Введение 5
Глава 1. Общие сведении о зонах затоплении
1.1. Определение термина «зона затопления» 9
1.2. Экологические и экономические аспекты установленных зон затопления.
Градостроительное значение установления зон затопления _ (О
1.3. Обзор российских законодательных актов, определяющих понятие
«зоны затопления», требования к их установлению, описанию и постановке На учет
Глава 2. Краткая географическая характеристика р. Вятка и ее бассейна, условия формирования максимального стока воды IS
2.1. Географическое положение и размеры исследуемой территории 15
2.2. Геологическое строение и рельеф 16
2.3. Климатические условия
2.4. Почвенно-растительный покров 21
2.5. Антропогенная освоенность и хозяйственное использование реки 24
2.6. Общая характеристика режима рек 26
2.6.1. Водный режим 27
2.6.2. Уровенный режим 29
2.6.3. Термический и ледовый режим 30
Глава 3. Исходные данные и методика определения гранки зон затопления
р. Вятка в черте г. Киров 33
3.1. Кроткие сведения об источниках гидрометрической информации и
высоких уровнях воды заданной обеспеченности .. 33
3.2. Построение границы зоны затопления по космическим снимкам 34
3.2.1. Краткая характеристика используемых космических снимков 34
3.2.2. Предпроцессорная подготовка снимков «... 33
3.2.3. Расчет обеспеченности уровня высоких вод на дату съемки 38
3.2.4. Технология построения границы зоны затопления по космическим
снимкам .. „ 40
3.3. Построение границы зоны затопления по картографическим материалам 41
3.3.1. Краткая характеристика используемых картографических источников 41
3.3.2. Расстановка расчетных точек и вычисление в mix расчетных уровней 42
3.33. Перенос вычисленных уровней ыа береговую зону и построение границы зоны затопления _ 44
3.4. Построение границы зоны затопления по цифровой модели рельефа
3.4.1. Краткая характеристика цифровой модели
3.4.3. Получение изображения и построение границы зоны
Глава 4. Построение и анализ карт зон затопления 30%-ной обеспеченности
р. Вятка в черте г. Киров 48
4.1. Анализ конфигурации, структуры и аномалий зон затопления,
4.1.1. Зона затопления на космическом снимке DigitalGlobc 48
4.1.2. Зона затопления на топографическом плане масштаба 1:2 0(30 49
4.1.3. Зона затопления на топографической карте масштаба 1:10 000.„...50
4.1.4. Зона затопления на цифровой модели рельефа SRTM 1" 51
4.2. Оценка точности проведения гранил зон затопления, построенных по разным источникам, в векторном формате .. 52
4.2.1. Выбор эталонного изображения 52
4.2.2. Расстановка оценочных точек и вычисление смещения границы зон затопления между эталонным и сравниваемым изображениями 53
4.2.3. Гистограммы эмпирического распределения величин смещения н их выравнивание по закону нормального распределения 54
4.2.4. Оценка доли длин границ зон затопления, проведенных с ошибкой, нс превышающей заданную 59
4.3. Оценка точности проведения границ зон затопления, построенных по разным источникам, в растровом формате
4.3.1. Общая технология растеризации векторных изображений 62
4.3.2. Наложение н получение производных классифицированных
растровых изображений 62
4.3.3. Анализ размещения, площади н конфигурации участков с
несовпадающими классами 63
4.4. Диализ возможных причин возникновения смещений границ зон затопления, построенных по разным источникам
Заключение
Список литературы....
Экстремально высокие уровни воды в реках, вызванные весенним половодьем и дождевыми паводками, заторами, зажорами, нагонами на устьевых участках рек постоянно угрожают жизни населения а различных регионах России и причиняют огромный материальный ущерб. Надежная оценка вероятных зон затопления а паводкоопасных регионах России - актуальная прикладная задача гидрологии. Законодательство РФ предусматривает следующие мероприятия по предотвращению последствий паводков и половодий: построение карт риска и оценки ущерба от наводнений; прогнозирование площадей затопления; урегулирование и упорядочение землепользования; осуществление действий 8 чрезвычайных ситуациях; разработку н внедрение нормативно-методической базы и административно-правовых и законодательных документов и актов |2,12|.
При практической реализации процедуры определения границ зон затопления всегда остаются сомнения я правильности их проведения, иными словами - сомнения в степени соответствия положения границы, проведённой по картографическим изображениям, фактическому положению той же границы на местности. Сведения о действительном (фактическом) местоположении границ зон затопления могут быть получены из натурных наблюдений (например, при опросах местных жителей или топографической съёмке а момент установления высоких уровней). Однако более универсальным инструментом выступает анализ космических снимков высокого пространственного разрешения, сделанных (три прохождении высоких паводков м половодий.
