Разработка метода оценки динамики объема ледника за сезон абляции по данным беспилотной аэрофотосъемки с использованием геоинформационных технологий на примере ледников Потанина и Александры
|
Оглавление
Глава 1. История развития гляциологии как науки 5
Глава 2. Беспилотные технологии 10
2. 1. История беспилотных летательных аппаратов 10
2. 2. Современное развитие 11
Глава 3. Полевые работы 15
3. 1. Краткое описание истории экспедиции 15
3. 2. Физико-географическое описание района исследований 17
3. 3. Гляциологические исследования 18
3. 4. Аэрофотограмметрические исследования 22
Глава 4. Камеральная обработка 33
4. 1. Обработка аэрофотограмметрических данных 33
4. 2. Геоинформационный анализ 45
Глава 5. Разработанная методология 77
Заключение 84
Список литературы 86
Приложение
Глава 1. История развития гляциологии как науки 5
Глава 2. Беспилотные технологии 10
2. 1. История беспилотных летательных аппаратов 10
2. 2. Современное развитие 11
Глава 3. Полевые работы 15
3. 1. Краткое описание истории экспедиции 15
3. 2. Физико-географическое описание района исследований 17
3. 3. Гляциологические исследования 18
3. 4. Аэрофотограмметрические исследования 22
Глава 4. Камеральная обработка 33
4. 1. Обработка аэрофотограмметрических данных 33
4. 2. Геоинформационный анализ 45
Глава 5. Разработанная методология 77
Заключение 84
Список литературы 86
Приложение
Исследования ледников берут свое начало с конца XVIII - начала XIX вв., тогда как сама наука гляциология начала формироваться в XVIII в. Постепенно происходил переход от описательного характера изучения ледников и накопления знаний к физической сущности явлений в ледниках и пониманию природы льда, его характеристик. Изучаются морские льды, снежный покров, лавины в горах, разрабатываются радиофизические методы исследования ледников, решаются проблемы, связанные с образованием и разрушением речного льда, с защитой от снежных лавин и селей.
Существует множество причин для исследования ледников. Например, составление прогноза наступаний/отступаний ледников на основе детального анализа их динамики, истории движения. Этот прогноз имеет большое практическое значение для горных разработок, эксплуатации гидроэнергетических сооружений, трубопроводов и дорог, строящихся вблизи ледников. Многие особенности строения ледников близко напоминают структуры, наблюдаемые в метаморфических породах, что может помочь пониманию протекания геологических процессов, происходящих на недоступной для постоянного изучения глубине. Другой важной причиной является тесная взаимосвязь состояния ледников с атмосферой, окружающей средой, климатом. При этом происходит взаимное влияние состояния климата и процессов, проходящих в леднике. Измерения баланса массы позволяют определять объемы воды, имеющейся в леднике, какое ее количество может быть использовано, а также предоставляют возможности прогнозирования колебаний ледника от года к году.
В конце XX в. произошло существенное изменение подходов к наблюдениям за ледниками. Если раньше в основном проводили прямые систематические или эпизодические исследования нивально-гляциальных систем, то в настоящее время все более широко используются методы дистанционного зондирования, в частности - аэрофотосъемка с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
Сотрудниками кафедры физической географии и ландшафтоведения и кафедры картографии и геоинформатики при участии студентов, была организована экспедиция на Монгольский Алтай, ледники Потанина и Александры, с целью проведения комплекса работ по измерению и оценке таяния ледников двумя методами: классическим гляциологическим и фотограмметрическим с использованием БПЛА. Результатом проведенных работ должно было стать комплексное сравнение двух использованных методов. Целью данной выпускной квалификационной работы является расчет основных физических характеристик ледника и 3
объема стаявшего и накопленного льда и снега за сезон абляции геоинформационными методами на основе данных, полученных с помощью беспилотной аэрофотосъемки.
В первой главе кратко описана история развития методов исследования ледников, рассмотрены существующие школы, а также раскрыты основные термины, которые использовались в работе. Во второй части подробнее раскрыта проблематика использования БПЛА в гляциологических исследованиях, история использования и развития данного метода. В третьей главе рассказано о прошедшей экспедиции, полученном опыте применения двух методов и промежуточных результатах по окончании экспедиции. В четвертой описана фотограмметрическая обработка, а также дальнейший геоинформационный анализ с оценкой точностей полученных результатов. В пятой главе представлена разработанная методология проведения подобных исследований. В заключении подведены итоги проведенных работ и рассмотрены перспективы развития применяемого метода.
