Одной из важнейших научных проблем в настоящее время является оценка трансформации природной среды в связи с изменением климата. Особое место в Узбекистане в свете глобального изменения климата занимает вопрос формирования речного стока и баланс водных ресурсов. Основными и практически единственными источниками чистой пресной воды в регионе являются ледники, расположенные в бассейнах рек Пскем, Чаткал, Кашкадарья и Сурхандарья, которые относятся к горным системам Тянь-Шаня и Гиссаро-Алтая. Количество воды, поступающей с ледника, зависит от суммарной площади оледенения и температуры воздуха в летний период. Главной целью проводимых нами исследований является, на основе данных полевых работ, результатов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), a также обобщения литературных и фондовых материалов, оценка площади оледенения бассейна реки Ойгаинг, левой составляющей реки Пскем. В данной статье приводятся результаты крупномасштабной съемки ледников с помощью БПЛА, которая была впервые проведена в Узбекистане. Работа проводилась сотрудниками Национального университета Узбекистана им. М. Улугбека факультета географии и геоинформационных систем и Центра гляциальной геологии Института геологии и геофизики им. Х. М. Абдуллаева.
Использование беспилотных аппаратов в изучении покровных и горных ледников имеет свою историю и в настоящее время во всем мире широко используется во многих направлениях географических исследований. Наиболее продолжительными и обширными работами являются исследования в Антарктике и на Шпицбергене. Также достаточно давно проводятся съемки ледников в Альпах и Непальских Гималаях.
В середине 1970 годов Финляндией и странами Восточной Европы, а также Средней Азии и Южного Кавказа была создана программа управления водными ресурсами (FinWaterWEI II). С 1992 года эти работы на новом техническом уровне, с использованием беспилотников, были продолжены с Гидрометеорологическими службами Киргизии и Таджикистана.
В дальнем зарубежье и в бывшем союзе (СНГ) все более широко используют беспилотные летательные аппараты (БПЛА) для мониторинга ледников, оползней, лавин и селей. Такие работы с 2017 года проводятся Национальным агентством охраны окружающей среды Грузии и сотрудниками Тбилисского государственного университета им. И. Джавахишвили в бассейнах рек Ингури и Рион.
Наиболее цитируемым и эффективным со стороны получаемых результатов является исследование в Непальских Гималаях, проводимое группой ученых и студентов Утрехтского университета, Нидерланды. Съемки, проведенные с БПЛА, позволили получить цифровые модели рельефа и ортофотопланы, выполнить расчет сезонных поверхностных скоростей ледника Лирунг.
С 1 января 2015 года в Узбекистане был введен полный запрет на ввоз, реализацию и использование беспилотников. В настоящее время юридические лица могут применять беспилотники для своих целей со специальным разрешением. Дроны и материалы, полученные с помощью спутников, используются для мониторинга туристических зон, оценки степени эксплуатации ирригационных систем и водных ресурсов.
Использование беспилотных аппаратов в исследовании нивально-гляциальных зон является перспективным, так как метод позволяет проводить аэрофотосъемку с меньшими финансовыми затратами, а также безопасен в исследовании труднодоступных высокогорных районов. Беспилотник, будучи полностью автоматизированным и имеющим широко функциональный программный комплекс, дает возможность получать точные плановые и высотные координаты исследуемых ледниковых массивов. Применение БПЛА позволяет оперативно получать необходимую информацию и создавать более точные модели, так как обработка данных полностью автоматизирована и проводится на базе хорошего программного обеспечения. Как указывает, снимки, выполненные с помощью БПЛА, имеют пространственное разрешение в пределах 3 см. Отметим, что из космоса оно не превышает 30–40 см.
Применение БПЛА в определении площади ледника Текешсай (бассейн реки Ойгаинг), так же как и любые другие, включает в себя несколько видов работ: геодезические, гляциологические и метеорологические. Перед непосредственным проведением работ по космическому снимку или карте исследуемого района выделяются зоны аккумуляции, переходная, абляции и язык ледника. В основном выделение происходило по предположительному характеру таяния в данной зоне. После проведения всех геодезических измерений и необходимой обработки приступили к планированию полетов. Аэрофотосъемочные полевые работы осуществлялись с помощью специального топографического аэрофотоаппарата — полностью автоматизированного беспилотного летательного аппарата (БПЛА) «Геоскан Lite», управляемого электрическими командными приборами (рис. 1. А, Б).
