Водное хозяйство

Природные водные ресурсы — моря, океаны, реки, озёра, болота, ледники, подземные воды и почвенная влага. Искусственно созданные — водохранилища. По территории России протекает около 120 тыс. рек протяжённостью более 2,3 млн км, общий речной сток — 10% мирового. Озёр более 2 млн, болот 100 тыс. Среди десятков тысяч водохранилищ 325 крупнейших с общей вместимостью около 10 млн м³. Территорию омывают воды 12 морей всех океанов, кроме Индийского. В эксплуатации 1777 месторождений подземных вод. Площадь арктических ледников 55,5 тыс. км², ледников вечной мерзлоты — 11 млн км². Более 20% мировых запасов пресной воды приходится на Россию.

Обеспеченность территории России слоем стока почти в 2 раза ниже среднемировых. 9/10 водных ресурсов сосредоточены в бассейнах Северного Ледовитого и Тихого океанов, где проживает менее 1/5 населения. Большая часть населения и хозяйства — в бассейнах Чёрного, Каспийского и Балтийского морей: менее 10% речного стока и наиболее явный дефицит.

На государственном и глобальном уровнях решение проблем загрязнения гидросферы включает прогрессивные методы (безотходные технологии, оборотные системы), полную очистку сточных вод и правильную утилизацию отходов.

По данным ДЗЗ и программным комплексам решают: инвентаризацию водохранилищ и водных объектов; гидрометеорологический мониторинг, эвапотранспирацию, гидрологическое моделирование, изменение землепользования и управление водными ресурсами; наблюдения за дамбами и гидротехническими сооружениями; оценку экологического состояния, аварийные сбросы и источники загрязнения; русловые процессы и микрорельеф дна на мелководье; прогнозирование и оперативный мониторинг наводнений; мониторинг водоохранных зон и несанкционированного строительства; споры, связанные с водопользованием и Водным кодексом РФ; биологическую продуктивность водоёмов и рыбоводческие задачи.

Также: картирование водных ресурсов и эвапотранспирации за несколько лет; карты осадков и ритма таяния снега; аудит запасов воды; оценка стока по уклону; скорость, направление, концентрация и время потока; подземные воды, ритм бурения и пополнения, уровень водоносного горизонта.

ГИС и активные/пассивные ДЗЗ: выбор места для плотины; пространственно-временная динамика водных объектов; временные ряды и обнаружение изменений; мультиспектральные, гиперспектральные, тепловизионные и радиолокационные системы; влажность почвы; водно-болотные угодья; машинное обучение для сбора воды и изменений; подводное картирование; спутниковая батиметрия мелководья.

Испытанные способы ДЗЗ воды — спутниковая съёмка в известных диапазонах, высокоточная тематическая аэрофотосъёмка и БПЛА; добавляются подводные беспилотные средства. Гиперспектральные датчики, БПЛА и искусственный интеллект расширяют получение данных о качестве воды.

SAR как микроволновый датчик обнаруживает воду днём и ночью в любую погоду: береговые линии, озёра и реки. Данные наблюдения Земли вместе с локальными (in situ) дают вклад в кадастры поверхностных вод, тематические карты для гидрогеологии (почвенно-растительный покров, геология поверхности, линеаменты, геоморфология) и биогеофизические параметры (качество и температура воды, влажность почвы). Повторяемость наблюдений даёт временные ряды.

Методы выделения воды: пороговый, опорных векторов, дерево решений, объектно-ориентированное извлечение и глубокое обучение; NDWI; фильтрация по радиолокации; текстура; комбинация с ЦМР. Оптика и радар взаимно дополняют друг друга. Фотограмметрия даёт количественную и качественную информацию, но зависит от геодезии и квалифицированного персонала.

Ханты-Мансийский автономный округ — Югра: рекомендации по цифровым топографическим картам и ДЗЗ при определении границ рыболовных участков; ТИС Югры как цифровая платформа. Система координат проекта WGS84 UTM (60 зон по 6 градусов). Векторизовано 753 водных объекта, каждый категоризирован по потенциалу промышленного рыболовства. Электронный макет: наименование участка, водный объект, площадь/длина, координаты точек, схема, масштаб, условные обозначения.

Челябинская область, озёра Смолино и Исаково: ортофотопланы масштаба 1:10 000 по космической съёмке сверхвысокого разрешения; рекогносцировка береговой полосы. Границы зоны затопления — при уровне обеспеченности P=1% (постановление Правительства от 18 апреля 2014 г. № 360). Модель взаимодействия поверхностных и подземных вод по гидроизогипсам УГВ. Результат: альбом картографических материалов М 1:10 000, жилые дома и объекты экономики в границах зон, координаты характерных точек для кадастра недвижимости.

Оценка рисков прорыва дамб: геодинамический мониторинг радарной интерферометрией. До прорыва (2017–2020) смещение поверхности 90 мм за три года; после ремонта (май 2020 – июнь 2022) — до 30 мм за два года. Ретроспектива показала опасные смещения задолго до прорыва.

Экологический мониторинг нефтяных загрязнений морской поверхности: автоматическое выделение участков на каждом снимке, векторные и растровые карты, статистика изменений, определение судна по АИС, судебная экспертиза.

Качество воды: алгоритмы поиска общего количества взвешенных веществ, хлорофилла-a (Chl-a), цветного растворённого органического вещества, химического потребления кислорода, общего азота и общего фосфора. Сравнение методов выделения воды (в т.ч. NDWI) применяли к бассейну реки Хуай в Китае и Нам Ко на Цинхай-Тибетском плато; пороговый метод по NDWI в обзоре назван более надёжным.