В методах построения зон затоплений, основанных на использовании цифровых топографических карг местности, недостаточно рассмотрены проблемы совместной обработки разнотипной пространственной информации, такой как цифровые карты местности, космические снимки и данные с гидрологических постов наблюдения.
Так, при организации их совместной обработки возникает значительная погрешность совмещения информации о зонах затопления, выделенных на космическом снимке, с цифровыми каргами местности, что а конечном итоге не позволяет с необходимой достоверностью оценить ущерб от затопления. В связи с этим, актуальность темы магистерской диссертации как в теоретическом, гак и в практическом плане связана с организацией совместного использования пространственных данных в виде цифровых карт местности и космических снимков.
Объектом исследования является участок реки Вятка в Первомайском и Ленинском районах г. Киров.
Предметом исследования является точность определения границ зон затопления по крупномасштабным картографическим источникам.
Цель работы заключается в оценке степени взаимного соответствия границ зон затопления одинаковой обеспеченности, построенных по топографическому плану, топографической карте, цифровой модели рельефа и по космическим снимкам на (гримере р. Вятки в черте г. Кирова.
Задаче работы:
1. Общая эколого-гидрологическая характеристика зон затопления, включая обзор нормативно-правовых требований к их установлению.
2. Краткое описание природно-антропогенных условий формирования максимального стока р. Вятка на изучаемом участке.
3. Обзор исходных данных н методики определения границы зоны затопления заданной обеспеченности р. Вятки в черте г. Киров на основе различных источников картографической информации.
4. Количественная оценка точности построения границы зоны затопления р. Вятка в черте г. Киров на основе различных источников.
5. Анализ возможных причин возникновения ошибок определения местоположения границ зон затопления, построенных по разным источникам, и пути их минимизации.
Ценным источником информации о водном объекте и гидрографических характеристиках его бассейна служат топографические планы масштаба 12 000. о также крупномасштабные топографические карты масштаба 1:10000 - 1:23 000 на цифровых и бумажных носители. Базовой картой, т.е. каргой, по которой выполнен основной комплекс работ, валяется цифровой топографический план масштаба 1:2 000 муниципального образования «Город Киров».
Общий методологический подход к оценке вероятных зон затоплений заключается в комплексном использовании данных наблюдений на сети Росгидромета, геоморфологической, картографической, аэрофотосъемочной и космической информации, применении современных способов и методик их обработки и анализа, включая геоинформацнонные технологии, физическое, имитационное и математическое моделирование 116). Методика оценки затопления пойм, реализуемая с помощью ГИС. предназначена для определения следующих характеристик: площадь затопленных земель при заданном значении уровня воды, ориентировочное значение глубины и объема воды на пойме при уровне различной обеспеченности, продолжительность затопления выбранных территорий, общий и дифференцированный ущерб от затопления для различных объектов жилые и административные здания н постройки, различные виды коммуникаций, промышленные объекты и т.д |8|.
Публикации результатов работы: по материалам исследования опубликовано 3 работы:
- Статья «Разработка гидролого-статистической модели установления гранки водотоков и ее верификация (на примере рек бассейна Ватки)» опубликована в Вестнике Удмуртского Университета, г. Ижевск;
- Статья «Оценка точности построения по топографическим картам граним зон затопления (на примере р. Вятки в «юрте г. Кирова)» опубликовало в экологическом сборнике VII «Труды молодых ученых», г. ТОЛЬЯТТИ;
- Статья «Применение данных космической съемки для оценки точности построения границ зон затопления на р. Вятка в границах г. Кирова» опубликовала в сборнике статей студентов и аспирантов Института экологии и природопользования КФУ 2019 года.
Работа посвящена оценке точности взаимного соответствия границ зон затопления одинаковой обеспеченности в векторном и растровом формате для участка р, Вятки в черте г. Киров.
Исследуемым водным объектом, для которого выполнены работы по установлению границ зон затопления, является р. Вятка, крупнейший правый приток р. Кама и второй по величине после р. Белая. Все работы проведены в черте муниципального образования «(Город Киров» Кировской области, на территории Первомайского и Ленинского районов города, а также на прилегающих к ним территориях.
Исследование проведено по данным на дату 6 мая 2016 г. Уровень волы составил 108.9 м. что соответствует 30 % обеспеченности.
Космические снимки на выбранную дату были получены в upoipaMMC Google Earth Pro и предоставлены коммерческим оператором нескольких гражданских спутников дистанционного зондирования Земли DigitalGlobe.
