ГИС при прогнозировании экзогенных геологических процессов

Олег Зеркаль, ФГУЦ «НИЦ ГидГео», Москва, тел.: 959-7901

Одной из составных частей государственного мониторинга состояния недр, осуществляемого Министерством природных ресурсов Российской Федерации (МПР), является прогноз изменения геологической среды под влиянием естественных природных факторов, недропользования и других видов хозяйственной деятельности. В соответствии с этим, по заданию МПР, в составе работ по ведению мониторинга опасных экзогенных геологических процессов (ОГП) ежегодно составляется «Прогноз развития экзогенных геологических процессов на территории Российской Федерации».

Научно-методические подходы к подготовке прогнозных региональных оценок развития ОГП на базе анализа обуславливающих их факторов длительное время разрабатывались специалистами МГУ, ВСЕГИНГЕО, ПНИИИС и других научных и производственных организаций. Результаты прогнозов представлялись в виде картографических материалов в традиционном исполнении. Широкое использование геоинформационных технологий при ведении государственного мониторинга состояния недр создало предпосылки применения развитых методов картографического моделирования для регионального прогнозирования развития ОГП.

Прогноз развития экзогенных геологических процессов на территории Российской Федерации составляется на основании прогнозных оценок ожидаемых значений элементов метеоклиматических условий, данных об инженерно-геологических условиях, материалов о распространении, активности и масштабах проявления этих процессов на территории Российской Федерации, получаемых службой государственного мониторинга состояния недр.

Получаемые при ведении мониторинга ОГП фактографические данные о распространении, активности и масштабах их проявлений в соответствии с установленным регламентом поступают на федеральный уровень, накапливаются Госцентром «Геомониторинг» и интегрируются в среду ArcGIS, которая широко используется в геологической отрасли России. Представленные в электронном виде картографические материалы об инженерно-геологических условиях и пораженности ОГП территории Российской Федерации также накапливаются в Госцентре «Геомониторинг» ФГУЦ «Гидгео». Одна из базовых карт, используемых в системе государственного мониторинга состояния недр, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Учетные объекты федерального уровня подсистемы мониторинга экзогенных геологических процессов.

Как было отмечено, важной составляющей подготовки прогноза развития ОГП являются оценки ожидаемых значений элементов метеоклиматических условий. Такие оценки проводятся специалистами Метеорологической обсерватории Географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и представляются в виде табличных данных (свыше 24 тыс. значений для годового хода метеоэлементов). Привязка этих данных к точечному покрытию расположения метеостанций позволяет использовать для их обработки методы пространственного анализа. Анализ представительности данных в ArcGIS показал, что 20% метеостанций, используемых при подготовке прогнозов, расположены в регионах с высокой пораженностью опасными экзогенными геологическими процессами, 54% метеостанций находятся в регионах со средним уровнем пораженности ОГП, 26% расположены в регионах, характеризующихся низкой пораженностью ОГП. То есть, представительность исходной информации о метеоклиматических условиях достаточна.

При подготовке прогнозов развития ОГП используется ряд процедур картографического анализа. Сначала на точечное покрытие, содержащее местоположения метеостанций, накладываются табличные данные об ожидаемых аномалиях атмосферных осадков и температуры воздуха. Затем в модуле Spatial Analyst с помощью метода «определения близости» проводится типизация территории Российской Федерации по аномалиям ежемесячных метеоклиматических условий. Наконец, выделяются градации ожидаемых отклонений метеоусловий. Так, в приведенных на рис. 2-3 примерах картографических материалов, полученных в ходе разработки прогнозов месячных аномалий атмосферных осадков и температуры воздуха на 2002 г., таких градаций три: ниже среднемноголетних значений; близко к среднемноголетним значениям; выше среднемноголетних значений.

Рис. 2. Прогнозные суммы атмосферных осадков за май 2002 г. относительно нормы.

Рис. 3. Прогнозные значения средней температуры воздуха за май 2002 г. относительно 2001 г.

Далее, согласно представлениям о влиянии метеоклиматических факторов на развитие опасных экзогенных геологических процессов и определенным критериям оценки такого влияния, проводится типизация территории по степени прогнозных сезонных изменений этих элементов. В годовом цикле выделяется весенне-летний (март-июнь), летний (май-август), летне-осенний (июль-октябрь) сезоны. Их временное перекрытие обусловлено широким разнообразием природно-климатических условий на территории Российской Федерации. Для каждого из этих сезонов выполняется типизация территории страны по интенсивности метеоклиматических аномалий. Характеристика метеоусловий в весенне-летний сезон важна при прогнозе активности развития оползневых и эрозионных процессов, а их состояние в летний сезон следует учитывать при прогнозировании как гравитационных процессов, включая сели, так и эрозионных процессов. Анализ метеоклиматических условий в летне-осенний сезон проводится с целью прогноза развития, в первую очередь, оползневых процессов.

