Erdas Imagine помогает исследовать вулканы

Александр Сидорин, НТЦ "Астроинформ"
тел. 490-9041 E-mail: asidorin@astroinform.ru

Объемная реконструкция трехмерных явлений, таких как вулканические извержения, мощные тропические циклоны, естественные и антропогенные катастрофы важна для исследования быстродействующих процессов на поверхности Земли и в атмосфере. Для этого используют изображения, полученные космической аппаратурой, самолетные и вертолетные снимки, данные наземных наблюдений. Если есть высококачественные стереопары с точной географической и геометрической привязкой, то задача реконструкции статического рельефа решается с достаточно высокой точностью и удовлетворяет многим практическим требованиям. Однако для трехмерной реконструкции быстроизменяющихся процессов нужны синхронные съемки, т.е. стереопары, сделанные с интервалом времени меньшим, чем характерные динамические времена регистрируемых процессов. Эта задача — дело ближайшего будущего. Пока же схема отрабатывается на архивных данных квазисинхронных наблюдений.

Интересным объектом для экологического стереомониторинга стал район Карымского вулканического центра на Камчатке, где в начале 1996 г. произошло одновременное извержение двух вулканов – Карымского и Академии Наук. Работы по анализу динамики рельефа, оценки дымовых шлейфов и выбросов извержений начаты в нашей организации вместе с сотрудниками Института вулканологии РАН.

Справка: вулкан Карымский — один из наиболее активных на Камчатке. Исторические сведения об извержениях Карымского вулкана есть с 1771 года. За это время отмечено более 200 продолжительных извержений вулкана, которые разделялись периодами покоя до 10 лет. Последнее извержение длилось с 1970 по 1982 год, после чего наступил самый длинный период покоя в нашем веке, длившийся до начала 1996 года. Вулкан Академии Наук, располагается в средней части Карымского вулканического центра. Деятельность его началась около 50 тысяч лет назад. В историческое время он не действовал. Его конус почти полностью разрушен, и северная часть вулкана занята круглым кальдерным озером Карымским, диаметром около 4 километров, глубиной до 80 метров.

В качестве исходных данных, кроме наземных наблюдений, использовались снимки аппаратуры КФА –1000 и МК-4, а также съемка с вертолета. Фотоаппараты КФА-1000 и МК-4, установленные на спутниках серии “Ресурс-Ф”, имеют разрешение 5 и 10 метров соответственно.

2 января 1996 г. начали одновременно извергаться сразу два вулкана. На вулкане Карымский возник боковой кратер диаметром 20-30 метров на юго-западной стороне, в 50 метрах ниже старого вершинного кратера. Пеплы и газы поднимались на высоту более километра и их шлейф протягивался в сторону океана на сотни километров. Расход пепла составлял несколько тонн в секунду (рис. 2).

Рис. 2. Извержение вулкана Карымский

В 6 километрах от вулкана Карымский начал извергаться второй вулкан - Академии Наук, который считали угасшим. Одновременно в северной части Карымского озера происходили мощные подводные вулканические взрывы. Высота волн достигала 10 метров, столбы воды и пара мощными фонтанами выбрасывались на высоту до 1 километра (рис. 3).

Рис. 3. Извержение вулкана Академии Наук

До извержения озеро было покрыто льдом, а в результате вулканической деятельности вода нагрелась до 25 градусов. Редкое явление природы - одновременное извержение двух вулканов - обернулось экологическим бедствием для этого живописного, почти не тронутого района Камчатки. Окрестности вулканов засыпало вулканическим пеплом. Источник прежде чистой горной речки Карымской был перегорожен отложениями взрывов, пойму залило грязевыми потоками. В результате извержения в озере возник полуостров площадью 0.7 кв. км (рис. 4).

Рис. 4. Полуостров, образовавшийся в
результате подводного извержения

Чтобы выяснить, как изменился рельеф, возникла задача построения цифровой модели рельефа (ЦМР) района. Для построения ЦМР в пакете IMAGINE OrthoMax версии 8.3. была обработана стереопара снимков (перекрытие 60 %) МК-4. Диапазон спектральной чувствительности позитивов составлял 640 – 690 нм, что наиболее пригодно для картографирования и построения ЦМР. Но, к сожалению, поверхность земли в районе съемки была заснежена и сам снимок имел высокий уровень шумов. С топографической карты масштаба 1:100 000, на основе которой была построена другая, эталонная ЦМР на район вулкана, с которой были сняты 22 опорные точки. В результате триангуляции были получены среднеквадратические значения ошибок по горизонтальным координатам 25 метров, по высоте 20 метров. Далее была создана ЦМР на район вулкана и озера. Сравнение новой и эталонной ЦМР показало, что вулкан вырос в среднем на 30 – 50 метров. Результаты наложения снимка КФА-1000 на ЦМР, сделанного в модуле VirtualGis пакета Erdas IMAGINE, представлены на рис. 5.

VirtualGIS предоставляет интересные возможности для вулканологов. На экране монитора можно в стереорежиме моделировать оптимальный маршрут полета для съёмки вулкана, наносить разные векторные объекты на рельеф, такие как лавовые потоки, борта кальдерных уступов, наземные маршруты и др.Не менее интересны приложения методов синхронного стереомониторинга к проблемам метеорологии и климатологии. Восстановление и анализ трехмерной структуры, измерение температуры верхней границы облачных образований может существенно помочь в решении задач оценки радиационного баланса Земли, процессов влагопереноса и др. Особый практический интерес для прогноза динамики и оценки энергетики представляет регистрация и восстановление трехмерной структуры интенсивных тропических циклонов - ураганов. Оценка объемной динамики облачных фрагментов (скорость которых достигает десятков метров в секунду) позволит не только лучше понять закономерности развития и эволюции тропических циклонов, но и оценить энергетику, уточнить прогноз траектории движения и времени существования разрушительного атмосферного вихря.Опыт работы в рамках этой проблемы подтвердил большие возможности и перспективность рельефной реконструкции и анализа сцен для оценки трехмерных процессов, интересных с точки зрения экологического стереомониторинга, изучения и охраны окружающей среды.Два комментария от редакции ArcReview.

1. Напомним, что сегодня стереопары космических снимков образуются, в отличие от стереопар аэроснимков, или съемкой одной и той же территории одним и тем же спутником с двух соседних последовательных витков орбиты при отклонении оптической оси съемочной камеры поперек направления движения спутника (например, SPOT), или съемкой с одного витка (при отклонении оптической оси вперед или назад вдоль движения (например, JERS). Второй вариант ближе к синхронным съемкам - разница во времени между кадрами стереопары может составлять секунды - первые минуты. Абсолютно синхронных космических съемок сегодня нет.

2. Наибольший интерес сегодня, как для данной задачи, так и в целом для цифровой фотограмметрии, представляет модуль IMAGINE OrthoBase, который обеспечивает гораздо более гибкие решения, чем OrthoMAX, в смысле возможности использования широкого набора геометрий сенсоров, к тому же еще с возможностями расширения его пользователями. Он существенно доступнее, так как работает на платформе Windows NT/95. Продающаяся сегодня версия 1.0, обеспечивает только триангуляцию и ортотрансформирование, но следующая версия будет иметь возможность построения регулярной ЦМР коррелятором. Нерегулярная ЦМР и другие измерения на стереомодели могут быть получены с помощью модуля StereoAnalyst для ERDAS IMAGINE, обеспечивающего дешифрирование в стереоскопическом режиме с созданием трехмерных шейп-файлов.