Па исследуемую территорию было получено 64 фрагмента снимков. Каждый элемент мозаики на этапе предпроцессорной подготовки был обработан в программном продукте EROAS Imagine 2010. Предобработка включала в себя импорт изображения, ортотрансформирование (устранение за наклон визирной оси), координатную привязку в системе координат WGS* 84 н перепроецирование в систему координат Пулково 1942 г. Далее по снимку были получены границы зоны затопления 30 % обеспеченности путем визуального дешифрирования. Общая протяженность границы зоны затопления составила 116,42 км. Площадь акватории заняла 11,26 км3 исследуемой территории.
Построена граница зон затопления по топографическому плану масштаба 1:2 000, топографической карте масштаба 1:10 000 и цифровой модели рельефа SRTM Iм. Топографический план и топографическая карта были предоставлены (XX) «ЭяоЛндер», которая является исполнительной компанией по государственному контракту. Цифровая модель рельефа (ЦМР) SRTM с угловым разрешением 1 ” была получена в сервисе EanhExpiorer.
Проведена оценка степени взаимного соответствия границ зон затопления одинаковой обеспеченности, построенных по топографическому плану и по космическому снимку, который получен в одну из дат высокого половодья. В большинстве случаев обе границы следуют параллельно друг другу на относительно небольшом расстоянии. Средняя ошибка отклонения (без учета знака) составляет 20.9 м. Наименьшие ошибки (менее 10 м) отмечаются на крутом левом берегу, а также на правобережье, где на пойму опираются крутые уступы надпойменных террас. Наибольшее отклонение составило немногим более 200 м; области с экстремально высокими отклонениями приурочены к широкопойменным участкам, где в силу гривистого микрорельефа на космическом снимке возникают множество островов, не отображающихся в течении горизонталей. Модальные, наиболее часто встречающиеся отклонения составляют 10-15 м с положительным знаком; иными словами, при выделении юн затопления по топографическому плану происходит преувеличение их ширины и площади.
Аналогичным способом были проведены границы зон затопления по цифровой модели рельефа SRTM 1" и по топографической карте масштаба 1:10000. Также проведена оценка сходимости их с фактическими границами по космическому снимку DigitalClobe.
Среднее значение отклонения (без учета знака) по ЦМР составляет 38,9 м. В случае с цифровой моделью рельефа, соответствие ранних зон затопления более очевидно. Значение площади занятой акваторией реки по ЦМР (6,73 км2) наиболее приближено к тому же значению на космическом снимке (11,26 км2). Здесь чаще встречается зона с недоопределенными границами зоны затопления.
Значение отклонения по топографической карте составляет 77,24 м. В этом случае, напротив, значение площади акватории сильно преувеличено по сравнению с площадью акватории реки на космическом снимке (18,58 км7 на топографической карте против 11,26 км2 на космическом снимке). При таких данных наблюдается явный перевес в сторону значений с переопределенными границами зон затоплений.
Ситуацию, ори которой зона затопления, устанавливаемая по карте, имеет большие размеры, но всей видимости, следует считать нормальной. Связана она с тем, что такие зоны показывают области возможною (е позиций рельефа) затопления: высоты местности не препятствую: проникновению сюда речных вод. Однако фактическое затопление нередко определяется множеством иных причин, помимо орографических. К ним в первую очередь относится наличие микроприпятствий на путях движения полых вод, которые нс могут быть изображены на картах н планах даже самых крупных масштабов. Немаловажным является то обстоятельство, что затопление (особенно в тыловой части зоны) нередко происходит' нс в виде покрытия территории сплошным споем воды, а в виде густой переплетающейся сети рукавов, положение которых меняется от половодья к половодью н лаже во время одного половодья.
Таким образом, установленные по крупномасштабным картографическим источникам границы зон затопления имеют высокую точность, что подтверждается их пространственной близостью к фактическим границам, выделяемым по космическим снимкам.
1. Атак Кировской области [Текст] - М.: ГУ ГК при Совмине СССР, 1968. - 38 с.
2. Боришннков. Н. Б. Проблемы морфологии, гидрологии и гидравлики пойм. Монография [Текст] / Н. Б. Барышников. - СПб.: РГГМУ, 2012.-426 с.
3. Берлянт, А. М. Картография [Текст] / А. М. Берлянт. - М.: Аспект Пресс, 2001.-336 с.
4. Бутин, В. А. Опасные гидрологические явления. Учебное пособие [Текст] / В. А. Бутин. - СПб.: Изл-во РГТМУ. 2008. - 228 с.