Существует множество причин для исследования ледников. Например, составление прогноза наступаний/отступаний ледников на основе детального анализа их динамики, истории движения. Этот прогноз имеет большое практическое значение для горных разработок, эксплуатации гидроэнергетических сооружений, трубопроводов и дорог, строящихся вблизи ледников. Многие особенности строения ледников близко напоминают структуры, наблюдаемые в метаморфических породах, что может помочь пониманию протекания геологических процессов, происходящих на недоступной для постоянного изучения глубине. Другой важной причиной является тесная взаимосвязь состояния ледников с атмосферой, окружающей средой, климатом. При этом происходит взаимное влияние состояния климата и процессов, проходящих в леднике. Измерения баланса массы позволяют определять объемы воды, имеющейся в леднике, какое ее количество может быть использовано, а также предоставляют возможности прогнозирования колебаний ледника от года к году.
В конце XX в. произошло существенное изменение подходов к наблюдениям за ледниками. Если раньше в основном проводили прямые систематические или эпизодические исследования нивально-гляциальных систем, то в настоящее время все более широко используются методы дистанционного зондирования, в частности - аэрофотосъемка с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
Сотрудниками кафедры физической географии и ландшафтоведения и кафедры картографии и геоинформатики при участии студентов, была организована экспедиция на Монгольский Алтай, ледники Потанина и Александры, с целью проведения комплекса работ по измерению и оценке таяния ледников двумя методами: классическим гляциологическим и фотограмметрическим с использованием БПЛА. Результатом проведенных работ должно было стать комплексное сравнение двух использованных методов. Целью данной выпускной квалификационной работы является расчет основных физических характеристик ледника и 3
объема стаявшего и накопленного льда и снега за сезон абляции геоинформационными методами на основе данных, полученных с помощью беспилотной аэрофотосъемки.
В первой главе кратко описана история развития методов исследования ледников, рассмотрены существующие школы, а также раскрыты основные термины, которые использовались в работе. Во второй части подробнее раскрыта проблематика использования БПЛА в гляциологических исследованиях, история использования и развития данного метода. В третьей главе рассказано о прошедшей экспедиции, полученном опыте применения двух методов и промежуточных результатах по окончании экспедиции. В четвертой описана фотограмметрическая обработка, а также дальнейший геоинформационный анализ с оценкой точностей полученных результатов. В пятой главе представлена разработанная методология проведения подобных исследований. В заключении подведены итоги проведенных работ и рассмотрены перспективы развития применяемого метода.
Главной целью представленной работы являлась разработка методологии проведения беспилотной аэрофотосъемки долинных ледников в горных условиях с целью расчёта объёма стаявшего снега и льда за период абляции. Данная технология была разработана и представлена, а также апробирована в рамках экспедиции 2015 года на территории хребта Монгольского Алтая горного узла Табын-богдо-ола ледников Потанина и Александры. Экспедиция была проведена и организована сотрудниками кафедры физической географии и ландшафтного планирования при участии кафедры картографии и геоинформатики Санкт- Петербургского государственного университета при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.
Для достижения цели был проведён ряд работ. К ним относится развитие геодезического обоснования аэрофотосъёмки, проведение непосредственно самой беспилотной аэрофотосъёмки большей части ледников Потанина и Александры в начале и в конце сезона абляции, а также был пройден весь цикл камеральной фотограмметрической обработки в комплексе с геодезическими данными с целью получения ЦМР и ортофотопланов двух поверхностей ледника. Кроме того был разработан и проведён весь комплекс геоинформационного анализа данных для расчёта объёма стаявшего и накопленного снега и льда за сезон активного таяния, оценки ошибки его расчёта, а также определение других вспомогательных характеристик, наличие которых может позволить произвести более комплексное гляциологическое исследование ледников.
