Η χαρτογράφηση κινδύνου χιονοστιβάδων με τα δορυφορικά στοιχεία και ένα ψηφιακό μοντέλο εδάφους
Από RemoteSensing Wiki
Η χαρτογράφηση κινδύνου χιονοστιβάδων με τα δορυφορικά στοιχεία και ένα ψηφιακό μοντέλο εδάφους
Urs Gruber και Harold Haefner Applied Geography vol. 15, No 2, pp 99 - 113, 1995
Δεδομένου ότι η χαρτογράφηση κινδύνου χιονοστιβάδων είναι μια πολύ χρονοβόρα υπόθεση, στόχος μας είναι να αναπτύξουμε μια κατάλληλη μέθοδο για να χαρτογραφήσουμε τις μεγάλες απομακρυσμένες περιοχές. Αυτό είναι βασισμένο στα δορυφορικά imagery στοιχεία και σε ένα ψηφιακό μοντέλο εδάφους (DEM) που εξετάζεται σε δύο τόπους στις ελβετικές Άλπεις. Για να μιμηθεί τον κίνδυνο χιονοστιβάδων, το υπάρχον Salm- Voellmy πρότυπο τροποποιήθηκε για το περιβάλλον υπολογιστών και επεκτάθηκε να περιλάβει τα χαρακτηριστικά των χιονοστιβάδων μέσα στη δασική έκταση. Τα δάση ταξινομήθηκαν με θεματικό Mapper Landsat (TM) στοιχεία.
Μέχρι τώρα, μόνο μια ενιαία δασική κατηγορία έχει καθιερωθεί. Ενώ ο χωρισμός του δάσους, του θάμνου και των μη-δασικών περιοχών κοντά στο timberline δημιουργεί τα προβλήματα, η ταξινόμηση των μικρών ενάρξεων και των διαδρομών χιονοστιβάδων μέσα στο δάσος ήταν επιτυχής. Η σύγκριση με τον υπάρχοντα κτηματολογικό χάρτη χιονοστιβάδων αποκάλυψε ότι 85 τοις εκατό των περιοχών κινδύνου ήταν σωστά ταξινομημένα. Ο διαχωρισμός στις καθορισμένες «κόκκινες» και «μπλε» ζώνες κινδύνου `, αφ' ενός, δεν ήταν ικανοποιητικός. Για μια λειτουργική εφαρμογή, οι περαιτέρω βελτιώσεις είναι απαραίτητες. Εντούτοις, η γενική προσέγγιση είναι πολύ ελπιδοφόρα και πρέπει να οδηγήσει στους πιο αξιόπιστους χάρτες κινδύνου για λόγους προγραμματισμού, καθώς επίσης και στις νέες και καλύτερες ιδέες στις αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις μεταξύ του χιονιού και του δάσους.
Ο στόχος της χαρτογράφησης κινδύνου χιονοστιβάδων είναι να αποτραπεί η καταστροφική ζημία στους ανθρώπους, τα ζώα, τις τακτοποιήσεις και τις εγκαταστάσεις μεταφορών. Οι ενδεχομένως επικίνδυνες περιοχές πρέπει είτε να είναι χωρίς τεχνητές κατασκευές, είτε συγκεκριμένες προφυλάξεις πρέπει να ληφθούν. Ένας χάρτης κινδύνου χιονοστιβάδων ενημερώνει για το μέγεθος, τη συχνότητα και την έκταση περιοχής της ζώνης κινδύνου των πιθανών χιονοστιβάδων. Στην Ελβετία, οι χάρτες κινδύνου χιονοστιβάδων έχουν υπάρξει από 1878 (Frutiger, 1980). Σήμερα συντάσσονται από τους τοπογραφικούς χάρτες και από την παρατήρηση τομέων βασισμένη στη μακροπρόθεσμη εμπειρία και τα αρχεία (Salm και λοιποί., 1990). Σε άλλες περιοχές βουνών, όπως τα Ιμαλάια, ούτε οι μεγάλης κλίμακας χάρτες ούτε τα μακροπρόθεσμα αρχεία παρατήρησης δεν υπάρχουν. Η καθιέρωση μελέτης χιονιού και χιονοστιβάδων (SASE) σε Manali (Himachal Pradesh) υποστηρίζει τις προσπάθειες να καθιερωθούν οι παρόμοιοι μεγάλης κλίμακας χάρτες για το ινδικό μέρος των Ιμαλαίων ως εργαλείο προγραμματισμού για τα έργα υποδομής μεταφορών και τουριστών. Αλλά η έκταση της περιοχής που χαρτογραφείται είναι πολύ μεγαλύτερη και οι περιοχές είναι πιο απομακρυσμένες απ'ό, τι στις Άλπεις, απαιτώντας κατά συνέπεια μια διαφορετική μεθοδολογική προσέγγιση. Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης, μαζί με τα μαθηματικά πρότυπα, ταιριάζουν ιδιαίτερα στην ενίσχυση στην επίλυση αυτών των προβλημάτων και την παραγωγή των επαρκών εγγράφων προγραμματισμού.