5. Владимиров, А. М. Гидрологические раечСТы [Техет] / А. М. Владимиров. - Л.: Гндрометсонзаат, 1990. - 365 с.
6. Владимиров. В. М. Дистанционное зондирование Земли [Текст] / В. М. Владимиров, Д. Д. Дмитриев, В. Н. Тяпкин, Ю. Л. Фатеев. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2014. -196 с.
7. Водный кодекс Российской Федерации от 03.06.2006 №74-ФЗ (действующая редакция от 03.08.2018) [Электронный ресурс] — Режим доступа: hltp://basc.garant.m/l2147594/, свободный. - Дата обращения:
15.01.2019-
8. Волков. Н. М. Принципы и методы картометрии [Текст] / Н. М. Волков. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1950. - 328 с.
9. Востокова, А. В. Оформление карт: компьютерный дизайн [Текст] / А. В. Востокова, С. М. Кошель, Л. А. Ушакова. - М.: Аспскг-Прссс,
2002. - 288 с.
10. Геология СССР. Геологическое описание [Текст] / Т. XI: Поволжье и Прикамье. - Ч. 1.- М.: Недра, 1967.-872 с.
11. ГОСТ 17.1.1.02-77. Охрана природы. Гидросфсра. Классификация водных объектов [Текст] - М.: Госстандарт Союза ССР, 1978. - 30 с.
12. ГОСТ 19179-73. Гидрология суши. Термины н определения (Текст) - М.: Госстандарт Союза ССР, 1973. - 36 с.
13. Евстигнеев В. М. Речной сток и гидрологические расчеты [Текст] / В. М Евстигнеев. - М.: Изд-во МГУ. 1990. - 303 с.
14. Ефремова. О. А. Алгоритм построения зон фактического затопления местности при разливах рек на основе радиолокашюнных космических снимков н анализа характерных точек рельефа [Текст] / О. А. Ефремова, Ю. Н. Кунаков и др. // Компьютерная оптика, 2018. - Т. 42. - № 4. - С. 695-703.
15. Исаченко, А. Г. Ландшафты СССР (TCKCTJ / А. Г. Исаченко. - Л.: Изд-во ЛГУ. 1985.-320 с.
16. Капралов, Е. Г. Основы гсоинформатикн: В 2 кн. Кн. 2: Учеб, пособие для 0-75 студ. вузов [Текст] / Е. Г. Капралов. А. В. Кошкарев. В. С. Тнкунов и др. - М.: Академия. 2004. - 480 с
17. Картоведение [Текст] / Под рсд. А. М. Берлянта. - М.: Аспект Пресс, 2003. - 477 с.
18. Королев, Ю. К. Общая гсоннформатмка. [Текст] / Ю. К. Королев. //Теоретическая гооинформатика.-Ч. 1. - Выл. 1.- М.: Датв+-, 1998.- 118 с.
19. Кошкарев, А. В. Понятия н термины гсоинформатикн н ей окружения [Текст] / А. В. Кошкарев. - М.: И1Т.М РАН, 2000. - 76 с.
20. Кошкарев, А, В. Гсоинформатнка [Текст] / А. В. Кошкарев, В. С. Тнкунов. - М.: Карлтооцеитр-Геодезнздат, 1993.-213 с.
21. Лабутина. И. А. Дешифрирование аэрокосмических снимков [Текст}/И. А. Лабутина. - М.: Аспект Пресс, 2004. - 181 е.
22. Мальцев К. А. Морфометрический анализ рельефа Республики Татарстан средствами ГИС-тсхналогий [Электронный ресурс] / К. А. Мальцев // Аатореф. дне. на сонск. уч. степ. канд. гсогр. наук. Казань, 2006. - 24 с. Режим доступа: http^/carlhpapcrs.net/fnorfomclnchcslciy-analjz-rcliefa- respubliki-uuarsian- sredstvami-gis-tdinologjy. свободный. - Дата обращения
21.02.2019.
23. Мальцев К. А. Основы работы в программе Surfer 7.0 [Текст]: учебно-мстодичсскос пособие / К. А. Мальцев. - Казань: Изд-во Казан, гос. ун-та, 2008. - 24 с.
24. Методические рекомендации по определению расчетных
]-ядрологических характеристик при наличии данных гидрометрических наблюдений [Техет] / Гос. учреждение «Государственный гидрологический институт».-СПб., 2005. - 103 с.
25. Методические рекомендации по определению расчетных
гидрологических характеристик при отсутствии данных гидрометрических наблюдении [Текст] / Гос. учреждение «Государственный гидрологический институт». - СПб.: Нсстор-История. 2009. - 193 с.
