Применение аэро- и космических методов в гидрологических исследованиях

Рис. 9. Схема полетов при измерении расхода воды.

Выход масла из сосудов происходит в течение 7—8 мин; за это время  самолет успевает сделать не менее  двух заходов и выполнить основную аэрофотосъемку. На снимках фиксируется  река, оба берега с опознавательными знаками направления створа и места выхода масляных пятен на поверхность воды.

Рис. 10. Схема к определению расходных отрезков.

1, 2, 3 ...— места падения  сосудов — всплески; 1', 2', 3' ...—  места выхода масла на поверхность  воды.

По обработанным аэрофотоснимкам, сделанным при сбрасывании сосудов (вспомогательные) и при всплытии масла на поверхность воды (основные), определяют длины расходных отрезков. Для этого сначала выполняют дешифрирование; на аэрофотоснимках, сделанных при сбрасывании, опознают места падений каждого сосуда, а на основных снимках — соответствующие места выхода на поверхность масла. Затем на листе бумаги вычерчивают в заданном масштабе план участка реки, проводят линию створа. С аэрофотоснимков на план переносят точки падения сосудов и выхода масла на поверхность воды (рис. 10). Измеряют расстояния от линии створа до точек падения сосудов и до мест выхода масла с погрешностью 0,1 мм. Длина расходных отрезков

,

где

- расстояние от линии створа до точки выхода масла; сосуда; знак плюс, когда точка выше створа, и наоборот.

 

Значения измеренные на основных снимках для одной и той же вертикали, не будут строго одинаковы в связи с турбулентными пульсациями скорости течения, в результате чего точка выхода масла на поверхность воды перемещается; в расчет принимается среднее значение . Измеряют расстояния S_i от постоянного начала или от уреза воды до вертикалей, за которые принимают проекции точек падения сосудов на линию створа.

Для вычисления расхода воды формула непосредственно не применяется, так как в нее входит скорость всплывания поплавка vu которая в турбулентных потоках не является постоянной, как это имеет место в спокойной воде или ламинарном потоке. Б. К. Малявский предложил эмпирическую зависимость, полученную по данным натурных исследований на различных реках, по которой с достаточной точностью определяется элементарный расход на вертикали

q=0,135l,

где l – расходный отрезок/

Пользуясь этой формулой, можно, зная значения расходных отрезков и расстояния между вертикалями, построить эпюру распределения элементарных расходов по гидроствору и, определив ее площадь, вычислить значение расхода воды.

Другим вариантом интеграционного  способа измерения расхода воды является способ, разработанный в ГГИ. Методика его применения подробно изложена в Методических рекомендациях [9].

Для измерения расхода с самолета сбрасывают «гидробомбы», специальные  устройства, состоящие из баллона, деревянного  стабилизатора и поплавка, отделяющегося при ударе о поверхность воды.

В баллон заливается жидкий индикатор  — смесь отработанного масла с керосином. При ударе о дно реки масло выходит из баллона через пять специальных отверстий.

Поверхностный поплавок, указывающий  на снимке место падения гидробомбы, делается пластмассовым или деревянным. Места выхода масла на поверхность воды легко опознаются на аэрофотоснимках. Значения элементарных расходов воды на вертикалях определяются по формуле

 ,

где L – расстояние между точкой падения гидробомбы и местом выхода масла на поверхность воды; u₁ – скорость погружения гидробомбы на дно, u₂ – скорость всплывания масла. u₁ и u₂ определяются эмпирически в лабораторных условиях, L измеряется на аэрофотоснимках.

Значение расхода воды определяется путем интегрирования эпюры элементарных расходов воды по ширине реки.

По данным |9| этот способ характеризуется погрешностью в определении расхода 5—10 %.

3.3 Глубина рек и водоемов

 

Измерение глубин рек и водоемов по аэрофотоснимкам можно делать двумя способами: стереофотограмметрическим и фотометрическим. Каждый из этих способов имеет ограничения в применении, поэтому их обычно сочетают.

Стереофотограмметрический способ применим только в случаях, когда на снимках сквозь слой воды просматривается дно. Глубины определяют при помощи стереометра или стереокомпаратора на стереомодели местности. Измеряют разность продольных параллаксов для точек дна относительно уреза воды. Вследствие преломления лучей при переходе из воздушной среды в водную глубина получилась бы заниженной. Для получения истинной глубины вводят поправочный коэффициент.

