дома нескучно
Как весело и с пользой пережить самоизоляцию

Космическое измерение стока рек

9 November 2019
downloads.esri.com/blogs/hydro/GRDC/Fig3.jpg
downloads.esri.com/blogs/hydro/GRDC/Fig3.jpg

Наблюдения за зонами затопления рек, уровнем воды, изменчивостью стока с помощью орбитальных датчиков имеют потенциал для непосредственного измерения составляющей стоков в гидрологическом цикле Земли.

Разрабатывается стратегия измерения рек и ручьев дистанционным зондированием. Можно собирать данные о поверхностных водах, оценивать их точность, распространять результаты безотносительно политических границ.

Предыдущие наблюдения подтверждают неадекватность имеющихся наблюдений за поверхностными водами.

Проблема двоякая:

  1. недостаточный сбор данных на многих земельных участках
  2. недостаточный доступ к данным

Глобальный центр данных о стоке утверждает: немногие национальные гидрологические службы распространяют свои сведения согласно резолюциям Всемирной метеорологической организации, призывающими к неограниченному обмену ими.

В зависимости от положения страны в пределах речного бассейна, существуют сильные препятствия для обмена. Например, эксплуатация плотин и водохранилищ может вступать в противоречие с потребностями в водоснабжении ниже по течению.

Строительство водохранилищ в международных речных бассейнах Меконга, Евфрата, Брахмапутры, поднимает сложные политические вопросы культурного характера. Эти общие вопросы для многих регионов. Они будут впредь препятствовать свободному доступу к данным о речном стоке.

Однако научная потребность в такой информации имеет значение. Примеры исследовательских проблем включают изучение водного баланса, увязку гидрологических, метеорологических моделей, поступление пресной воды/загрязнений в океаны.

Документирование, возможное прогнозирование таких последствий требует последовательных данных. Будет очень сложно понять и количественно оценить глобальный водный цикл без усовершенствованных измерений составляющей стока. Улучшение обмена данными может быть частью решения из-за больших площадей суши, где сети станций наблюдения были ликвидированы или никогда не существовали.

Дистанционное зондирования с орбиты

Орбитальное дистанционное зондирование предлагает технологию для получения необходимых измерений.

С учетом новых спутниковых систем регулярная оценка изменений речного стока по сотням русел рек должна быть как возможной, так и экономичной.

upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5d/Aqua_satellite_simulation.jpg
upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5d/Aqua_satellite_simulation.jpg

Различные спутники могут использоваться вместе и с этой целью. Датчики, такие как дальномер НАСА SeaWinds (точный, стабильный радар на борту спутника QuikSCAT), обнаруживают значительные изменения стока крупных рек без вмешательства облачности.

Другие широкозонные оптические датчики, такие как спектрорадиометр НАСА для получения изображений со средним разрешением, более точно определяют, где происходят такие изменения. Другие датчики при более высоком пространственном разрешении могут быть объединены с топографическими данными для определения стадий расхода воды.

Перекрестная калибровка данных от различных датчиков решает задачу частого временного отбора проб. Также возможно создание автономных систем связанных датчиков, в которых датчики, способные обнаруживать изменения поверхностных вод, запрограммированы на получение/передачу новых данных с более высоким пространственным или спектральным разрешением. Это поможет целенаправленному сбору данных по районам, подверженным наводнениям или засухе.

Точки измерения

Ключом к спутниковым измерениям рек является использование измерительных участков, а не измерительных станций. Поперечные сечения рек трудно измерить из космоса, но измерения изменения площади водной поверхности в пределах тщательно определенных участков реки могут быть получены с относительно высокой точностью.

При использовании таких датчиков со средним пространственным разрешением, их протяженность - от ~10 км до 30 км. Критерии выбора зондирования значительно отличаются от критериев, используемых для создания станций локального зондирования.

При проектировании измерительных станций выбирается поперечное сечение реки, где с помощью измерительного прибора будут проводиться непрерывные измерения уровня воды в реке. Поперечные сечения, где изменения стока сопровождаются большими изменениями ширины реки, исключаются, так как это ослабляет устойчивость стадийности стока как фактора его прогнозирования.

Калибровка уровня до сброса осуществляется путем извлечения скорости и глубины потока при различных режимах потока с помощью расходомера.

Для измерительных участков, напротив, наблюдение, используемое для вывода расхода, - это расход воды, достигающий поверхности воды, или геофизическое измерение, тесно связанное с этим. Таким образом, участки лучше всего расположены там, где изменения стока сопровождаются увеличением/уменьшением ширины стока, площади водной поверхности.

Чувствительность этого метода зависит от морфологии русла и поймы, пространственного разрешения датчиков, точности классификации акватории. Можно использовать датчики с умеренным пространственным разрешением и часто повторяющимися изображениями при условии, что изменение площади поверхности воды, занимаемой участками, дает хорошо откалиброванный сигнал.

Измерительный участок делится на:

  1. постоянный участок воды с прилегающими землями, подверженными наводнениям
  2. калибровочный участок - остающаяся территория, свободная от поверхностных вод даже во время половодья

Калибровка ближнего инфракрасного излучения производится для пикселей в пределах двух подмножеств радиусов действия. Когда общая площадь водной поверхности вдоль реки увеличивается, среднее значение освещенности уменьшается для измерительного участка, но не за его пределами. Коэффициент освещенности регистрирует увеличение площади воды.

Из-за большой разницы в излучениях воды и земли в этом спектральном диапазоне (841-876 нм) чувствительной мерой поверхностных вод является область охвата калибровки. Если вместо этого изменяются свойства освещения, рассеивания в атмосфере или растительности, а измеренные значения лучей изменяются в тандеме, это соотношение остается относительно постоянным.

Будущие возможности

Дистанционное зондирование рельефа вдоль измерительных участков позволяет наблюдать изменения речного стока безотносительно государственных границ.

Существующие датчики среднего разрешения, могут обеспечивать повторные измерения практически ежедневно (реже в сильно затененных облаками районах). Ценность таких данных повышается за счет периодических наблюдений с помощью датчиков с более высоким разрешением.

Добавление спутниковой альтиметрии может обеспечить независимую информацию о состоянии реки, таким образом, оказать значительную помощь в переводе наблюдаемых площадей попусков на речные стоки. Космические наблюдения за поверхностными водами не столь точны, как данные станций наблюдения, и на соотношение площади досягаемости поверхностных вод и сбросов могут влиять такие ошибки, как истощение и гистерезис (например, при парафинизации и ослаблении наводнений, одинаковые площади могут соответствовать нескольким различным стокам).

Однако эти трудности измерений хорошо известны гидрологам, использующим данные измерительных станций, и их можно устранить. Подобно тому, как группировка орбитальных датчиков в настоящее время предоставляет метеорологическую информацию в режиме реального времени, существует возможность использования существующих и планируемых орбитальных датчиков для фиксации изменений в поверхностных водах Земли по мере их возникновения и безотносительно к политическим границам.