К.т.н., доцент Кузнецова И.А., Халачева А.М.

Казахский национальный технический университет имеми К.И. Сатпаева, Казахстан

Мониторинг изменения площади Центрального Туюксуйского ледника по космическим снимкам

В последние годы, особенно актуальными стали проекты по мониторингу природной среды, техносферы, экологических бедствий и катастроф. В настоящее время оценка реакции ледников на изменения климата, а также прогноз изменений размеров, состояния, режима и динамики ледников приобретает важное научное и практическое значение в связи с прогнозируемым глобальным потеплением климата. Для решения подобных задач необходимо знать такие важные и недостаточно изученные характеристики ледников, как их толщину и объём, площадь, внутреннее строение, гидротермическое состояние, а также подлёдный рельеф и условия на контакте ледника с подстилающим ложем.

Ледник Центральный Туюксуйский является ключевым – тестовым в системе Мирового мониторинга ледников Земли и систематически исследуется в течение более полувека [1]. Центральный Туюксуйский ледник, показанный на рисунке 1, это классический долинный глетчер, имеющий четко выраженную область питания и вытянутый по долине язык.

Рисунок 1. Ледники Центральный Туюксу (слева) и Молодёжный (справа).

Нижняя часть ледника почти сплошь завалена камнями и щебнем. Ледник Центральный Туюксуйский является главным в бассейне Туюксу. Горноледниковый бассейн Туюксу, представляет собой верхний участок бассейна р. Малой Алматинки, стекающий с северного склона хребта Заилийского Алатау и впадающий в р. Каскелен, которая в свою очередь, является левым притоком р. Или – крупнейшей водной артерии на юго-востоке Казахстана [2].

В зависимости от точности результатов, которые необходимо получить при проведении мониторинга по тому или иному компоненту, явлению, процессу, от среды, в которой проходят исследования, доступных финансовых и других средств, используют различные методы мониторинга.

Наземные наблюдения на ледниках трудоемки, в какой-то степени опасны, а в ходе подвижек просто невозможны, так как разбитая трещинами поверхность становится совершенно непроходимой. В связи с этим возникла необходимость разработки методики их изучения с использованием дистанционных наблюдений - с самолетов и космических аппаратов.

Для космического мониторинга целесообразно ориентироваться, прежде всего, на полярно-орбитальные метеорологические спутники, как на отечественные аппараты (спутники типа «Метеор», «Океан» и «Ресурс»), так и на спутники серий NOAA, Landsat, SPOT, ALOS .

Опыт свидетельствует о высокой эффективности использования космических снимков для мониторинга, это относится не только к задачам государственного и регионального уровней, но и к проектам изучения небольших территорий. Для мониторинга ледника использовались снимки, полученные со спутников Landsat, ALOS за период времени с 2000 по 2010 годы.

Привязка космических снимков производится для того, чтобы можно было узнать географические (градусные или прямоугольные) координаты любой точки карты. В настоящее время используются несколько способов привязки космических снимков – по контурам, с помощью топографических карт и по опорным точкам, с помощью координат GPS съемки.

Привязка космических снимков выполнялась в программе ArcGIS в модуле ArcMap, который используется для всех картографических задач, включая создание карт, анализ карт и редактирование данных. Выбор способа привязки осуществлялся с помощью команды “Georeferencing”. Для привязки находились характерные точки на снимках. Это могут быть водоемы, пересечения дорог, место впадения одной реки в другую, углы зданий и т.д. Эта же точка опознается на следующем снимке. В результате появится идентичная точка, опознанная на двух снимках. Использование команды “Swipe Layer” позволяет наблюдать два наложенных друг на друга снимка. В результате наложения можно было наблюдать соблюдение контуров, как показано на рисунке 2.