Ο στόχος της παρούσας μελέτης, επομένως, είναι να αξιολογηθεί η δυνατότητα των υψηλής ευκρίνειας δορυφορικών καλολογικών στοιχείων (Landsat-TM, σημείο-XS) για τη χαρτογράφηση κινδύνου χιονοστιβάδων και να αναπτυχθεί μια κατάλληλη μέθοδος για τις απέραντες, απομακρυσμένες περιοχές βουνών όπως στα Ιμαλάια. Οι αναπόφευκτες προϋποθέσεις περιλαμβάνουν τις ακριβείς πληροφορίες για την τοπογραφία (ύψος, γωνία κλίσεων και πτυχή, παραδείγματος χάριν), η οποία είναι μόνο ανιχνεύσιμη από ένα ψηφιακό μοντέλο εδάφους (DEM). Ως εκ τούτου, η διαθεσιμότητα των υψηλής ευκρίνειας DEM περίπου του ίδιου χωρικού ψηφίσματος όπως τα δορυφορικά καλολογικά στοιχεία είναι ουσιαστικά. Επιπλέον, το DEM απαιτείται επίσης για την κωδικοποίηση των δορυφορικών εικόνων και για την εξαγωγή χαρακτηριστικών γνωρισμάτων. Για μια προσεκτική αξιολόγηση όλων των προβλημάτων και για να αναπτύξουν τη μέθοδο, δύο περιοχές στις ελβετικές Άλπεις με τα μακροπρόθεσμα αρχεία παρατήρησης των στατιστικών κλίματος, βλάστησης, χιονιού και χιονοστιβάδων, και με την καλή δυνατότητα πρόσβασης, επιλέχτηκαν. Ένα υψηλής ευκρίνειας DEM είναι διαθέσιμο και για τις δύο περιοχές δοκιμής. Οι περιοχές χρησιμοποιήθηκαν και πριν ως περιοχές δοκιμής για τις δορυφορικές μελέτες ταξινόμησης των μονάδων κάλυψης εδάφους όπως το χιόνι και το δάσος (Seidel και λοιποί., 1989 Itten και λοιποί., 1991). Επέτρεψαν μια λεπτομερή αξιολόγηση των αποτελεσμάτων και επαλήθευση της ακρίβειας των αποτελεσμάτων.
Το Μοντέλο
Χάρτες κινδύνου κατολίσθησης
Οι πιο παλιοί χάρτες κινδύνου κατολίσθησης είναι το κτηματολόγιο κατολισθήσεων. Όλες οι παρατηρημένες κατολισθήσεις είναι απαριθμημένες και ταξινομημένες για να βοηθήσουν να αποτρέψουν την περαιτέρω ζημία σε αυτές τις περιοχές. Αλλά τα κτηματολόγια κατολισθήσεων δεν δίνουν οποιαδήποτε στοιχεία για τους πιθανούς κινδύνους χιονοστιβάδων που προκαλούνται από τις ακραίες ή μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες. Η απόσταση εξάντλησης και η δυναμική είναι τα κριτήρια για τη διαίρεση μιας περιοχής σε διαφορετικές ζώνες κινδύνου. Στην Ελβετία, οι χάρτες κινδύνου χιονοστιβάδων παρουσιάζουν συνήθως τρεις διαφορετικούς βαθμούς κινδύνου: κόκκινο (υψηλός κίνδυνος), μπλε (μέτριος κίνδυνος) και λευκό (κανένας κίνδυνος). Τα κριτήρια για τη διάκριση μεταξύ των υψηλών και μέτριων κινδύνων είναι: (1) η συγκεκριμένη πίεση ώθησης μιας χιονοστιβάδας: εάν η πίεση χιονοστιβάδων υπερβαίνει το όριο kPa 30, είναι ταξινομημένο ως υψηλός κίνδυνος (2) συχνότητα του περιστατικού: οι μικρότερες χιονοστιβάδες με μια ώθηση χαμηλότερη από το όριο 30 Κ PA αλλά με μια υψηλή συχνότητα και με μια επιστροφής περίοδο, παραδείγματος χάριν, 30 ετών είναι επίσης ταξινομημένες ως υψηλός κίνδυνος. Η σκιαγράφηση μεταξύ μέτριου και κανενός κινδύνου είναι η απόσταση εξάντλησης μιας ακραίας χιονοστιβάδας. Οι χάρτες κινδύνου χιονοστιβάδων εξετάζουν μόνο τα ακραία γεγονότα χιονοστιβάδων. Για να υπολογίσουν τις διαφορετικές ζώνες κινδύνου, η ζώνη εξάντλησης και οι δυνάμεις πίεσης των χιονοστιβάδων με μια στατιστική επιστροφής περίοδο 30 και 300 ετών, αντίστοιχα, χρησιμοποιούνται. Τα κριτήρια που επιλέγονται, επομένως, διαφέρουν αρκετά από εκείνους που χρησιμοποιούνται για να καθορίσουν μια κανονική χιονοστιβάδα.