Для валидации полученных данных был разработан метод оценки ошибок с использованием центров фотографирования, полученных после фотограмметрической обработки. Более достоверная проверка может быть выполнена с использованием наземных гляциологических наблюдений, проводимых одновременно с аэрофотосъемкой, в те же периоды. Так как классический гляциологический метод применяется давно, его методология полностью разработана и оценена численно, то такие данные идеально подходят для проверки точностей нового разрабатываемого метода.
Валидация разработанной методологии с помощью гляциологических исследований является одной из наиболее необходимых перспектив развития метода. Также нужно развить технические аспекты проведения аэрофотосъемки для возможности проведения полётов над всей площадью ледника, в том числе наиболее интересной для изучения зоной аккумуляции. Возможно, что применение не оптической, а, например, мультиспектральной камеры, будет давать больше данных для обработки, которые смогут углубить исследования состояния ледников. Более того, установка на БПЛА температурного датчика и датчика влажности также позволит расширить и уточнить составляемые на основе беспилотной аэрофотосъемки прогнозные сценарии.
Аэрофотосъемка с беспилотных летательных аппаратов в целях гляциологических исследований развивается большими темпами. Её применение позволяет получать данные более оперативно и комплексно, а также и сам характер получаемых данных более подробен, что позволяет производить расчёты объемов, баланса масс, составление прогнозов и остального более точно, с охватом большего количества факторов. Данное направление становится популярнее не только благодаря развитию беспилотных технологий, но и тому, что сама наука гляциология становится более значимой в условиях всё менее стабильного развития индустриального общества, влияние которого на окружающую среду пытаются оценить, сократить и предотвратить.
Для достижения цели был проведён ряд работ. К ним относится развитие геодезического обоснования аэрофотосъёмки, проведение непосредственно самой беспилотной аэрофотосъёмки большей части ледников Потанина и Александры в начале и в конце сезона абляции, а также был пройден весь цикл камеральной фотограмметрической обработки в комплексе с геодезическими данными с целью получения ЦМР и ортофотопланов двух поверхностей ледника. Кроме того был разработан и проведён весь комплекс геоинформационного анализа данных для расчёта объёма стаявшего и накопленного снега и льда за сезон активного таяния, оценки ошибки его расчёта, а также определение других вспомогательных характеристик, наличие которых может позволить произвести более комплексное гляциологическое исследование ледников.
Для валидации полученных данных был разработан метод оценки ошибок с использованием центров фотографирования, полученных после фотограмметрической обработки. Более достоверная проверка может быть выполнена с использованием наземных гляциологических наблюдений, проводимых одновременно с аэрофотосъемкой, в те же периоды. Так как классический гляциологический метод применяется давно, его методология полностью разработана и оценена численно, то такие данные идеально подходят для проверки точностей нового разрабатываемого метода.
Валидация разработанной методологии с помощью гляциологических исследований является одной из наиболее необходимых перспектив развития метода. Также нужно развить технические аспекты проведения аэрофотосъемки для возможности проведения полётов над всей площадью ледника, в том числе наиболее интересной для изучения зоной аккумуляции. Возможно, что применение не оптической, а, например, мультиспектральной камеры, будет давать больше данных для обработки, которые смогут углубить исследования состояния ледников. Более того, установка на БПЛА температурного датчика и датчика влажности также позволит расширить и уточнить составляемые на основе беспилотной аэрофотосъемки прогнозные сценарии.
Аэрофотосъемка с беспилотных летательных аппаратов в целях гляциологических исследований развивается большими темпами. Её применение позволяет получать данные более оперативно и комплексно, а также и сам характер получаемых данных более подробен, что позволяет производить расчёты объемов, баланса масс, составление прогнозов и остального более точно, с охватом большего количества факторов. Данное направление становится популярнее не только благодаря развитию беспилотных технологий, но и тому, что сама наука гляциология становится более значимой в условиях всё менее стабильного развития индустриального общества, влияние которого на окружающую среду пытаются оценить, сократить и предотвратить.
Подобные работы
- Разработка метода оценки динамики объема ледника за сезон абляции по данным беспилотной аэрофотосъемки с использованием геоинформационных технологий на примере ледников Потанина и Александры
Бакалаврская работа, геология и минералогия. Язык работы: Русский. Цена: 4280 р. Год сдачи: 2016