Состояние исследований в Казахстане по приоритетам научно-технологического развития. Космические исследования (стр. 21 )

Модульный принцип дает возможность создавать различные модели в рамках этой подсистемы, улучшать, редактировать, заменять. Эта подсистема легла в основу дальнейшего развития работ по моделированию пыльных бурь Приаралья.

Аральская трагедия вылилась в целую серию негативных последствий - от деградации животного мира до аридизации климата. Среди них, особенно значительно изменился ветровой режим Приаралья с частыми штормовыми явлениями, сопровождаемые выносом огромного количества песка и соли с осушенного дна Аральского моря. Эти пыльные бури являются одним из пусковых механизмов опустынивания огромных прилегающих к Аралу, территорий. При этом, перенос аэрозоля носит трансграничный характер, и вредному воздействию этих явлений подвержены практически все центрально-азиатские страны и Россия. Проблема усугубляется дальнейшим обмелением Арала и непрерывным образованием новых очагов выноса аэрозолей.

Наземные наблюдения носят, как правило, ограниченный характер т. к. не могут охватить всю территорию. Кроме того, они достаточно трудоемкие и дорогостоящие вследствие чрезвычайно неблагоприятных условий пребывания на осушенном дне Аральского моря. В этой связи весьма актуальным является использование методов математического моделирования и дистанционного зондирования. Математические модели, адаптированные к реальным условиям, позволяют оценить такие важнейшие факторы, как объем выносимого аэрозоля, расстояние, на которое он выносится, количество частиц, выпадающих на поверхность и пр.

Использование методов геоинформационного моделирования не только позволяют описывать процесс пыльных бурь, выполнять их комплексный анализ, но и осуществляют дружественный интерфейс с пользователями, что является чрезвычайно актуальным для выработки конкретных решений по управлению территорией.

В результате исследований [150] разработан моделирующий комплекс системы мониторинга пыльных бурь Приаралья, полностью погруженный в геоинформационную среду и использующий развитый инструментарий геоинформационного моделирования. Подсистема моделирования включает в себя иерархиюматематических моделей, процедуру сравнительного анализа результатов моделирования с данными дистанционного зондирования и дружественный интерфейс с пользователями. Создана комплексная модель подъема и выноса аэрозольных частиц в виде иерархии следующих процедур:

-идентификация потенциально возможных очагов подъема аэрозоля на осушенном дне Аральского моря на базе ландшафтной карты, построенной по данным дистанционного зондирования;

-  расчет дисперсной структуры аэрозолей на подстилающей песчаной поверхности, с использованием эмпирической функции распределения частиц по размерам;

-  расчет порогового значения динамической скорости трения м*, в
зависимости от среднемодального размера частиц песка и эмиссионной способности выделенных очагов;

-  расчет вертикального потока массы аэрозоля, формирующегося выше слоя сальтации, за счет турбулентной диффузии;

-  моделирование шлейфов дальнего переноса аэрозолей с высохшего дна Аральского моря, путем решения трехмерного уравнения турбулентной диффузии в Гауссовом приближении.

Для наиболее характерных эпизодов, идентифицированных в системе
космического мониторинга пыльных бурь Приаралья, выполнен
сравнительный анализ с модельными расчетами.

Моделирующий комплекс спроектирован и реализован с ориентацией на практическое использование. В зависимости от запросов пользователей результаты расчета можно применить для планирования экспедиционных наблюдений, для оценки эффективности мероприятий по закреплению очагов выноса аэрозолей, оценки возможного ущерба от выпадения частиц на прилегающие территории и т. д.

В настоящее время комплекс используется в Казахском научно-исследовательском институте мониторинга окружающей среды и климата (КазНИИМОСК) при анализе данных натурных наблюдений и выборе наиболее важных участков экспедиционных исследований на высохшем дне Аральского моря.

Для эффективного анализа состояния лесных экосистем необходимо знание основных закономерностей развития лесных территорий как природного комплекса, находящегося под влиянием сложных естественных и антропогенных факторов [151].

Вследствие того, что лесные территории Республики Казахстан находятся в труднодоступных районах (на востоке и юге), а также имеют мелкоструктурный характер и разбросаны на больших территориях (на севере), традиционные наземные наблюдения являются весьма дорогостоящими. Такие наблюдения несут, как правило, ограниченный характер и не решают задачу комплексного анализа состояния лесных территорий.

Многообразие типов лесного покрова, климатического режима, рельефных и ландшафтных особенностей, влияние антропогенных и природных факторов требуют комплексного решения задачи мониторинга лесных территорий с использованием данных аэрокосмического дистанционного зондирования и наземных наблюдений.

Лесные экосистемы представляют сообщества сложных структурных территориальных комплексов. Для анализа их состояния (вырубки, болезни, пожары, др.) и типовой идентификации (хвойный, лиственный, смешанный) необходима разработка специальных методов и алгоритмов цифровой обработки больших объемов спектрозональных данных аэрокосмического дистанционного зондирования.