Το πρότυπο Salm-Voellmy
Το πρότυπο που χρησιμοποιείται στις ελβετικές Άλπεις περιγράφεται λεπτομερώς και εμφανίζεται σε διάφορα πρακτικά παραδείγματα Salm και λοιποί. (1990). Μόνο οι θεμελιώδεις πτυχές απαραίτητες να καταλάβουν την εφαρμογή της στο περιβάλλον υπολογιστών θα εξηγηθούν εδώ. Τρεις γενικοί περιορισμοί πρέπει να επισημανθούν. (1) τα αποτελέσματα των δυνάμεων μιας χιονοστιβάδας δεν εξετάζονται, εκτός από τη σημασία τους στο χωρισμό της κόκκινης από την μπλε ζώνη κινδύνου . (2) το πρότυπο δεν εξετάζει τις χιονοστιβάδες σκόνης χιονιού λόγω των πολύ σύνθετων φυσικών διαδικασιών αυτού του τύπου χιονοστιβάδων. Αυτό προκαλεί μια ανησυχητική ανεπάρκεια στη χαρτογράφηση χιονοστιβάδων, επειδή οι χιονοστιβάδες σκόνης χιονιού είναι γενικά εξαιρετικά καταστροφικά γεγονότα. (3) τα αποτελέσματα σχετικά με το δάσος επίσης δεν λαμβάνονται υπόψη. Συγκεκριμένα, το πρότυπο δεν προσφέρει τις ακριβείς πληροφορίες σχετικά με τους όρους κάτω από τους οποίους μια χιονοστιβάδα θα εισαχθεί σε ένα δάσος, πώς επιβραδύνεται από τα δέντρα, ή τη ζημία που προκαλεί στο δάσος. Τα αποτελέσματα στα δάση κοντά στην ζώνη αποψίλωσης συζητούνται από Gubler και Rychetnik (1991) τα των οποίων συμπεράσματα ενσωματώθηκαν στο τροποποιημένο πρότυπο (δείτε παρακάτω).
Ο προσδιορισμός της διαδρομής χιονοστιβάδων
Ο προσδιορισμός μιας διαδρομής χιονοστιβάδων είναι διευκρινισμένος στο σχήμα 1. Η διαδρομή αρχίζει μέσα στην αρχική ζώνη, μια περιοχή χωρίς δέντρα με μια κλίση 28-50». Ο όγκος της απαλλαγής χιονιού υπολογίζεται στο χαμηλότερο όριο αυτής της ζώνης. Η χιονοστιβάδα στο δρόμο της προς τα κάτω έπειτα εισάγει τη ζώνη της μετάβασης, όπου η ταχύτητα και το ύψος της μπορούν να υπολογιστούν σε οποιοδήποτε σημείο ενδιαφέροντος.
Σχήμα
Η ζώνη εξάντλησης αρχίζει σε μια γωνία κλίσης που εξαρτάται από το u συντελεστή τριβής (tgψ = μ). Εντούτοις, οι παράμετροι που καθορίζουν τη απόσταση εξάντλησης και οι δυνάμεις πίεσης υπολογίζονται στο σημείο Π (δείτε το σχήμα Ι). Αυτό είναι τοποθετημένο υψηλότερο επάνω, όπου η κλίση είναι 3-4 πιο απότομη (Salm και λοιποί., 1990). Για τη μετάβαση διαστολής μεταξύ του σημείου Π και της πραγματικής αρχής της ζώνης εξάντλησης, το πρότυπο θεωρεί ότι οι παράμετροι χιονοστιβάδων δεν αλλάζουν. Τα αποτελέσματα που αξιολογούνται για το σημείο Π χρησιμοποιούνται έπειτα άμεσα για να υπολογίσουν τη ζώνη εξάντλησης.