26. Методические рекомендации по оценке однородности
гидрологических характеристик н определение их расчетных значений по неоднородным данным [Текст] / Гос. учреждение «Государственный гидрологический институт». - СПб.: Нсстор-История, 2010. - 162 с.
27. Научно-прикладной справочник: Основные гидрологические
характеристики рек бассейна Камы (Электронный ресурс] / Под рсд. Георгиевского В. Ю. Режим доступа: https://istina.msu.ru/
publications/book/20304652/, свободный. - Дата обращения 03.04.2019.
28. Основные гидрологические характеристики рек бассейна Камы: научно-прикладной справочник [Текст] / Под рсд. В. Ю. Георгиевского. - Дивны. 2015.-373 с.
29. Основы гсоинформатикн [Текст] / Под рсд. В. С. Тнкуиова. - М.: Академия, 2004. - 352 с.
30. Павлов, С. В. Построение зон фактического затопления
местности при разливах рек на основе обработки радиолокационных космических снимков н анализа характерных точек рельефа [Техет] / С. В. Наалов, Ю. Н. Кунаков. - Уфа: УГЛТУ. 2009.
3) . Плохкнекнй, Н. А. Биометрия [Текст] / Н. Л. ПлохиискиЙ. - М.: Изд-во МГУ, 1970.-367 с.
32. Постановление Правительства Российской Федерации от 18 апреля 2014 г. №360 «Об определении границ юн затопления, подтопления» (с изменениями и дополнениями or 17 мая 20)6 г.).
33. Постнова, И. С. Технология оценки с помощью ГИС юн затопления весенними наводками малой обеспеченности [Текст] / И. С. Постнова, С. Г. Яковченко н др. - ИВЭП СО РАН, Барнаул. - 8 с.
34. Разнньков. Н. Д. Определение зон затоплений как прикладная задача гидрологии [Электронный ресурс] / Н. Д. Разнньков, С. Л. Титова. Режим доступа: hap^/www.veslnik.vsu.ru/pdJ7geograph/20l6rt>4/2016-04-15.pdf. свободный. - Дата обращения 25.02.2019.
35. Растительность европейской части СССР [Текст] / Под рсд. Р. А. Грибовой. - Л.: Наука, 1980. - 429 с.
36. Речной сток: пространственно-временная изменчивость и
опасные гидрологические явления. Сборник грудой Третьей открытой конференции Научно-образовательного центра. 13 ноября 2014 г. [Электронный ресурс] / М.: Кафедра гидрологии суши МГУ имени М. В. Ломоносова, ИВП РАН, 2014. - 192 с. Режим доступа:
hups://isiina.msu.ni/media/ poHications/artscle/cbS/b60r7927507/Penzhina.pdf, свободный. - Дота обращения 25. П.2018.
37. Руководство по определению гидрографических характеристик карго метрическим способом [Электронный ресурс] / Л.: Гидромстсоиздат. 1986. - 94 с. Режим доступа: http^/docs.cntd.ni/docwncnt/1200077599, свободный. - Дата обращения 15.11.2018.
38. Сикая. Л. В. Методы статистической обработки гидрометеорологической информации [Техет] / А. В. Сикал. - СПб.: Изд-во РГТМУ, 2007. - 279 с.
39. С тур май. В. И. Оценка воздействия на окружающую среду [Текст] / В. И. Стурман. - Изд-во Лань, 2015. -352 с.
40. Топаз, А. А. Цифровая обработка космических снимков в программе ERDAS IMAGINE [Текст] / А. А. Топаз, & В. Казак. - Минск: БГУ, 2017. - 100 с
41. Условные знаки для топографических планов масштабов 1:5 000. 1:2 000.1:1 000.1:500[Текст]-М.: Недра, 1989.-286 с.
42. Условные знаки для топографической карты масштаба 1:10 000 [Текст]-М.: Нефа, 1977,- 143 с.
43. Хромых, В. В. Цифровые модели рельефа [Текст]: учебно- методическое пособие / В. В. Хромых, О. В. Хромых. - Томск: Изд-во ТМЛ- Пресс, 2007. - 178 е.
44. Цифровая картография и гсоинформатика* краткий терминологический словарь [Текст] / Под рсд. Е- В. Жалкояского. - М.: Карттсоиснтр-Геодсзизлат, 1999. ~ 46 с.
45. Янутш, Д. А. Дешифрирование аэрокосмических снимков [Текст] / Д. А. Янутш. - М.: Недра, 1991.- 240 с.