Фотометрический способ основан на зависимости плотности фотографического изображения водной поверхности  от глубины при обязательном условии, что дно на участке однородно.

Для определения глубин измеряют оптические плотности негатива по линии створа в отдельных точках при помощи микрофотометра. Значения оптических плотностей получают путем отсчета по шкале прибора или в виде графика — регистрограммы, выражающей изменение плотности вдоль створа. Определение глубин по измеренным оптическим плотностям выполняют на основе измерения глубин в нескольких опорных точках. Обычно это делают стереофотограмметрическим способом, выбирая на снимке в пределах створа точки, в которых просматривается дно.

Применение фотометрического способа  может быть ограничено вследствие мутности воды, характера освещенности, наличия  водной растительности. При глубинах более 4—5 м тон изображения водной поверхности на аэрофотоснимках практически остается постоянным. При благоприятных условиях глубины можно измерять описанным способом с погрешностью до 8—10%.

3.4 Отметки уровня воды

 

Отметки уровней воды определяют по превышениям, измеренным на аэрофотоснимках (стереопарах) стереофотограмметрическим  способом, между урезом воды и некоторыми опознанными точками на берегу.

Опознанная точка может быть привязана нивелировкой к реперу. По значению превышения вычисляют отметку уровня воды.

Как показали сравнительные определения  отметок уровня воды на гидрологических постах обычными гидрометрическими способами и аэрофотометодом, расхождения в отметках уровней составляют в среднем ±0,05 м.

3.5 Температура воды

 

Как указывалось, применяются два  метода тепловой (ИК) аэросъемки, основанные на регистрации излучаемой тепловой радиации, т. е. собственного инфракрасного излучения наблюдаемых объектов в диапазоне длин волн 8—13 мкм.

Одним из этих методов является метод  сканирования. При этом получается непрерывное изображение полосы местности, составленное сканирующими линиями, перпендикулярными направлению полета. Излучаемая инфракрасная радиация воздействует на детектор, дающий электрические сигналы, пропорциональные величине радиации. Запись сигнала может осуществляться на магнитную ленту, воспроизводиться на экране электронно-лучевой трубки или на фотопленке. Магнитная запись и фотоизображение позволяют определять температуру. Изображение, полученное на фотопленке, анализируют на микрофотометре: измеряют оптические плотности отдельных участков. Значения оптических плотностей характеризуют температуру воды или иных участков местности. Этим путем могут производиться различные гидрологические исследования, например определение циркуляции и характера охлаждения воды в водохранилищах, измерение температуры воды в реках, исследование температурного режима участка сброса горячих вод тепловых электростанций, обнаружение подводных источников и др.

Другой метод измерения температуры  поверхности воды с самолета основан на применении радиационного термометра. Это устройство позволяет определять температуру воды по линии полета самолета. Детектор — термисторный болометр — через оптическую систему воспринимает поочередно инфракрасную радиацию от поверхности воды (или других элементов ландшафта) и от точно калиброванного черного тела. Разность между двумя излучениями превращается в электрические сигналы, величины которых изменяются в зависимости от температуры подстилающей поверхности— воды или других элементов местности. Лучистая энергия проходит через оптический фильтр, который ограничивает передачу в диапазоне длин волн 8—13 мкм. Погрешность в определении температуры составляет в среднем ±0,2 °С. Значение измеряемой температуры отсчитывается по шкале или записывается на ленте. Имеются радиационные термометры другого устройства.

На рис. 11 приводится пример записи температуры поверхности воды. При полете самолета над водоемом по специально намеченным галсам можно получить температурные профили и на их основе построить изотермы водной поверхности. На рис. 12 приведен план озера Онтарио по данным аэросъемки радиационным термометром; изотермы показывают прибрежное прогревание воды.

Рис. 11. Запись радиационного термометра с высоты 300 м; показывает нагревание воды озера Онтарио в устье р. Ниагары.

 

Рис. 12. План оз. Онтарио с изотермами поверхности воды

Измерение температуры воды аэрометодами имеет большое значение для быстрой  синхронной съемки температурного поля больших водных объектов.