Рисунок 1. А) БПЛА «Геоскан Lite»
Б) Площадь охвата съемочных работ БПЛА
Съемка производилась по маршрутам, прокладываемым с запада на восток и обратно параллельно друг другу, и далее совершался облет ледникового района по намеченным с помощью DGPS ориентирам. Стрелка прогиба маршрута к его длине не превышала 2% от длины.
Величина продольных углов наклона двух смежных кадров маршрута и взаимных поперечных углов наклона на перекрывающейся части двух смежных аэрофотоснимков соседних маршрутов не превышали 3°. После предварительной обработки были составлены ортофотопланы участков, преобразованные в топографические. При изготовлении топографических планов производилась фотограмметрическая обработка аэрофотоснимков методом камерального дешифрирования с использованием специализированной программы. Производилось преобразование снимков из центральной проекции в ортогональную с помощью метода ортотрансформирования. При дешифрировании производилось опознавание объектов на снимках, определение их количественных и качественных характеристик по изображению, нанесение границ площадных и линейных объектов и местоположения точечных объектов в соответствии с требованиями действующих условных знаков.
Составительский и издательский оригинал топографического плана был выполнен с использованием программы AutoCAD для персональных компьютеров с генерализацией всех элементов топоплана и приведения их в соответствие условным знакам. По результатам работ составлены инженерно-топографические планы ледников в масштабе 1:2000 с сечением рельефа горизонталями 1,0 м. Построение 3D-модели местности выполнено с использованием современных программных продуктов по трехмерной фотограмметрии.
Информация о каждой фотографии записывается в специальный файл: высота, угол поворота камеры, данные долготы и широты. Программа использует технологии машинного зрения и фотограмметрии для нахождения общих точек на многих фотографиях. В результате каждому пикселю на фотографии находится цветовое соответствие на других фотографиях. Каждое соответствие становится ключевой точкой. Если ключевая точка найдена на трех фотографиях и более, программа строит эту точку в пространстве. Чем больше таких точек, тем лучше определяются координаты точки в пространстве. Следовательно, чем больше пересечений между фотографиями, тем точнее будет модель. Пересечение от 60 до 80 % является оптимальным.
В процессе обработки фотографий было создано расширенное облако точек (совокупность всех 3D-точек), которое используется для генерирования поверхности, составленной из полигонов. В заключительной части работы было вычислено разрешение и определено, какому полигону соответствуют пиксели на фотографии. Для этого 3D-модель развертывается в плоскость, и затем пространственное положение точки ставится в соответствие оригиналу фотографии для задания цвета.
По результатам работ составлены электронные 3D-карты ледникового района Текешсай с известными координатами и высотными отметками (рис. 2).
Рисунок 2. А) 3D-карта ледникового района Текешсай
Б) Карта ледникового бассейна Текешсай в 3D-формате
Ледники, отснятые с помощью БПЛА, были также идентифицированы на местности (рис. 3).
Рисунок 3. Ледники Текешсайской группы, идентифицированные на местности
Таким образом, для оценки современного состояния оледенения бассейна реки Пскем в верховьях ее основного притока, реки Ойгаинг, в частном ледниковом бассейне Текешсай в августе 2022 года с помощью БПЛА была произведена съемка ледника Текешсай-1 и его бывших притоков: ледников Текешсай-2, Текешсай-3 и № 119. Номера приведены согласно существующему каталогу ледников. Съемка была выполнена на площади порядка 200 га или 2 км2. В результате проведенных исследований получены высокоточные координатные и высотные привязки языков ледников, которые позволят проводить ежегодный мониторинг состояния оледенения в бассейне реки Пскем, а также использовать методику съемки с БПЛА вкупе с обработкой снимков высокого разрешения для дистанционного зондирования всех существующих на сегодняшний день горных ледников, расположенных в пределах Узбекистана.
Ссылки на источники, используемые в статье, были удалены. Библиография доступна в оригинальной публикации.
Автор статьи: Сабитова Н.И. (НУУз им. Мирзо Улугбека, Узбекистан).
Опубликовано в сборнике трудов конференции «Актуальные проблемы естественных наук», Петропавловск — Сургут — Баку — Ташкент, 2024, стр. 273-277.
Издательство: Северо-Казахстанский университет им. М. Козыбаева.