Παράμετροι
Οι παράμετροι χιονιού που απαιτούνται είναι:
(1) μέσο πάχος του χιονιού στην αρχική ζώνη, η οποία χρησιμοποιείται για να υπολογίσει τη μάζα χιονιού μιας ρέουσας χιονοστιβάδας
(2) παράγοντας της ταραχώδους τριβής 5, η οποία εξαρτάται πρώτιστα από τις συνθήκες επιφάνειας της διαδρομής, όπως η τραχύτητά της, η διοχέτευση, και ο αριθμός μεγάλων αντικειμένων που παρακωλύουν τη ροή του κινούμενου χιονιού
(3) συντελεστής τριβής (u), ο οποίος εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά χιονιού (θερμοκρασία, δομή, πυκνότητα, αντίτιμο ύδατος, και η κατακόρυφος πίεσης στην επιφάνεια).
Οι σημαντικές παράμετροι ανακούφισης είναι:
(1) κλίση της γωνίας (+) στην αρχική ζώνη, τη ζώνη της μετάβασης και τη ζώνη εξάντλησης
(2) μεγαλύτερη οριζόντια επέκταση της αρχικής ζώνης
(3) έναρξη της ζώνης εξάντλησης(σημείο Π)
(4) πλάτος της χιονοστιβάδας στο σημείο Π
Ο προσδιορισμός της διαδρομής χιονοστιβάδων στις δασικές περιοχές
Οι χιονοστιβάδες γενικά δεν επηρεάζεται από την τραχύτητα επιφάνειας (Salm, 1982), αλλά η τραχύτητα μπορεί να είναι σχετική όταν υπάρχει μόνο μια ελαφριά κάλυψη χιονιού (όπως τον πρώιμο χειμώνα), όταν μπορεί σοβαρά να παρακωλύσει η τραχύτητα επιφάνειας τη μετακίνηση χιονιού. Εντούτοις, με το αυξανόμενο πακέτο χιονιού, αυτή η επίδραση εξαφανίζεται σχεδόν εντελώς. Τα αντικείμενα μικρότερα από 1 μ, καθώς επίσης και η χλοώδης και βοτανική βλάστηση, είναι επομένως καμίας σημασίας στον υπολογισμό του πιθανού κινδύνου χιονοστιβάδων. Εντούτοις, τα δέντρα και οι θάμνοι έχουν μια μεγάλη επιρροή στο σχηματισμό και τη δυναμική των χιονοστιβάδων. Εάν οι θάμνοι καλύπτονται από το χιόνι, ένας ανώμαλος καθορισμός του χιονιού και ένας επικίνδυνος αέρας μέσα σε αυτό μπορούν να εμφανιστούν, αυξάνοντας αρκετά τον κίνδυνο έναρξης χιονοστιβάδων (Salm, 1982). Το πυκνό δάσος αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό εμπόδιο για τις χιονοστιβάδες, αλλά κάθε δάσος δεν προσφέρει την ικανοποιητική προστασία. Τα δέντρα βλάπτονται συνεχώς από τις ρέουσες μάζες χιονιού και από τους βράχους που μεταφέρονται εκεί μέσα. Ως εκ τούτου, η δομή, η πυκνότητα και η υγεία των δασών στα βουνά είναι ιδιαίτερα σημαντικές παράμετροι στον καθορισμό του πιθανού κινδύνου χιονοστιβάδων.
Έναρξη μιας χιονοστιβάδας στα πυκνά δάση
Η θερμοκρασία του αέρα, η πτώση, ο αέρας, σύντομα και μακρά κύματα ακτινοβολίας και άλλα διαφέρουν εντυπωσιακά στα πυκνά δάση σε σύγκριση με τους τομείς χωρίς δάση της παρόμοιας θέσης, με συνέπεια τα πολύ διαφορετικά χαρακτηριστικά κινδύνου χιονοστιβάδων (Gubler και Rychetnik, 1991). Γενικά, έχει αποδειχθεί ότι το πυκνό, υψηλό, αειθαλές δάσος μέσα σε μια αρχική ζώνη είναι η καλύτερη προστασία χιονοστιβάδων (Salm, 1982). Αφ' ενός, τα πυκνά δάση με τα άφυλλα δέντρα το χειμώνα (αγριόπευκα, δέντρα πλατύφυλλων) εμποδίζουν τις χιονοστιβάδες σε έναν πολύ μικρότερο βαθμό. Παραδείγματος χάριν, η ακτινοβολία έναντι των μη-δασικών περιχώρων μόνο ελαφρώς μειώνεται (Salm, 1990). Οι στάσεις των μεγάλων, άφυλλων δέντρων παρουσιάζουν συχνά συνεχές, σταθερό χιόνι, παρόμοιο με αυτό που βρίσκεται στις ζώνες χωρίς δάση.
