2.2 Система поддержки принятия решений по управлению на примере лавин с использованием гис
Лавиноведение располагает солидным арсеналом методов оценки распространения явления, изучения динамики его развития, прогноза опасности. Благодаря созданию широкой сети наземных наблюдений, применению дистанционных методов исследований накоплен обширный информационный материал о местах схода лавин, их повторяемости и других параметрах, факторах возникновения и катастрофических последствиях . В некоторых странах созданы кадастры лавин. Базы данных о лавинах оформлены и в электронном виде. В Швейцарском институте снежных и лавинных исследований хранится информация о более чем 8000 случаях сходов только катастрофических лавин. Режимно-справочный банк данных на магнитных носителях создан в Среднеазиатском научно-исследовательском гидрометеорологическом институте, в который стекалась снеголавинная информация со всей территории РФ. Разработаны и реализованы в виде карт методики картографирования лавинной опасности в различных масштабах. Венцом картографического направления лавинных исследований стали карты, созданные для Атласа снежно-ледовых ресурсов мира.
Информационный бум и массовая компьютеризация, охватившие планету на пороге 3 тысячелетия, способствовали разработке и продвижению новых технологий, направленных на упорядочивание и качественную обработку огромных массивов данных. На смену традиционным бумажным носителям, информации, составление и обработка которых достаточно трудоемки, пришли цифровые карты и компьютерные базы данных. Объединение двух способов хранения информации дало импульс развитию принципиально новой технологии геоинформационных систем (ГИС).
В общем виде роль ГИС-технологий в лавинных исследованиях сводится к синтезу знаний о рельефе, климате и предшествующих событиях, с целью определения возможности схода снежных лавин. Для этого в среде ГИС оцифровываются уже готовые карты или создаются новые проекты. Анализ работ, посвященных использованию ГИС в лавинных исследованиях, показал, что ГИС-технологии в настоящее время применяются для решения следующих задач:
Выявление зон зарождения лавин
Исходный масштаб цифровой модели рельефа, используемой при создании проекта, определяется специалистами в соответствии со спецификой решаемых задач. Матрица абсолютных высот рельефа имеет шаг на местности от 25 м при крупномасштабной основе до 200 и более метров. Выделение лавиноопасных территорий производится путем анализа соответствия условий территории определенным критериям. В первую очередь оценивается рельеф местности.
На генерируемой карте углов наклона горных склонов выделяются участки с наиболее благоприятными условиями для возникновения лавин. Диапазон значений крутизны потенциальных зон лавинообразования определяется по статистическим данным. К примеру в Каталонских Пиренеях наибольшее количество лавин образуется на склонах 28-50о, в долине Engadine (Швейцария) 30-50о , Кабардино-Балкарии 25-45о.
Для выделения лавиноопасных территорий, а также для дальнейших расчетов требуется определить возможность существования в пределах исследуемой территории второго важнейшего фактора образования лавин – снежного покрова. Для этой цели привлекаются данные стандартных метеорологических и специализированных полевых наблюдений, космо- и аэрофотоснимки.
ГИС-технологии используются для моделирования процессов и явлений, определяющих условия схода снежных лавин. С целью изучения пространственного распределения снежного покрова – выявления зон аккумуляция и сноса снега, его динамики, характеристик снеготаяния генерируются карты экспозиции склонов.
Толщина снежного покрова рассчитывается с разной степенью тщательности: от упрощенного подхода – на склонах данной экспозиции по многолетним данным накопления снега больше чем на других склона – до сложного расчета с использованием статистических зависимостей и моделирования снегопереноса .
В ГИС Кабардино-Балкарии граница снежного покрова проводится по данным многолетних наблюдений на метеостанциях и в лавинных очагах.
Расчетную схему для отдельного лавинного очага (исходный масштаб 1:10 000) составляет зависимость толщины снежного покрова на участке склона от высоты, крутизны и ориентации участка с использованием эмпирических коэффициентов.
M.Mases с коллегами моделируют распределение снега на лавиноопасном склоне с использованием эмпирического «ветрового коэффициента», представляющего собой отношение аккумулированного на участке на протяжении метели снега к снесенному. «Ветровые коэффициенты» рассчитанные для 20 типичных снежнометеорологических ситуаций (сочетание скорости ветра, количества и формы выпадающих осадков) изменяются в зависимости от господствующего направления ветра и могут быть получены для каждой метели.
R.S.Purves и его коллеги с использованием цифровой модели рельефа определяют места сноса и аккумуляции снега в зависимости от направления и экспозиции склонов, характера поверхности снега. Участки склонов представляются в виде ячеек, перемещение материала (снега) происходит от ячейки к ячейке.
По статистическим зависимостям с использованием ГИС-технологий осуществляется расчет толщины снега и плотности на удаленных участках в Ледниковом национальном парке в Монтане .
Следующим этапом выявления лавиноопасных территорий является
Определение зон поражения
Создатели ГИС Кабардино-Балкарии, ограничившись определением благоприятных для лавинообразования склонов гор, автоматически исключили из разряда лавиноопасных лежащие ниже выположенные поверхности днищ долин. Методика выявления лавиноопасных территорий, успешно реализуемая в мелком масштабе, использованная в данной работе для среднего масштаба оказалась неприменимой.
При определении максимальной дальности выброса лавин для генерируемых средствами ГИС продольных профилей очагов используются известные модели движения лавин, проводится типизация профилей по форме и расчет с применением регрессионного анализа.
Границы зон поражения уточняются при полевых исследованиях, по результатам аэрофотосъемок, фотоснимкам горных склонов, опросам местных жителей.
Значительным подспорьем при выделении лавиноопасных территорий могло бы стать наличие в ГИС слоя ландшафтов (растительности). В настоящее время ландшафтный метод используется упрощенно - залесенные участки исключаются из числа потенциальных зон зарождения лавин, что методически не всегда и не везде оправдано.
Конечным продуктом операции выделения лавиноопасных территорий являются карты регионов с границами лавиноопасных площадей, зон поражения лавинами с различной степенью вероятности.
Создание кадастров лавинных очагов, баз данных о лавинах
Создание всех проектов лавинных ГИС предусматривает наличие статистических данных. Современные программные средства (системы управления базами данных) идеально подходят для хранения и обработки информации. Функция запросов к базе данных позволяет осуществлять выборки любой необходимой информации и представлять ее в необходимом вид. Аккумулированные в кадастре данные используются для получения справок о режимной информации, создания методик прогноза схода лавин. С применением ГИС – технологий, обеспечивается визуализация данных о прошедших событиях.
Прогноз лавинной опасности
Достаточно широко ГИС – технологии применяются при создании прогнозов схода снежных лавин по методу подобия образов. Швейцарские исследователи составили базу данных о сходе лавин – их размерах и метеорологических условиях, сопровождающих обрушения, определили и наложили на генерированную карту лавиноопасных территорий частоту и дальность выброса лавин. Прогноз производится при сравнении текущих метеоусловий с критическими, определяемыми по базе данных. При этом прогнозируется время обрушения и размер лавин.
Канадский исследователь также использует банк метеорологических данных, связанных с обрушением лавин. Метеоданные коррелируются со структурой поверхностного слоя снега. Изучение структуры производится на репрезентативных участках – полученные результаты апроксимируются на все сходные ландшафты (в данной модели выделение ландшафтов осуществляется с помощью космических снимков).
Для составления прогноза лавинной опасности сотрудники Цеха противолавинной защиты ОАО «Апатит» с использованием цифровой модели распространения снежного покрова получают распределение напряжений в снежной толще на склоне.
Оригинальная методика прогноза схода снежных лавин с применением ГИС – технологий предложена для создания Национального снеголавинного бюллетеня Швейцарии. Топографической основой служит цифровая модель рельефа масштаба 1:25 000. Методика предусматривает поступление оперативной снежнометеорологической информации. Всем факторам лавинообразования (геоморфологическим, рассчитываемым по цифровой модели, и метеорологическим, полученным по результатам наблюдений) присваивается в зависимости от значения свой весовой коэффициент. В зависимости от направления влагонесущего потока меняется весовой коэффициент ориентации склона. По значению произведения весовых коэффициентов определяется степень лавинной опасности в соответствии с европейской шкалой лавинной опасности– каждой ступени соответствуют определенные экспертами пороговые значения произведения. Конечным продуктом являются генерируемые средствами ГИС карты толщины снежного покрова, прироста снега (за последние сутки), суммы свежевыпавшего снега за последние 3 дня, и, наконец, карты прогноза лавинной опасности на отдельные горные массивы и на всю территорию страны. Уточнение прогноза осуществляется специалистами-лавинщиками.
В ближайшей перспективе создание методик прогноза мокрых лавин. Цифровая модель рельефа и генерированные слои углов наклона и экспозиции склонов используются для расчета характеристик снеготаяния. Полученные по цифровой модели параметры склонов применяются для расчетов, к примеру, поступления солнечной радиации.
Наиболее популярным программным продуктом, используемым в лавиноведении является пакет ArcInfo, оснащенный мощными модулями расширения. Ряд задач решается с применением более простых и дешевых программ, к примеру MapInfo и Idrisi. Элементы ГИС-технологий, работа с цифровой моделью рельефа используются в специализированном программном обеспечении ELSA, созданном французскими лавинщиками для моделирования и анализа лавинных очагов.
Снежные лавины могут быть непосредственным объектом исследования проекта ГИС. Базовой основой таких проектов служат, как правило, крупномасштабные карты. Они охватывают небольшие по площади территории: лавиноопасный склон, долину, отдельный горный хребет.
Отдельным слоем (блоком) лавины входят в состав комплексных ГИС, описывающих природные условия регионов и созданных для изучения самих явлений, их взаимосвязей и их влияния на процессы и явления. Для создания картографической основы используются карты и снимки среднего масштаба.
Цели создания ГИС – проектов, включающих лавинную тематику, сводятся к определению состояния исследуемой территории на предмет возникновения лавинной опасности. Это:
- обеспечение планирующих, проектных, контролирующих организаций сведениями о распространении природных опасностей, создание земельного кадастра, выбор оптимальных мест под строительство линейных и площадных объектов (Россия, США, Швейцария, Австрия и др.);
- экологический контроль региона – влияние лавин на динамику ландшафтов, характер и границы растительных сообществ;
- выбор безопасных путей передвижения туристских групп;
- изучение взаимосвязей опасных природных и антропогенных явлений (Россия, США).
Перспективным направлением для применения ГИС-технологий представляется долгосрочный прогноз лавинной активности в связи с глобальным изменением климата, разрабатываемый в НИЛ снежных лавин и селей МГУ. Решение данной задачи осуществляется в мелком масштабе. Также мелкомасштабными являются рабочие проекты «Лавины России» и «Опасные гляциально-нивальные процессы». В основу последнего положена база данных о катастрофических лавинах во всем мире.
Морфометрическое исследование рельефа с применением ГИС
Подготовка материалов для морфометрического исследования изучаемой территории проведена в следующей последовательности: сканирование топографических карт, их векторизация и дополнительная оцифровка, создание цифровых морфометрических карт рельефа.
Следует отметить, что до настоящего времени научно-теоретическая и методическая основа применения ГИС-технологий в рекреационной геоморфологии разработана недостаточно. Нами впервые предпринята попытка провести морфометрическое исследование рельефа охраняемых территориях на примере Загатальского заповедника с применением ГИС-технологии.
