Применение аэро- и космических методов в гидрологических исследованиях

Министерство образования  и  науки Российской Федерации 
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
Геолого-географический факультет

Кафедра географии

 

 

 

 

 

 

Реферат по предмету

«Водно-технические изыскания»

на тему:

Применение аэро- и космических  методов в гидрологических исследованиях

 

 

 

 

 

 

Проверил:

Нарожный Ю. К.

к.г.н., доцент

Выполнили:

Студенты 02804 группы

Баханова С.

Дамбаева Р.

Рощина Ю.

Роленко Т.

Сбитнев А.

Тарасова Т. 

 

 

 

Томск – 2011

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Аэрометоды. Общие сведения

 

В гидрологических исследованиях  и изысканиях аэрометоды играют большую и все возрастающую роль. Применяют аэровизуальные наблюдения, аэрофотосъемку, а также измерение гидрологических характеристик аэрометодами.

Для проведения многих гидрологических  работ используют аэровизуальные наблюдения за снежным покровом и снеготаянием, ледовыми явлениями, ходом половодья, наполнением и опорожнением пойм, а также для предварительного ознакомления с районом исследований и водными объектами.

Аэрофотосъемка с последующим  дешифрированием снимков является распространенным методом в гидрологических  исследованиях. Для количественного определения гидрологических характеристик рек и водоемов аэрофотосъемка сопровождается некоторыми специальными приемами, например запусками поплавков при измерениях скоростей течения и расходов воды.

Расширение возможностей дешифрирования аэрофотоснимков достигается применением цветной, спектрозональной и инфракрасной аэрофотосъемок. Цветная аэрофотосъемка делается на многослойных пленках и дает снимки в цветах, близких к натуральным. Спектрозональная съемка отличается тем, что фотографирование выполняется в определенных узких диапазонах волн видимого спектра. При этом цветовые различия, получаемые не в натуральных, а в условных цветах, резко повышают опознаваемость отдельных элементов местности. Инфракрасную аэрофотосъемку делают в коротковолновой части инфракрасного спектра с длиной волны до 1,1 мкм, при этом лучше передаются элементы растительности, например хорошо различаются хвойные и лиственные породы в лесных массивах, легче дешифрируются увлажненные участки. Инфракрасная аэрофотосъемка дает хорошие результаты при наличии сильной дымки и слабого тумана.

Кроме инфракрасной аэрофотосъемки, применяют тепловую (инфракрасную) аэросъемку, которая выполняется  специальными приборами. Тепловая аэросъемка применяется в двух вариантах:

1. метод сканирования, при котором съемкой охватывается полоса местности под самолетом в направлении полета;
2. метод регистрации профиля (температурного разреза) по линии полета.

Первый метод характеризуется  определенными сложностями методики съемки и дешифрирования результатов и в гидрологических исследованиях находит ограниченное применение. Более широкое применение в них находит второй метод, например для измерения с самолета температуры воды в поверхностном слое водоемов.

Радиолокационная аэросъемка бокового обзора дает возможность получать РЛ-изображения земной поверхности с большой детальностью в любое время суток и при любой погоде. Разработана методика дешифрирования РЛ-изображений с целью изучения различных элементов ландшафта, в частности элементов гидрологической сети (русла и долины рек, озер, болот и др.). Однако возможности РЛ-изображений еще полностью не изучены [5]. РЛ-аэросъемка с успехом применяется, например, для ледовой разведки при проводке судов в северных морях, в геологических исследованиях и др. В гидрологии радиолокационный импульсный метод используется для измерения толщины ледяного покрова [3]. Самолетная гамма-съемка, основанная на поглощении снегом гамма-излучения естественных радиоактивных элементов почв и горных пород, применяется для определения снегозапасов и влагозапасов в почве.

 

1.2 Гидрологическое дешифрирование аэрофотоснимков

 

При гидрологических исследованиях  выполняют специальное дешифрирование аэрофотоснимков для изучения водных объектов и явлений на них: рек, озер, болот, ледников, снежного покрова, ледовых явлений, волнения, переформирования берегов водохранилищ, руслового процесса и др. Методика гидрологического дешифрирования аэрофотоснимков хорошо разработана [4].

