной среды Заполярья на региональном, локальном и детальном уровнях и исследования топографо-гляциологических изменений, обусловленных различными геофизическими факторами. Немаловажным стимулом послужило стремление автора к обобщению в едином труде основных результатов и практического опыта, накопленного в период проведения ряда научно-технических работ в Московском государственном университете геодезии и картографии в 1984-1991 гг. и в ходе реализации двух международных научно-исследовательских проектов «Земля Франца-Иосифа» и «АРКТУР» в 1992-1997 гг.
Цель и задачи исследований. Целью настоящих исследований является научный анализ, обобщение и разработка теоретико-методологических основ и практических методов спутникового топографического мониторинга Российской высокоширотной Арктики. Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
проведение всестороннего критического анализа существующей системы топографических знаний о Российской высокоширотной Арктике;
выбор основного региона работ, сбор и систематизация необходимых картографических данных и материалов наземных и аэрокосмических съемок;
определение предпосылок, задач, объектов, методов и концептуальных основ спутникового топографического мониторинга Заполярья;
исследование и совершенствование методов топографического моделирования арктических территорий по материалам космической съемки на примере архипелага Земля Франца-Иосифа;
создание алгоритмов обработки , разновременных космических изображений в целях определения основных районов и характера топографических изменений;
обеспечение надежного геодезического обоснования и полевого контроля топографических определений в условиях островных территорий Крайнего Севера;
создание и внедрение в практику топографической информационной системы на территорию федерального природного заказника «Архипелаг Земля Франца-Иосифа»;
обзор принципиальных проблем топографических исследований в высокоширотной Арктике и выработка практических рекомендаций по
развитию универсальной методологии спутникового мониторинга полярных регионов.
Методология и регион исследований. Выполненные исследования основываются на использовании положений общей теории систем, закономерностей формирования полей электромагнитного излучения, теории дешифрирования и стереофотограмметрической обработки аэрокосмическнх изображений. Методологической базой диссертации является топографическое моделирование местности по разновременным космическим изображениям, включая различные виды физико-математического, графического, топологического, фотограмметрического и картографического моделирования, с использованием средств цифровой обработки изображений, компьютерной графики и ГИС-технологий, а также топографо-геодезические методы полевых наблюдений и измерений. При решении вспомогательных задач применялись общенаучные методы системного, статистического и регрессионного анализа, интеграции данных и контроля их точности, исторического подхода и пространственно-временных экстраполяции. В качестве основного региона исследований был выбран архипелаг Земля Франца-Иосифа (ЗФИ), располагающийся в экстремальных физико-географических условиях европейской части Российской высокоширотной Арктики и являющийся крупнейшим государственным природным заказником Заполярья с общей площадью 42000 км2.
Научная новизна. Предлагаемая диссертация является первой научной работой, посвященной анализу, обобщению и разработке теории и методов спутникового топографического мониторинга высокоширотной Арктики. Впервые предложены понятие и концепция спутникового топографического мониторинга и впервые разработаны теоретические основы и методология топографического моделирования арктических пустынных территорий Заполярья по материалам оптической и радарной космической съемки. По результатам исследований созданы первые отечественные спутниковые фотокарты на территорию арктических пустынь Российской Федерации.
К оригинальным теоретическим и практическим результатам диссертации относятся: результаты анализа и обобщения достижимых точностей, периодичности и
масштабов спутникового топографического мониторинга высокоширотной
Арктики; » методические варианты топографического моделирования арктических
территорий по разновременным и разноспектральным космическим
изображениям;
технологическая схема автоматизированного выявления топографических изменений но разновременным материалам космической съемки,
методика оценки состояния облачного покрова и содержания "водяного пара в атмосфере на моменты основных космических съемок;
алгоритмы дешифрирования ледниковых' структур по разноспектральным космическим изображениям; . f' .