Рис. 4. Прогноз аномалий атмосферного воздуха в весенне-летний сезон 2002 г.

Рис. 5. Прогноз интенсивности аномалий атмосферных осадков в весенне-летний сезон 2002 г.

В приведенном на рис. 4 примере для всех выделенных сезонов выделено по пять градаций сезонных изменений элементов метеоклиматических условий. Дополнительно, для указанных сезонов была проведена оценка ожидаемых величин аномалий метеоклиматических элементов. В ней используется метод «сплайн» — одна из функций модуля Spatial Analyst. На составленных картах величины аномалий метеоэлементов даны в процентном соотношении к среднемноголетним значениям (рис. 5).

Для составления прогнозных карт активности опасных экзогенных геологических процессов на территории Российской Федерации в 2002 г. был осуществлен пространственный анализ набора покомпонентных картографических материалов. За основу были взяты карта районирования территории по степени опасности ОГП и прогнозные оценки динамики элементов метеоклиматических условий. Детализация обобщенной информации, представленной на карте районирования по степени опасности ОГП, проводилась по карте районирования по геоморфологическим условиям, которая, в числе прочего, использовалась для выделения объектов мониторинга (рис. 1).

Для получения прогнозных карт активности опасных экзогенных геологических процессов на территории Российской Федерации в 2002 г. было выполнено пространственное моделирование. Оно позволило по набору природных факторов выделить регионы, близкие по условиям развития ОГП. Моделирование проводилось в несколько этапов:

            — анализ и ранжирование исходных покомпонентных карт;

            — последовательное «наложение с пересечением» исходных покомпонентных картографических материалов;

            — расчет «весов регионов» по условиям развития ОГП;

            — типизация территории по активности ОГП.

Анализ и ранжирование исходных покомпонентных карт выполнялись с целью определения степени влияния выделенных регионов («весов регионов») на общую активизацию ОГП. Например, для карты районирования территории Российской Федерации по степени опасности ОГП было приняты три весовые градации (табл. 1).

Таблица 1

«Весовое» ранжирование территории по степени опасности развития ОГП

Следующий этап анализа — выполнение операций последовательного «наложения с пересечением» исходных покомпонентных картографических материалов. Применяется следующий порядок процедуры наложения для прогноза развития ОГП в течение трех выделенных сезонов: районирование по степени опасности ОГП; районирование по ландшафтно-геоморфологическим условиям; прогнозируемые сезонные аномалии атмосферных осадков. Для прогноза развития селевых процессов в летний период на третьем этапе проводится наложение прогнозируемых аномалий температуры атмосферного воздуха в этот период.

В результате выполнения оверлейных операций были получены три (по сезонам) результирующие карты, показывающие все возможные комбинации пространственной группировки факторов, влияющих на развитие ОГП в течение анализируемого года.

Рис. 6. Прогноз развития экзогенных геологических процессов в марте-июне 2002 г.

Для результирующих карт был рассчитан «вес регионов» по условиям развития ОГП. В составе всего набора таксонов выделилось 22 категории. В дальнейшем, для двух комплексных карт было выполнено ранжирование набора полученных таксонов на шесть типов (рис. 6). В итоге был получен набор картографических материалов по региональной прогнозной оценке развития опасных геологических процессов на территории Российской Федерации.

Анализ достоверности и оправдываемости полученных прогнозных оценок опасных экзогенных геологических процессов осуществлялся по данным наблюдений в составе государственного мониторинга ОГП. Судя по представленному на рис. 7 примеру по Северо-Кавказскому региону, можно говорить о высокой сходимости прогнозных и фактических значений интенсивности развития ОГП.

Рис. 7. Развитие опасных экзогенных геологических процессов на территории Южного Ф.О. в результате катастрофического паводка в июне 2002 г. (А) и прогноз развития ОПГ на март-июнь 2002 г. (Б).

Таким образом, использование ГИС технологии для картографического анализа и последующего картографического моделирование позволило в сжатые сроки выполнить прогнозные региональные оценки ожидаемой активности опасных экзогенных геологических процессов в составе работ по государственному мониторингу состояния недр, осуществляемому МПР России. В дальнейшем предполагается продолжить совершенствование разработанных методических подходов, провести в среде ArcGIS углубленную проверку эффективности процедур картографического анализа с целью повышения достоверности получаемых прогнозных оценок.