Для дешифрирования используют отдельные  аэрофотоснимки, фотосхемы, фотопланы, а при стереоскопическом дешифрировании— стереопары. Аэрофотоснимки обладают большей разрешающей способностью, чем человеческий глаз, поэтому камеральное дешифрирование выполняют с помощью оптических приборов.

Различают монокулярное и стереоскопическое дешифрирование. При монокулярном используют отдельные фотоснимки или фотосхемы и рассматривают их через лупу с увеличением 2—4^х.

При стереоскопическом дешифрировании используют стереопары и рассматривают их в стереоскопические приборы. Для этой цели применяют стереоскопы: линзовые, линзово-зеркальные, зеркальные; для более точных работ используют стереометры и стереокомпараторы.

При дешифрировании обычно выполняют  измерения тех или иных элементов  местности, например ширины реки, длины  участка реки и пр. Измерения лучше выполнять при помощи стереокомпаратора или стереометра, используя при этом стереопары. Но приближенно можно делать измерения и на одиночных снимках, пользуясь измерителем и масштабной линейкой. При этом надо учитывать, что при таком способе погрешность измерения составляет приблизительно 0,2 мм. Например, при масштабе снимка 1 : 10 000 погрешность составит 2 м на местности; если требуется обеспечить точность 10 %, то не следует измерять расстояния менее 20 м в указанном масштабе.

Для измерения на аэрофотоснимках  мелких деталей применяют лупы с  увеличением 10^х, позволяющие измерять с погрешностью до 0,05 мм.

Измерения вертикальных размеров, например высоты берега, делают стереофотограмметрическим  методом.

Опытом гидрологического дешифрирования установлены оптимальные масштабы аэрофотоснимков. Для общей качественной характеристики местности пригодны снимки в сравнительно мелких масштабах. Описание речных водосборов, долин, пойм возможно для равнинных условий по снимкам в масштабе 1 :25000, а для горных условий — в масштабе   1 : 50 000. Для измерительного дешифрирования речного русла требуются снимки в масштабе 1 : 10 000 и крупнее.

Дешифрирование разделяется на камеральное и полевое. При камеральном  изучают по аэрофотоснимку элементы местности, составляют на кальке схему и подробное описание. Полевое дешифрирование делается для проверки и уточнения результатов камерального дешифрирования.

Камеральное и полевое дешифрирование дополняют при надобности аэровизуальным дешифрированием, например при наличии труднодоступных участков.

При камеральном дешифрировании используют дешифровочные признаки местности. Они делятся на прямые и косвенные. Прямые позволяют непосредственно  обнаружить те или иные элементы местности. К прямым признакам относятся: форма и размер изображения на снимке, тон изображения, тень. Тень бывает собственная и падающая. Собственная тень наблюдается на самом предмете, а падающая — на прилегающей к предмету местности. Падающая тень помогает определить форму предмета, например тень от моста выявляет его конструкцию.

Косвенными признаками называют такие, которые позволяют определить наличие  других, связанных с ними признаков  и объектов. Например, дорога, подходящая с обоих берегов к реке, позволяет судить о наличии брода, о твердом дне, о небольшой глубине и малой скорости течения воды; наличие соснового леса — о песчаной почве, елового — о глинистой и т. д. Косвенных признаков очень много. При дешифрировании используют прямые и косвенные признаки.

Дешифрирование аэрофотоснимков позволяет определять:

• наличие и местоположение водных объектов на изучаемой местности;
• границы водосборов, их площади и характеристики: рельеф, залесенность, заболоченность и пр.;
• характер и размеры речных долин и пойм, озерных котловин;
• характеристики речного русла: ширину, извилистость, направление и скорость течения, русловые образования, наличие водной растительности и пр.;
• наличие на реке гидротехнических сооружений, мостов, переправ, бродов, запаней.

Дешифрирование начинают с  общего ознакомления с изображенной на снимках местностью. Для общего обзора исследуемого района используют репродукцию накидного монтажа или фотосхему. При наличии карты этой местности параллельно пользуются ею; по карте делают измерения в случае, если снимки не трансформированы.