В результате исследований [151] создана численная модель расчета распространения лесных пожаров. Разработаны: алгоритм текстурной классификации для анализа плотностных характеристик лесных экосистем по аэрокосмическим снимкам; методика обработки аэрокосмических данных и составления электронных карт лесных территорий; методика анализа разновременных космических изображений для обнаружения территорий природной и техногенной деградации. Предложен комплекс программ для геометрической коррекции, классификации изображений, их анализа по характеристикам Эйлера. Проведены расчеты распространения лесных пожаров. Показано соответствие расчетных и фактических площадей сгоревших лесов. В Восточно-Казахстанской области выявлены территории масштабных вырубок (уменьшение плотности текстуры).

Подготовлено автоматизированное рабочее место для решения лесокадастровых задач с использованием данных дистанционного зондирования и наземных наблюдений. Разработанный комплекс программ для оперативного анализа состояния лесных экосистем ориентирован на практическое использование в повседневной работе специалистов лесокадастровых организаций.

В настоящее время разработанный комплекс программ используется для ведения аэрокосмического мониторинга лесных территорий, определения районов их деградации, а также для обнаружения очагов лесных пожаров и прогнозирования их распространения.

Методы и алгоритмы анализа состояния лесных территорий, предложенные в диссертационной работе, применяются в департаменте ГИС «Национального центра по радиоэлектронике и связи» РК, а также в РГП «ЛесПроект» и РГКП «ЮжГеодезия».

Рост индустриализации и концентрации населения в городских и промышленных районах создали серьезные проблемы, связанные с атмосферным загрязнением локальных территорий. Решение этих проблем связано с такой сложнейшей процедурой, как управление качеством воздуха, включающей в себя компоненты мониторинга, прогноза и принятия решений. Если при долгосрочном планировании основным природным фактором является климат территории, то краткосрочный прогноз загрязнения атмосферы опирается на текущие метеорологические факторы. Соответственно, в прогностических задачах является весьма актуальным типизация и прогноз возможных метеоситуаций. Только решив такую задачу, можно вести оперативный анализ времени пребывания загрязняющих веществ на выделенной территории, переноса облака либо шлейфа примеси над различными районами, эффективности принятия оперативных мер по регулированию выбросов и др. [152].

Задача оперативного объективного прогноза метеоситуаций наиболее сложна и актуальна для территорий с характерными природными особенностями. В частности для городов, расположенных в горной местности, степень загрязненности воздушного бассейна сильно зависит от метеорологических факторов (скорости ветра, температурной стратификации атмосферы, влажности и др.).

В работе [152] была поставлена задача разработать и реализовать в составе системы ТОПАЗ (Текущий Объективный Прогноз Атмосферных Загрязнений) процедуру прогноза метеорологической ситуации, способствующей накоплению вредных примесей в атмосфере города Алматы. При этом метеорологическая ситуация должна характеризоваться полями метеорологических величин (ветер, инверсия и др.) в объеме воздушного бассейна города.

В результате исследований проанализированы характеристики синоптических полей и выделены показатели, идентифицирующие состояние атмосферы, в виде ежесуточных полей геопотенциальной поверхности Н500 первого естественного синоптического района;

- модифицирована и программно реализована методика классификации полей, основанная на принципе минимума расстояния. В результате ее использования выделены шесть основных классов метеоситуаций, способствующих повышенному уровню загрязненности города Алматы;

- построены эталонные поля метеоэлементов, соответствующие каждому классу и выделены наиболее вероятные значения параметров, используемых в расчетных моделях системы ТОПАЗ;

- разработан блок идентификации текущей метеоситуации с использованием прогностической карты Н500 в режиме оперативного прогноза.

Получена и реализована методика объективного прогноза динамики полей загрязнения в атмосфере города, характеризующегося сложной циркуляционной картиной ветровых потоков.

Разработанная технология предназначена для использования в текущей работе Гидрометеорологической службы и служб мониторинга окружающей среды в городах юго-восточной части Казахстана, расположенных в горной местности. Разработанный алгоритм может служить основой для процедуры классификации и прогноза загрязнения атмосферы в различных географических районах. Необходимо отметить, что система ТОПАЗ была сдана в эксплуатацию и неоднократно использовалась при выработке научно-обоснованных архитектурно-планировочных решений в Генеральном плане развития города Алматы и территориально-комплексной схеме охраны природы Алматы и Алматинской области [152] . По данным дистанционного зондирования с привлечением материалов наземных съемок разработана методика поисков месторождений полезных ископаемых. Подготовлены кадастр, реестр и карта проявлений полезных ископаемых, мелкомасштабная геологическая карта [153]. Таким образом, создана методическая и информационная основа для дальнейшего развития инфраструктуры Национальной системы космического мониторинга и создания ГИС-технологий космического мониторинга.