Сергей Корсей, Дмитрий Парамонов
ЗАО ППФ «Диорит», Москва, тел.: 241-83-81, 241-49-66
Трудно найти место на нашей планете, где человек мог бы почувствовать себя полностью защищенным от стихийных явлений. А в горах опасность природных катаклизмов возрастает многократно. В то же время, горы прекрасны и, что столь же привлекательно, в них много богатых месторождений полезных ископаемых. Поэтому люди живут и ведут хозяйственную деятельность в горной местности. В том числе и в зонах селевой и лавинной активности.
Одним из таких районов является Северный Кавказ. Прошел год с того момента, когда поток из валунов, грязи и льда, вызванный обвалом на леднике Колка, стер с лица земли поселок Нижний Кармадон и в прямом смысле унес более 100 человеческих жизней.
А двумя годами ранее, 18-25 июля 2000 г., сели обрушились на город Тырныауз в долине р. Баксан. В результате, по официальным данным, погибло 8 человек, ущерб составил миллиарды рублей, было полностью разрушено несколько многоквартирных домов. Описанные ниже разработки велись по этому району.
Сели
Сель представляет кратковременный паводковый или прорывной водный поток с высоким содержанием грязекаменного материала. Причины их возникновения — интенсивные и продолжительные ливни, бурное таяние снега и льда в горах, прорывы ледниковых озер. В результате прорыва перемычки запрудного озера или перенасыщения влагой грунта в верховьях реки образуется поток, в который по мере его продвижения вниз по долине вовлекается смываемый материал. Процесс развивается лавинообразно, сотни тысяч кубических метров пульпы и обломков горных пород представляют реальную опасность, и даже селезащитные сооружения не всегда выполняют удерживающую и отводящую функцию.
Мониторинг селей
Для прогнозирования и предупреждения схода таких потоков необходимо вести регулярные наблюдения и исследования селевых процессов, очагов зарождения и путей движения селей. В этой деятельности неоценимую помощь могут оказать ГИС-технологии, позволяющие провести комплексный анализ условий формирования селей и оценку последствий их схода. Для мониторинга селеопасных районов необходимы разнообразные информационные ресурсы, в том числе картографические материалы, данные дистанционного зондирования, различные описания. Эти ресурсы используются для наполнения ГИС, составления отчетов, рекомендательных писем, проведения исследований, создания крупномасштабных тематических карт. При этом качество и ценность конечного результата во многом определяется применяемым программным обеспечением, средствами ввода, вывода и обработки информации.
ГИС является наиболее подходящим инструментом для хранения, обработки и анализа результатов наблюдений. Одно из самых важных достоинств ГИС — возможность многоуровневого синтеза и анализа. Совмещая тематические данные различного содержания и анализируя результаты такого синтеза, мы можем получить новую информацию и провести комплексный анализ широкого спектра факторов и условий селеформирования. Анализ можно проводить на разных масштабных и временных уровнях.
Рис. 1. Карта условий формирования селей в бассейне реки Герхожан-Су; а) селевой конус выноса у г. Тырныауз, б) очаг селеформирования.
Рис. 2. Фрагмент карты очага селеформирования.
ГИС селеопасных районов
Основой для ГИС селевых районов является цифровая модель рельефа, представляющая собой GRID с пространственным разрешением 10м, данные цифровой аэросъемки, топографические карты. Эти материалы явились базой для создания тематической серии: геоморфологических, инженерно-геологических, физико-географических карт масштаба 1:25 000 — 1:50 000. На их основе разрабатывается синтезированная карта условий селеформирования на территорию селевого бассейна масштаба 1:10 000 — 1:25 000 (рис. 1). Далее, используя результаты полевых исследований и аэроснимки высокого разрешения, создаются карты очагов селеформирования, участков селевого вреза, зон подпитки, конуса выноса масштаба 1:5000 — 1:10 000 (рис. 2). Отдельно разрабатывается содержание карт и планов населенных пунктов, промышленных объектов, селезащитных сооружений (масштабы 1:1000 — 1:10 000). Составляются карты оценки последствий схода катастрофических селей (рис. 3).
Рис. 3. Фрагмент карты оценки последствий схода селя 2000 г.
Кроме аналитических карт, ГИС включает в себя базу пространственных данных, накопленных за историю исследований селевого района, в том числе картографические материалы, обычно в растровом виде. Не следует пренебрегать и текстовыми материалами. В научных работах по данной тематике обычно имеются косвенные или прямые пространственные ссылки, например «оползневой склон в месте слияния рек Герхожан-Су и Каяарты-Су». Выявление и локализация данных ссылок является занятием достаточно творческим, так как описания часто расплывчаты. Но в результате можно получить дополнительную информацию по интересующему участку.
Достаточно часто в процессе работы требуется осуществлять визуальное сравнение двух и более источников. Использование функций задания прозрачности и штриховки не всегда дает нужный результат. Иногда пользу могут принести нестандартные подходы, такие как метод «псевдорельефа», примененный нами при составлении карты очага селеформирования.
Разработанный метод заключается в следующем. При дешифрировании снимка, представленного в оттенках серого цвета, объекты определяются по характерному сочетанию пикселей разной яркости, то есть по совокупности яркостных характеристик. Площадные объекты часто содержат в себе текстуру, также выражающуюся на снимке пикселями разной яркости. Задание снимку прозрачности и его наложение на карту позволяют добиться передачи текстурных особенностей, свойственных объектам (рис. 4а).
Рис. 4. Совмещение цифрового аэроснимка с картой очага селеформирования:
а) изменением прозрачности,
б) методом «псевдорельефа».
В реальном мире мы воспринимаем объект в трех измерениях. Если мы видим, например, красный шар, то его граница красного цвета имеет вид окружности, а наличие теней является признаком объемности и позволяет сделать вывод, что это шар. То есть, имея характеристику объекта Х,У, мы можем отобразить параметр Z, при этом не нанося ущерб читаемости и сохраняя наглядность изображения. В случае показа местности, Х,У — плановые координаты а Z — высота.
Данная особенность широко применяется при отображении рельефа отмывкой, однако она применима и для передачи другой информации, например, текстурных особенностей фотоснимка. Черно-белое фотоизображение достаточно просто представить как модель рельефа, где яркость пикселя пропорциональна высоте. Если на данную модель наложить соответствующую карту и задать ее освещенность под острым углом к поверхности, то получим два слоя, воспринимаемые в разных плоскостях. За счет этого они не будут перегружать карту, как происходит при обычном наложении, а, сочетаясь, дополнят друг друга (рис. 4б).
Такой способ представления данных был применен для картографирования очага селеформирования масштаба 1:10 000. В результате на карте с «псевдорельефом» проявились текстурные особенности внутри каждого типа контуров. В пределах границы ледника стала отчетливо видна трещиноватость, в долине реки проявились старые русловые формы, на коллювиальных склонах стала видна расчлененность рельефа. Тальвеги обвально-осыпных склонов, проявившиеся в результате наложения, позволяют судить о доминирующих направлениях миграции вещества. Одним из достоинств данного способа отображения является сочетание возможности анализа реальной действительности аэроснимка и ее интерпретации картографом-составителем.
Итог
Результат наших разработок — многоуровневая геоинформационная система, ориентированная на оценку селевой опасности и мониторинг селевых процессов. Разработанная структура ГИС может использоваться для геоинформационного картографирования горных районов. Данная система открыта для оперативного решения аналитических задач: пространственного моделирования, инженерных расчетов. Разработка новых способов отображения позволяет повысить скорость и качество анализа. Основная задача данной ГИС — предупреждение и сведение к минимуму ущерба, причиняемого селями.