Дальнейший порядок дешифрирования зависит от размера территории и поставленной задачи. После установления границ водосбора описывают характеристики бассейна, затем долину, пойму, русло. На кальку снимают контуры элементов ситуации и обозначают в условных знаках. По результатам дешифрирования составляют подробное гидрографическое описание.

Водораздельные линии  речных бассейнов легко распознаются в местностях с хорошо выраженным рельефом. При слабо выраженном рельефе определение границ водосборов иногда вызывает большие затруднения. Например, в районе освоения целинных земель Северного Казахстана в условиях равнинного рельефа границы водосборов были определены путем выявления на аэрофотоснимках микросети временного стока, а также по контрасту тональности заснятой поверхности: наиболее увлажненным участкам (пониженным) соответствует наиболее темный тон изображения. Эти признаки лучше выявились на снимках, сделанных в конце снеготаяния.

Речные долины на аэрофотоснимках  распознаются по наличию реки, которая обычно хорошо просматривается на снимке. Рельеф долины, коренные берега определяются по теням. При дешифрировании сначала определяют формы рельефа долины вдоль реки, затем измеряют отдельные элементы долины, изучают изображения отдельных характерных участков.

Пойма реки рассматривается  и дешифрируется по участкам. Определяется ее расположение относительно реки, размеры, характер растительности (луг, кустарник, лес), заболоченность. Болота на аэрофотоснимках изображаются характерным рисунком, по которому различают тип болота.

Рис. 1 Аэрофотоснимок реки

 

Русло реки легко различается на аэрофотоснимках. При дешифрировании русла определяют его контуры, выявляют разветвленность, извилистость, наличие островов, рукавов. Определяют русловые образования: косы, отмели, пороги, водопады и пр. При прозрачной воде просматривается рельеф дна (рис. 1). Песчаные отмели на снимках имеют белый тон без заметной структуры, но при наличии даже очень тонкого слоя воды на них просматривается рельеф дна. Перекаты определяют по более светлому тону дна, плесы — по наиболее темному. Пороги узнают по белым рассредоточенным вытянутым полосам, водопады — по белой полосе поперек русла. При рассмотрении реки на аэрофотоснимке можно сделать вывод о прозрачности воды: чистая вода при больших глубинах имеет темный тон, а при малых глубинах просматривается дно. Мутная вода имеет на снимках светлый тон. Водная растительность в русле различается по характерной зернистой структуре рисунка и более светлому тону по сравнению с темным тоном воды.

Берега реки лучше дешифрируются  при стереоскопическом рассмотрении. Высота и крутизна берега определяются стереофотограмметрическим методом. Но можно оценить характер берега и при монокулярном дешифрировании по наличию тени и ее очертанию.

Направление течения определяется по ряду признаков (рис. 2). Притоки, как правило, впадают под острым углом, вершина которого направлена вниз по течению. Острия извилин береговой линии направлены обычно вниз по течению; заводи — слепым концом против течения; острова - тупым концом против течения. Песчаные гряды, просматривающиеся на мелководье, пологим откосом направлены против течения. Ледорезы мостов направлены вверх по течению.

Рис. 2. Схема к определению  направления течения реки.

а – широкая часть острова навстречу течению, заостренная – по течению, б – широкая часть отмели навстречу течению, в – устье притока под острым углом к течению, г – заводь вверх по течению, д – ледорезы моста вверх по течению, е – белые пятна вспененной воды на порогах, у камней вытянуты вниз по течению.

Скорость течения воды при дешифрировании определяется приближенно по косвенным признакам, основными из которых являются следующие. Большая извилистость равнинной реки свидетельствует о небольшой скорости, порядка 0,3 м/с. Наличие водной растительности говорит также о малой скорости течения. Поверхность воды реки изображается без видимых структурных образований при скоростях до 1,5 м/с. Структурное изображение водной поверхности говорит о больших скоростях. При обтекании препятствий наблюдаются отжимы струй и завихрения; при скоростях 1,5—2,0 м/с и более они хорошо просматриваются на аэрофотоснимках, причем чем больше скорость, тем больше угол расхождения струй за обтекаемым препятствием.