Большие работы по аэросъемкам температуры  водной поверхности проводились  лабораторией аэрометодов Ленинградской гидрометеорологической обсерватории. Эти работы впервые позволили получить синхронные карты температурного поля крупных озер (Ладожского, Онежского) и морей. Карты с изотермами водной поверхности могут передаваться непосредственно с самолета всем заинтересованным организациям по радиотелеграфу. Аэрометоды позволяют совмещать температурную съемку водной поверхности с другими видами съемки, например с ледовой разведкой.

Измерения радиационным термометром  дают температуру воды в самом  поверхностном слое толщиной около 50 мкм. Это имеет большое значение, так как установлено, что температура именно этого слоя характеризует испарение с водной поверхности; во многих случаях она служит достаточной характеристикой для выявления особенностей атмосферных процессов над данной территорией, так как учитывает радиационные свойства поверхности и теплофизические характеристики нижележащих слоев. В верхнем слое воды имеется обратный вертикальный температурный градиент. Измерение температуры воды на глубине 10 см, как это обычно принято, не характеризует температуру самого поверхностного слоя. По имеющимся данным, в этом слое температура воды на 0,3—1,2°С ниже, чем в нижележащих слоях.

4 Использование космической информации для гидрологических исследований

Космические наблюдения и дистанционные  измерения производятся с искусственных спутников Земли, пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций.

Съемка земной поверхности из космоса  производится в определенных диапазонах волн электромагнитных излучений, так как не все они проникают через атмосферу. Уходящее от Земли электромагнитное излучение проходит через «окна прозрачности», лежащие в диапазонах волн 0,375—2,5 мкм (видимый и ближний инфракрасный диапазон), 3—6 мкм (промежуточный инфракрасный), 8—13 мкм (тепловое инфракрасное излучение) и 0,5 см — 4,0 м (сверхвысокочастотное радиоизлучение). В соответствии с этим применяются способы приема и регистрации информации.

Визуальные наблюдения производятся космонавтами пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций через иллюминаторы и с помощью специального оптического визира. С высоты орбиты 200—300 км отчетливо различаются речная сеть, озера, водохранилища, каналы, горные хребты и ледники на них, снежный покров. Хорошо различаются цвета отдельных элементов земной поверхности. В космических исследованиях природной среды визуальные наблюдения хотя и играют важную, но вспомогательную роль.

Фотографическая съемка производится с пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций специальными фотоаппаратами. Изображение получается на фотопленке, обработка которой делается на Земле. Съемка может производиться на черно-белую или цветную пленку или же в отдельных узких диапазонах спектра. Используется аппаратура КАТЭ-140 и МКФ-6.

Многозональная фотосъемка производится в нескольких, например в шести, узких зонах спектра, при этом получается несколько (например, шесть) одновременно сделанных снимков одной и той же территории. Многозональная съемка значительно повышает информативность снимков.

Рис. 13. Принцип работы многозонального сканера [12].

l — качающееся зеркало, осуществляющее сканирование перпендикулярно трассе полета; 2 — зеркальный объектив; 3 — система разделения по зонам спектра; 4а, 4б, 4в — приемники узкоспектрального излучения.

Фотоснимки характеризуются большой  разрешающей способностью по сравнению с другими видами космической информации. Наибольшее разрешение достигается применением длиннофокусных объективов, но при этом уменьшается обзорность, которая вообще является важным качеством космических снимков.

Телевизионная съемка производится с  искусственных спутников Земли  и передается на наземные приемные станции по радио непосредственно или после предварительной записи на магнитную ленту, затем воспроизводится в виде фотоизображений. Телевизионная съемка может выполняться оптическими или оптико-механическими системами. Оптические системы дают покадровое изображение местности, оптико-механические работают методом сканирования, т. е. дают изображение полосы земной поверхности по линии полета спутника (рис. 13). Применяется многозональная телевизионная съемка. Разрешающая способность телевизионных изображений ниже, чем при фотографической съемке. Преимущество телевизионной съемки в большой оперативности: информация может быть передана на Землю и доставлена потребителю по радио сразу же в ходе ее приема, что во многих случаях бывает необходимо.

С помощью фотографических и  телевизионных систем могут регистрироваться электромагнитные излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазонов.