Використання ГІС-технологій у сніголавинні дослідженнях

Лавіноведеніе має у своєму розпорядженні солідним арсеналом методів оцінки поширення явища, вивчення динаміки його розвитку, прогнозу небезпеки. Завдяки створенню широкої мережі наземних спостережень, застосування дистанційних методів досліджень накопичено великий інформаційний матеріал про місця сходу лавин, їх повторюваності та інші параметри, фактори виникнення та катастрофічні наслідки (2). У деяких країнах (Австрія, Швейцарія, СРСР, Канада) створені кадастри лавин (3). Бази даних про лавини оформлені і в електронному вигляді (9). У Швейцарському інституті сніжних і лавинних досліджень зберігається інформація про більш ніж 8000 випадках сходів тільки катастрофічних лавин. Режимно-довідковий банк даних на магнітних носіях створений у Середньоазіатському науково-дослідному гідрометеорологічному інституті, до якого стікалася сніголавинні інформація з усієї території Радянського Союзу. Розроблені та реалізовані у вигляді карт методики картографування лавинної небезпеки в різних масштабах. Вінцем картографічного напрямку лавинних досліджень стали карти, створені для Атласу сніжно-льодових ресурсів світу (1).

Інформаційний бум і масова комп'ютеризація, що охопили планету на порозі 3 тисячоліття, сприяли розробки і просування нових технологій, спрямованих на упорядкування і якісну обробку величезних масивів даних. На зміну традиційним паперовим носіям, інформації, складання і обробка яких досить трудомісткі, прийшли цифрові карти та комп'ютерні бази даних. Об'єднання двох способів зберігання інформації дало імпульс розвитку принципово нової технології геоінформаційних систем (ГІС).

Наявність міцних зв'язків між різними організаціями, що здійснюють сніголавинні спостереження на території СРСР, дозволило вже в кінці 80-х років поставити завдання створення національної ГІС "Гляціологія", були сформульовані основні завдання, завдання, які при створенні ГІС, намічено її структура (4). На жаль, розвал СРСР не дозволив реалізувати даний проект в повній мірі. В цей же час з'являються перші розробки із застосуванням ГІС-технологій в інших країнах. До їх числа відносяться роботи Р. Топпе (22) про картографування природних небезпек і К. Ліда і Р. Топпе (17) про розрахунок максимальної дальності викиду снігових лавин з використанням цифрової моделі місцевості.

У загальному вигляді роль ГІС-технологій у лавинних дослідженнях зводиться до синтезу знань про рельєфі, кліматі і що передують події, з метою визначення можливості сходження снігових лавин. Для цього в середовищі ГІС оцифровуються вже готові карти або створюються нові проекти. Аналіз робіт, присвячених використанню ГІС у лавинних дослідженнях, показав, що ГІС-технології в даний час застосовуються для рішення наступних завдань:

Виявлення зон зародження лавин

Вихідний масштаб цифрової моделі рельєфу, яка використовується при створенні проекту, визначається фахівцями у відповідності зі специфікою розв'язуваних завдань. Матриця абсолютних висот рельєфу має крок на місцевості від 25 м (16) при великомасштабної основі до 200 і більше метрів (5). Виділення лавинонебезпечних територій проводиться шляхом аналізу відповідності умов території певним критеріям. В першу чергу оцінюється рельєф місцевості.

На що генерується карті кутів нахилу гірських схилів виділяються ділянки з найбільш сприятливими умовами для виникнення лавин. Діапазон значень крутизни потенційних зон лавиноутворення визначається за статистичними даними. Наприклад у Каталонських Піренеях найбільшу кількість лавин утворюється на схилах 28-50о (10), в долині Engadine (Швейцарія) (21) 30-50о, Кабардино-Балкарії 25-45о (5).

Для виділення лавинонебезпечних територій, а також для подальших розрахунків потрібно визначити можливість існування в межах досліджуваної території другого найважливішого чинника лавин - сніжного покриву. Для цієї мети залучаються дані стандартних метеорологічних і спеціалізованих польових спостережень, космо-і аерофотознімки.

ГІС-технології використовуються для моделювання процесів і явищ, що визначають умови сходу снігових лавин. З метою вивчення просторового розподілу сніжного покриву - виявлення зон акумуляція та зносу снігу, його динаміки, характеристик сніготанення генеруються карти експозиції схилів.

Товщина сніжного покриву розраховується з різним ступенем старанності: від спрощеного підходу - на схилах даної експозиції за багаторічними даними накопичення снігу більше ніж на інших схилах (15) - до складного розрахунку з використанням статистичних залежностей і моделювання снегопереноса (18, 19, 20 -- відповідно в Швейцарських Альпах, на Тянь-Шаню і в горах Шотландії).

У ГІС Кабардино-Балкарії (5) межа снігового покриву проводиться за даними багаторічних спостережень на метеостанціях і в лавинних вогнищах.

Розрахункову схему для окремого лавинного вогнища (вихідний масштаб 1:10 000) становить залежність товщини снігового покриву на ділянці схилу від висоти, крутості й орієнтації ділянки з використанням емпіричних коефіцієнтів (19).

M. Mases з колегами (18) моделюють розподіл снігу на лавинонебезпечному схилі з використанням емпіричного «вітрового коефіцієнта», що представляє собою ставлення акумульованого на ділянці протягом заметілі снігу до знесення. «Вітрові коефіцієнти» розраховані для 20 типових снежнометеорологіческіх ситуацій (поєднання швидкості вітру, кількості та форми опадів, що випадають) змінюються в залежності від пануючого напрямку вітру і можуть бути отримані для кожної завірюхи.

R. S. Purves і його колеги (20) з використанням цифрової моделі рельєфу визначають місця зносу та акумуляції снігу в залежності від напрямку та експозиції схилів, характеру поверхні снігу. Ділянки схилів представляються у вигляді осередків, переміщення матеріалу (снігу) походить від осередку до осередку.

За статистичними залежностей з використанням ГІС-технологій здійснюється розрахунок товщини снігу і щільності на віддалених ділянках в Льодовиковому національному парку в Монтані (8).

Наступним етапом виявлення лавинонебезпечних територій є

Визначення зон ураження

Творці ГІС Кабардино-Балкарії, обмежившись визначенням сприятливих для лавиноутворення схилів гір, автоматично виключили з розряду лавинонебезпечних що лежать нижче виположенние поверхні днищ долин. Методика виявлення лавинонебезпечних територій, успішно реалізована в дрібному масштабі (6), використаний у даній роботі (5) для середнього масштабу виявилася непридатною.

При визначенні максимальної дальності викиду лавин для генеруються засобами ГІС поздовжніх профілів вогнищ використовуються відомі моделі руху лавин (14), проводиться типізація профілів за формою і розрахунок із застосуванням регресійного аналізу (11).

Межі зон поразки уточнюються при польових дослідженнях, за результатами аерофотозйомок, фотознімками гірських схилів, опитуванням місцевих мешканців (10).

Значним підмогою при виділенні лавинонебезпечних територій могло б стати наявність у ГІС шару ландшафтів (рослинності). В даний час ландшафтний метод використовується спрощено - заліснених ділянки виключаються з числа потенційних зон зародження лавин (21), що методично не завжди і не скрізь виправдано.

Кінцевим продуктом операції виділення лавинонебезпечних територій є карти регіонів з кордонами лавинонебезпечних площ, зон поразки лавинами з різним ступенем ймовірності (10).

Створення кадастрів лавинних вогнищ, баз даних про лавини

Створення всіх проектів лавинних ГІС передбачає наявність статистичних даних. Сучасні програмні засоби (системи управління базами даних) ідеально підходять для зберігання і обробки інформації. Функція запитів до бази даних дозволяє здійснювати вибірки будь-якої необхідної інформації та представляти її у необхідному вигляді (9). Акумульовані в кадастр дані використовуються для отримання довідок про режимної інформації, створення методик прогнозу сходження лавин (21). Із застосуванням ГІС - технологій, забезпечується візуалізація даних про минулі події.

Прогноз лавинної небезпеки

Досить широко ГІС - технології застосовуються під час створення прогнозів сходження снігових лавин за методом подібності образів. Швейцарські дослідники (21) склали базу даних про сходження лавин - їх розмірах і метеорологічних умовах, які супроводжують обвалення, визначили і наклали на генеровані карту лавинонебезпечних територій частоту і дальність викиду лавин. Прогноз проводиться при порівнянні поточних метеоумов з критичними, що визначаються по базі даних. При цьому прогнозується час обвалення і розмір лавин.

Канадський дослідник (23) також використовує банк метеорологічних даних, пов'язаних з обваленням лавин. Метеоданние корелюються із структурою поверхневого шару снігу. Вивчення структури проводиться на репрезентативних ділянках - отримані результати апроксіміруются на всі подібні ландшафти (у даній моделі виділення ландшафтів здійснюється за допомогою космічних знімків).

Для складання прогнозу лавинної небезпеки співробітники Цехи протилавинні захисту ВАТ «Апатит» (7) з використанням цифрової моделі розповсюдження сніжного покриву отримують розподіл напруг в сніговій товщі на схилі.

Оригінальна методика прогнозу сходження снігових лавин із застосуванням ГІС - технологій запропонована для створення Національного сніголавинні бюлетеня Швейцарії (16). Топографічної основою служить цифрова модель рельєфу масштабу 1:25 000. Методика передбачає надходження оперативної снежнометеорологіческой інформації. Всім факторів лавиноутворення (геоморфологічними, що розраховується по цифровій моделі, і метеорологічних, отриманими за результатами спостережень) присвоюється залежно від значення свій ваговий коефіцієнт. Залежно від напрямку вологі потоку змінюється ваговий коефіцієнт орієнтації схилу. За значенням твори вагових коефіцієнтів визначається ступінь лавинної небезпеки відповідно до європейської шкалою лавинної небезпеки - кожного ступеня відповідають певні експертами порогові значення твору. Кінцевим продуктом є що генеруються засобами ГІС карти товщини снігового покриву, приросту снігу (за останню добу), суми щойно випав снігу за останні 3 дні, і, нарешті, карти прогнозу лавинної небезпеки на окремі гірські масиви і на всю територію країни. Уточнення прогнозу здійснюється фахівцями-лавінщікамі.

У найближчій перспективі створення методик прогнозу мокрих лавин. Цифрова модель рельєфу і генеровані шари кутів нахилу та експозиції схилів використовуються для розрахунку характеристик сніготанення. Отримані по цифровій моделі параметри схилів застосовуються для розрахунків, наприклад, надходження сонячної радіації (12).

Найбільш популярним програмним продуктом, використовуваним в лавіноведеніі є пакет ArcInfo, оснащений потужними модулями розширення (10, 11, 12, 14, 20, 21). Ряд завдань вирішується із застосуванням більш простих і дешевих програм, наприклад MapInfo (13) і Idrisi (15, 19). Елементи ГІС-технологій, робота з цифровою моделлю рельєфу використовуються в спеціалізованому програмному забезпеченні ELSA, створеному французькими лавінщікамі для моделювання та аналізу лавинних вогнищ (18).

Снігові лавини можуть бути безпосереднім об'єктом дослідження проекту ГІС. Базовою основою таких проектів служать, як правило, великомасштабні карти. Вони охоплюють невеликі за площею території: лавинонебезпечний схил (19), долину (21), окремий гірський хребет (10).

Окремим шаром (блоком) лавини входять до складу комплексних ГІС, що описують природні умови регіонів і створених для вивчення самих явищ, їх взаємозв'язків і їх впливу на процеси та явища (8). Для створення картографічної основи використовуються карти і знімки середнього масштабу.

Цілі створення ГІС - проектів, що включають лавину тематику, зводяться до визначення стану досліджуваної території на предмет виникнення лавинної небезпеки. Це:

- забезпечення планують, проектних, контролюючих організацій відомостями про поширення природних небезпек, створення земельного кадастру, вибір оптимальних місць під будівництво лінійних і площинних об'єктів (Росія, США, Швейцарія, Австрія і ін);

- екологічний контроль регіону - вплив лавин на динаміку ландшафтів, характер і межі рослинних угруповань (8);

- вибір безпечних шляхів пересування туристських груп (15);

- вивчення взаємозв'язків небезпечних природних і антропогенних явищ (Росія, США).

Перспективним напрямком для застосування ГІС-технологій є довгостроковий прогноз лавинної активності у зв'язку з глобальною зміною клімату, що розробляється в НДЛ снігових лавин і селів МГУ (13). Рішення даного завдання здійснюється в дрібному масштабі. Також дрібномасштабні є робочі проекти «Лавини Росії »і« Небезпечні гляціальні-нівальние процеси ». В основу останнього покладена база даних про катастрофічні лавини в усьому світі.

Список літератури

1. Атлас сніжно-льодових ресурсів світу. М., 1997.

2. Географія лавин. М.: Изд-во МГУ, 1992,, 334 c.

3. Кадастр лавин СРСР. 1984-1991. Л., Т.1-20, ГІМІЗ.

4. Кравцова В.І., Канаєв Л.А. ГІС «Гляціологія»: підсистема «Лавини». - МГІ, 1990, в.70, с.150-152.

5. Купцова А.В., Перекрест В.В.. Створена і працює ГІС Кабардино-Балкарській республіки. Інформаційний бюлетень ГІС-Асоціації. М., 1996, № 3 (5), с.24-25.

6. Трошкіна Е.С. Лавинний режим гірських територій СРСР. М.: Изд-во ВИНИТИ, 1992, 196 с.

7. Chernouss, P.A. and Yu.V.Fedorenko. Avalanche forecasting and hazard estimating in Khibini Mountaines. International Сonference "Avalanches and related subjects". Proceedings. "APATIT" JSC, Kirovsk, Russia, 1996, p. 154-160.

8. Fagre, D. Global change research program. Glacier national park. URL: http://www.mesc.usgs.gov/glacier/global.htm.

9. Fuchs, H. and H. Zehetbauer. Benchmark - digitaler Wildbach-und Lawinenkataster Benchmark - digitaler Wildbach-und Lawinenkataster. URL: http://bzgserver.boku.ac.at/forschung.htm

10. Furdada, G. 1996. Estudi de les allaus al Pirineu Occidental de Catalunya: prediccio espacial i aplicacions de la cartografia. Logrona, Geoforma ediciones. 316 p.

11. Furdada, G. and J. M. Vilaplana. 1998. Statistical prediction of maximum avalanche run-out distances from topographic data in the western Catalan Pyrenees (northeast Spain). Annals of Glaciology, 26, 285-288.

12. Gardiner, M.J., Ellis-Evans, J.C., Anderson, M.G. and M. Tranter. 1998. Snowmelt modelling on Signy Island, South Orkney Islands. Annals of Glaciology, 26, 161-166.

13. Glazovskaya T.G. 1998. Global distribution of snow avalanches and changing activity in the Northern Hemisphere due to climate change. Annals of Glaciology, 26, 337-342.

14. Gruber, U., Bartelt, P. and H. Haefner. 1998. Avalanche hazard mapping using numerical Voellmy-fluid models. NGI, Oslo, pub. Nr.203, 117-121.

15. Joseph, A. British Columbia backcountry database: A recreational GIS project. URL: http://www.ubc.ca.

16. Leuthold, H., Allgower, B. and R. Meister. 1997. Visualization and analysis of the Swiss avalanche bulletin using GIS. Proceedings of the International Snow Science Workshop 1996, Banff, Canada. 35-40

17. Lied, K. and R. Toppe. 1989. Calculation of maximum snow-avalanche run-out distance by use of digital terrain models. Annals of Glaciology, 13, 164-169.

18. Mases, M., Buisson, L., Frey, W. and G. Marti. 1998. Empirical model for snowdrift distribution in avalanche-starting zones. Annals of Glaciology, 26, 237-241.

19. Pertziger, F. 1998. Using of GIS technology for avalanche hazard mapping, scale 1:10 000. NGI, Oslo, pub. Nr.203, 210-214.

20. Purves, R.S., Barton, J.S., Mackaness, W.A. and D. E. Sugden. 1998. The development of a rule-based spatial model of wind transport and deposition of snow. Annals of Glaciology, 26, 197-202.

21. Stoffel, A., Meister, R. аnd J. Schweizer. 1998. Spatial characteristics of avalanche activity in an Alpine valley. Annals of Glaciology, 26, 329-336.

22. Toppe, R. 1987. Terrain models: a tool for natural hazard mapping. Avalanche formation, Movement and Effects. Davos. IAHS, 162, 629-638.

23. Weetman, G. Avalanche hazard modelling using GIS. URL: http://www.geog.ubc.ca/courses/klink/g472/class96/gweetman/project.html.

24. Селіверстов Ю.Г., Глазовська Т.Г. (НДЛ снігових лавин і селів Географічного факультету МДУ). Використання ГІС-технологій у сніголавинні дослідженнях.