После того как была выполнена привязка снимка, был выполнен процесс дешифрирования снимков. Все разнообразие приемов и способов дешифрирования сводится к двум основным методам: визуальному и автоматизированному (компьютерному). Под визуальным дешифрированием понимается процесс, выполняемый исполнителем, независимо от того, в каком виде представлен снимок: в виде фотоотпечатков или изображения на экране компьютера [3]. Белый тон фотоизображения льда является основным дешифровочным признаком наледей. Распознавание наледных тел и наледных полян вполне возможно на черно-белых снимках, полученных в видимом диапазоне спектра. Но наибольшей гляциологической информацией обладают снимки в ближней инфракрасной зоне. Они обеспечивают более высокий контраст фотоизображения открытого льда и окружающего ландшафта независимо от их физиономичных черт. На спектрозональных снимках лучше выделяются переувлажненные грунты, поэтому они предпочтительны для дешифрирования наледных полян после стаивания льда [4].

Рисунок 2. Космические снимки, привязанные по точкам

Зная особенности формирования льда и дешифровочные признаки ледовых образований (тон, текстура, форма и размер) была выполнена векторизация Центрального Туюксуйского ледника в модуле ArcGIS – ArcMAP, результаты которой показаны на рисунке 3.

а б в

Рисунок 3. Векторизация снимков: а) Landsat 2000; б) Alos 2006; в) Landsat 2010

Результаты векторизации позволили определить границы объекта и определить его площадь за разные годы наблюдений. На рисунке 4 показаны границы ледника за 2000-2010 гг. Площадь ледника изменялась, главным образом, на его языке ниже границы питания.

Рисунок 4. Границы Центрального Туюксуйского ледника

Определение площади Центрального Туюксуйского ледника по космическим снимкам Landsat 2000 года, ALOS 2006 года и Landsat 2010 года было выполнено в программе в ArcMap, используя способ вычисления площади полигональных объектов, для чего выбиралась нужная опция для подсчёта площади – координатная система и размерность. В таблице 1 показаны изменения площади Центрального Туюксуйского ледника за 2000-2010гг.

Таблица 1

Изменение площади Центрального Туюксуйского ледника за 2000-2010гг.

№,п/п	Космический снимок	Год	Площадь ледника, км^2
1	Landsat	2000	2,617
2	ALOS	2006	2,514
3	Landsat	2010	2,454

Согласно таблицы 1 в период с 2000 по 2010 года площадь ледника сократилась на 0,163 км². В результате таяния ледника происходят изменения климатических условий региона в сторону потепления.

Экстраполируя полученные результаты изменения ледника Туюксу за полтора века на будущее, можно предположить, что судя по сокращению площади и длины, ледник должен прекратить свое существование через 180-220, т.е. в конце XXII- начале XXIII вв. Н.Н. Пальгов в середине XX века сделал прогноз, что ледник Туюксу истощиться к 2340 году, но совсем не исчезнет [5].

Ускоренное таяние ледников Заилийского Алатау создает ряд непосредственных угроз населенных пунктов горных и предгорных территорий. Особую опасность для жителей населенных пунктов представляют лавины, затопления или, наоборот, снижения полноводности рек, а как следствие – сокращение запасов пресной воды.

Необходимо проводить наблюдения за динамикой изменения Центрального Туюксуйского ледника. Использование дистанционных методов исследований, и в частности повторные космические съемки, в настоящее время являются наиболее перспективными для проведения мониторинга. Никакими другими способами нельзя добиться одновременного охвата всей площади ледника, повторить наблюдения и на основе анализа данных дать предварительный прогноз эволюции ледника, оценить экологическое состояние исследуемой местности.

Литература:

1.Касаткин Н.Е. Новые данные об изменении площади, объема и длины ледника Центрального Туюксуйского// Гидрометеорология и экология,2006, №4, с.93-101.

2.Макаревич К.Г., Вилесов Е.Н., Головкова Р.Г. Ледники Туюксу (Северный Тянь-Шань). - Л.: Гидрометеоиздат, 1984.

3. Лабутина И.А., Балдина Е.А. Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга экосистем ООПТ. Методическое пособие. –М.:WWF Россия, 2011, с. 24-25.

4. Гиенко А.Я. Воды - Аэрокосмический снимок – Карта. – Красноярск: КГУ, 1992.

5.Макаревич К.Г., Касаткин Н.Е. Полувековые исследования баланса массы и морфометрических изменений Центрального Туюксуйского ледника в Заилийском Алатау// Лед и снег, 2011, №1, c. 43-44.