Ανοικτά δάση και ανοίγματα
Το όριο μεταξύ του πυκνού και ανοικτού δάσους δεν μπορεί να σκιαγραφηθεί ακριβώς για την αξιολόγηση κινδύνου χιονοστιβάδων. Για να φθάσει στους αρχικούς όρους απαραίτητους να αρχίσουν μια χιονοστιβάδα, ένα άνοιγμα ενός ελάχιστου μεγέθους απαιτείται, ανάλογα με τη γωνία κλίσεων. Ο πίνακας 1 απαριθμεί το κρίσιμο μέγεθος των ανοιγμάτων που απαιτούνται για να αρχίσουν μια χιονοστιβάδα.
Κίνδυνοι για το δάσος Η δασική ζημία που προκαλείται από τις χιονοστιβάδες εξαρτάται από τη μάζα, την ταχύτητα και τη διοχέτευση χιονιού, καθώς επίσης και από τη δασική πυκνότητα.. Gubler και Rychetnik (199 1: 25ff) έχουν αναλύσει αυτές τις παραμέτρους, διαπιστώνοντας ότι εάν μια χιονοστιβάδα που αποτελείται από το ξηρό χιόνι φθάνει σε μια ταχύτητα 20m ST, μια χιονοστιβάδα σκόνης χιονιού μπορεί να αναπτυχθεί. Τέτοιες χιονοστιβάδες είναι πιο επικίνδυνες στο δάσος από μια κανονική χιονοστιβάδα, δεδομένου ότι τα κύματα πίεσής τους ασκούν άμεση επίδραση στις κορώνες δέντρων ή προκαλούν τη ζημία στους μίσχους. Η δασικές πυκνότητα και η ανακούφιση ζημίας παρουσιάζονται στο σχήμα 2. Τα δάση που επιδρούν κατευναστικά στις χιονοστιβάδες δεν μπορούν να εκφραστούν στους ακριβείς αριθμούς. Οι Gubler και Rychetnik (1991) δηλώνουν μόνο ότι ακόμη και στα πυκνά δάση μια χιονοστιβάδα με ένα ύψος μεγαλύτερο από 1 μ θα χάσει πολύ από το υλικό της, αλλά θα διαβεί γενικά το δάσος. Δεν θα σταματήσει εκτός αν μπει σε μια περιοχή όπου η γωνία κλίσεων είναι λιγότερο από 10’’. Η μόνη φυσική μεταβλητή στο πρότυπο που χωρίζει σαφώς το δάσος από τις περιοχές χωρίς δάση είναι ο συντελεστής τριβής, ο οποίος πρέπει να καθοριστεί εμπειρικά.
Η ολοκλήρωση των δορυφορικών στοιχείων και το πρότυπο δορυφορικής ανύψωσης Δορυφορικά Στοιχεία
Ο κύριος στόχος μιας ταξινόμησης είναι να παραχθούν οι εξακριβωμένες πληροφορίες για το βαθμό, την πυκνότητα και τη δομή του δάσους. Αυτό χρησιμοποιείται άμεσα στο πρότυπο προσομοίωσης κινδύνου χιονοστιβάδων. Μόνο τα υψηλής ευκρίνειας δορυφορικά στοιχεία μπορούν να παρέχουν αυτές τις πληροφορίες (όπως Landsat TM και το SPOT).
Το ψηφιακό μοντέλο εδάφους
Δεδομένου ότι τα δορυφορικά στοιχεία συλλαμβάνονται ως εικονοστοιχεία, είναι πιο κατάλληλο να χρησιμοποιήσει το DEM σε μορφή οριζόντιων αδιαμόρφωτων γραμμών. Η ζώνη ανύψωσης, η γωνία κλίσης και η πτυχή μπορούν να προέλθουν από το DEM. Επιπλέον, η γωνία κλίσης στα διαφορετικά μέρη μιας διαδρομής χιονοστιβάδων και της κατεύθυνσης που παίρνει μπορεί να καθοριστεί (δηλαδή η πλέον πιθανή πορεία της χιονοστιβάδας).