На территории заповедника выделен 81 склон, для каждого склона определены экспозиция по восьми румбам, средние углы наклона, густота и глубина расчленения. С использованием средств ArcGIS и Corel Draw были составлены карты средних углов наклона склонов, глубины расчленения склонов, густоты горизонтального расчленения склонов и карта экспозиции склонов по восьми румбам в масштабе 1:100000 (рис. 1-4). По этим картам проведен картометрический и морфометрический анализ, обобщенные результаты которого были сведены в таблицы.
Рис. 1. Карта средних углов наклона склонов
Рис. 2. Карта глубины расчленения склонов
Рис. 3. Карта экспозиции склонов.
На рекреационный потенциал территорий влияет комплекс факторов. Среди них немаловажную роль играет рельеф, особенно его морфометрические показатели. Они позволяют судить об общих перспективах развития его инфраструктуры.
Краткая морфометрическая характеристика рельефа.
Средние углы наклона склонов территории Загатальского заповедника меняются от 200 до 450. С увеличением крутизны количество и площадь склонов увеличиваются. Преобладают склоны с крутизной 30-350 (сильно наклонные), они составляют 53,09% склонов и занимают 44,14% площади исследуемой территории. На склонах с крутизной свыше 200 постройка фундаментальных инженерных сооружений затруднена, а иногда и невозможна.
Глубина расчленения рельефа тесно связана со средними углами наклона. С ее увеличением увеличиваются средние углы наклона, затрудняется доступность территорий. Глубина расчленения рельефа в заповеднике практически повсеместно превышает 250 метров, с ее увеличением возрастает количество и площадь склонов. Преобладают склоны с глубиной расчленения свыше 1000 м (сильно расчлененные), они составляют 85,18% склонов и занимают 93,11% площади исследуемой территории. Такие склоны имеют большую обзорность, наблюдается высотная дифференциация географического ландшафта. Они труднодоступны и, иногда, недоступны из-за большой крутизны. Постройка фундаментальных инженерных сооружений нецелесообразна.
Показатель густоты горизонтального расчленения рельефа местами достигает 3км/кв.км. С увеличением густоты горизонтального расчленения количество и площадь склонов уменьшаются. Слабая расчлененность территории заповедника объясняется наличием сплошного лесного покрова. Преобладают склоны с горизонтальным расчленением 0-1км/кв.км (слабо расчлененные). Они составляют 67,91% склонов и занимают 51,43% площади исследуемой территории. Горизонтальная расчлененность затрудняет проходимость территорий.
Обычно при практической оценке комфортности и пригодности территории рассматривают склоны южной и северной экспозиции, поскольку склоны восточной и западной экспозиции по теплообеспеченности занимают промежуточное положение. В северном полушарии для хозяйственного освоения наиболее благоприятными являются склоны южной экспозиции. Здесь экзодинамические процессы (оползни, обвалы, камнепады и т.д.) менее активны, чем на северных склонах. Очень важно подчеркнуть, что влияние экспозиции на рекреационную деятельность и создание ее инфраструктуры тесно связано с абсолютной высотой местности. На склонах, имеющих небольшую абсолютную высоту, экспозиция существенно не влияет на рекреацию и туризм. Обычно наиболее благоприятными является склоны южной экспозиции, особенно там, где ценится тепло, а в тех районах, где солнечная энергия угнетающе влияет на людей и их рекреационно-туристическую деятельность, южная экспозиция считается неблагоприятной.
Территория заповедника в основном расположена в среднегорной и высокогорной зонах. Здесь наиболее благоприятными являются склоны южной экспозиции (юг, юго-запад, юго-восток). Они составляют 51,85% склонов и занимают 37,25% территории. А северные (север, северо-восток, северо-запад) склоны составляют 13,58% склонов и занимают 14,64% территории заповедника. Западные и восточные склоны получают почти одинаковую солнечную энергию. Склоны восточной экспозиции составляют 14,81% и занимают 21,89% территории заповедника, а западные, соответственно, 19,75% и 26,22%.