методика синтезирования многозональных изображений в условных цветах с использованием корреляционных процедур;
методика составления цифровых спутниковых фотокарт, высокоарктических территорий; -'/
практические результаты мониторинга и новые топографические, сведения о природных условиях Заполярья. , ."', ' '
В ходе исследований было сделано несколько географических откр]ькгий, к
которым относятся обнаружение нескольких новых островов, исчезновение
острова Перламутровый, выявление случаев подвижек крупнейШих
выводных ледников ЗФИ. Впервые получены практические ^результаты
прямых измерений, определяющих характер и тенденции топографических
изменений в высоких широтах Арктики. . ' .'.; '
На защиту выносятся: ''„;' у"
-
Концепция спутникового топографического мониторинга высокоширотной Арктики.
-
Теоретическое обоснование и методология топографического моделирования высокоарктических территорий по материалам космической съемки.
-
Теория и алгоритмы дешифрирования космических изображений арктических пустынь, полученных различными съемочными системами.
-
Автоматизированная технология выявления топографических изменений в высокоширотной Арктике, базирующаяся на методах корреляционного и интерферометрического анализа космических изображений.
-
Нетрадиционные методы оценки и повышения точности определения планово-высотного положения топографических объектов по разноспектральным спутниковым данным.
-
Принципы формирования и совершенствования содержания топографической информационной системы на районы Заполярья.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Авторские оригиналы спутниковых карт использовались в ходе трех международных научно-исследовательских экспедиций на ЗФИ в 1994, 1995 и 1996 гг. Несколько научных групп из Австрии, Германии, Италии, России и США, а также ряд туристических агентств выразили свою заинтересованность в
приобретении цифровых версий этих карт. Несколько десяткой жземиляром спутниковой фотокарты ЗФИ в масштабе 1:600000 и топографическая информационная система на территорию государственного природного заказника «Архипелаг Земля Франца-Иосифа» были приобретены Институтом географии РАН и используются в научно-исследовательской работе. Аналогичные запросы на эти материалы поступили из ААНИИ, агентства ВИКАР и администрации заказника.
Отдельные разработки и результаты, полученные в ходе выполнения настоящих исследований, использовались в четырех международных научно-исследовательских проектах («ЗФИ», «АРКТУР», TADAT Р8048 GEO, Проект №4464 Юбилейного фонда австрийского национального банка) и были включены в окончательные научно-технические отчеты по этим проектам. По результатам исследований автором были подготовлены несколько научно-технических отчетов по теме 640-Х, №87718, составлен раздел «Современное состояние и динамика оледенения ЗФИ» годового отчета Мурманского морского биологического института (1994 г.), разработана программа курса «Дешифрирование аэрокосмических изображений», опубликованы методические указания по курсовой и лабораторным работам. Некоторые из разработанных подходов и предложений по усовершенствованию использовались в Совете по кибернетике РАН при создании новых версий 1.4 и 1.5 программного пакета «ФОТОМОД». Практическая значимость работы подтверждается также восемью утвержденными рационализаторскими предложениями. Теоретические положения и методики, разработанные в диссертации, могут быть' практически использованы при создании универсальной методологии топографического мониторинга и цифрового картографирования всей территории Российской Арктики в базовом масштабе 1:200000.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на 6 Всероссийских научно-технических конференциях, на 9 международных симпозиумах в гг. Минске (1991), Граце (1993), Вене (1993), Данди (1994), Риме (1994), Гётеборге (1995), С.-Петербурге (1995), Базеле (1995) и Москве (1997), а также на конгрессе международного сообщества фотограмметристов и специалистов по дистанционному зондированию (ISPRS) в Вене в 1996 г.
Публикации. Основные теоретические и практические результаты исследований по теме диссертации изложены в 1 монографии и 36 статьях, а также защищены одним авторским свидетельством. По результатам исследования издано 3 спутниковых карты общим тиражом 5000 экземпляров.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы из 173 наименований и 6 приложений. Работа содержит 25 таблиц и 80 иллюстраций. Объем диссертации - 306 страниц.
Автор выражает глубокую признательность своим научным консультантам из Московского государственного университета геодезии и картографии проф. В.П.Савиных и проф. Т.В.Верещаке, а также всем тем людям, которые способствовали выполнению и успешному завершению данной работы. .