Table of Contents

Географические информационные системы (ГИС) стали незаменимыми инструментами для понимания одной из самых насущных экологических проблем нашего времени: быстрой трансформации ледников Земли в ответ на изменение климата.Эти сложные платформы пространственного анализа позволяют ученым, исследователям и экологическим менеджерам отслеживать, анализировать и прогнозировать ледниковые движения с беспрецедентной точностью, обеспечивая критическое понимание того, как замороженные ландшафты нашей планеты реагируют на потепление температур.

Глациологи картируют и отслеживают ледники по целому ряду причин, включая оценку глобальных и региональных климатических тенденций, выявление рисков, повышение уровня моря, пресноводных ресурсов и здоровья и стабильности экосистем. Интеграция ГИС-технологии со спутниковым дистанционном зондированием, цифровыми моделями высот и климатическими данными революционизировала нашу способность документировать и понимать эти изменения в пространственных масштабах, начиная от отдельных ледников до целых горных хребтов и ледяных шапок.

Основы ГИС в гляциологии

По своей сути ГИС обеспечивает основу для организации, анализа и визуализации пространственных данных, связанных с ледниковыми системами. Использование ГИС для анализа данных облегчает сравнение картографированных районов и позволяет количественно оценивать изменение ледников путем расчета изменений длины и площади ледников. Эта возможность превращает необработанные спутниковые снимки и полевые измерения в действенные данные о поведении ледников и реакции климата.

Технология значительно эволюционировала за последние десятилетия. Современные ГИС-платформы могут обрабатывать огромные объемы данных из нескольких источников одновременно, включая оптические спутниковые снимки, радиолокационные данные, цифровые модели возвышения и наземные измерения. Последние достижения в облачных вычислительных платформах, таких как Google Earth Engine, значительно расширили возможности автоматизированного картирования ледников, а благодаря использованию обширных архивов спутниковых изображений платформа Google Earth Engine облегчает более полное понимание последствий глобального изменения климата для криосферы.

Технические требования к осуществлению ГИС-мониторинга ледников становятся все более доступными. Специалист по мониторингу должен обладать базовым пониманием методов дистанционного зондирования и быть компетентным в использовании ГИС, а необходимые материалы и оборудование включают крупномасштабные цифровые изображения с геоссылками и рабочую станцию ГИС. Эта демократизация технологии позволила большему числу научно-исследовательских учреждений и природоохранных учреждений участвовать в глобальных усилиях по мониторингу ледников.

Понимание ледниковых движений с помощью пространственного анализа

Движение ледника представляет собой один из наиболее динамичных аспектов этих ледяных масс, а ГИС обеспечивает множество подходов для отслеживания и анализа этого движения. Скорость поверхности ледника является мерой скорости, с которой ледник движется вниз по склону под действием силы тяжести, через процессы скольжения по его ложу и внутреннюю деформацию льда. Понимание этих движений имеет важное значение для прогнозирования будущего поведения ледника и оценки потенциальных опасностей.

Спутниковые измерения скорости

Понимание динамики ледников включает в себя мониторинг их движения, и исследователи разработали спутниковые ежегодные продукты скорости потока поверхности ледника для Европейских Альп, охватывающие период с 2015 по 2021 год, и эти наборы данных обеспечивают ценную информацию о моделях потока ледников, способствуя всестороннему пониманию поведения ледников в ответ на климатические изменения. Эти продукты скорости генерируются с использованием сложных методов корреляции изображений, которые отслеживают особенности на поверхности ледника между последовательными спутниковыми приобретениями.

Традиционные методы измерения скорости ледника включали в себя как алгоритмы отслеживания интенсивности, так и алгоритмы отслеживания признаков. В то время как большинство исследований основаны на методах отслеживания интенсивности, для получения движения льда использовались несколько алгоритмов отслеживания признаков, таких как SIFT (Scale-Invariant Feature Transform), SURF (Speeded-Up Robust Features) или ORB (Oriented FAST and Rotated BRIEF). Каждый подход имеет сильные стороны и ограничения в зависимости от характеристик ледника и условий поверхности.

Последние инновации в области глубокого обучения повысили точность измерений скорости ледника, особенно в сложных условиях. Подход глубокого обучения может быть особенно полезен в ситуациях больших колебаний скоростей ледника, для обнаружения межсезонной динамики ледника или если большие поверхностные изменения присутствуют из-за ротационного преобразования или абляции, и этот рабочий процесс глубокого обучения может также иметь решающее значение для гляциологических приложений, где исследуются мелкомасштабные процессы с использованием поверхностных скоростей, таких как внезапное и интенсивное ускорение полей льда, связанных с дренажем ледоконтактных озер.

Обнаружение изменений высоты

Измерение изменений высоты поверхности ледника дает важную информацию о приросте или потере массы льда. Изменения подъема измеряются с помощью радиолокационных и лазерных альтиметрических миссий, таких как CryoSat-2 и ICESat-2, которые посылают импульсы к поверхности Земли и записывают время возврата для определения высоты ледника. При интеграции в платформы ГИС эти измерения высоты могут быть сопоставлены в течение периодов времени для количественной оценки изменений толщины льда и расчета баланса массы.

Изменения рельефа поверхности ледников Аляски в районе Панхандл около Джуно с 2000 по 2016 год показывают, что почти все ледники имеют отрицательный баланс массы: летом накапливается и прилипает гораздо меньше снега, чем тает. Такие визуализации, ставшие возможными благодаря ГИС-анализу, обеспечивают интуитивное представление сложных гляциологических процессов.

Оценка влияния изменения климата на ледники

Связь между изменением климата и поведением ледников сложна и многогранна. ГИС позволяет исследователям интегрировать несколько климатических переменных с гляциологическими данными, чтобы всесторонне понять эти отношения.

Анализ температуры и осадков

Интеграция климатических данных представляет собой одно из самых мощных применений ГИС в гляциологии. Накладывая данные о температуре и осадках на измерения протяженности ледника и баланса массы, ученые могут идентифицировать конкретные климатические факторы изменения ледника. Точные, своевременные данные о балансе массы ледника и движении информируют о стратегиях хранения воды, борьбы с наводнениями и гидроэлектроэнергетики, и поскольку изменение климата продолжает влиять на динамику ледника, эти инструменты становятся все более важными для устойчивого планирования ресурсов.

Данные о температуре воздуха и осадках в зоне ERA5-Land уменьшены до более тонкого разрешения 1 км, а влияние ежегодных и сезонных изменений в уменьшенных метеорологических факторах на протяженность ледника количественно. Эта интеграция климатических данных с высоким разрешением позволяет более точно отнести изменения ледников к конкретным климатическим переменным.

Региональная изменчивость в реакции ледника

Анализ ГИС показал, что реакция ледников на изменение климата значительно варьируется в разных регионах. Технологии дистанционного зондирования, такие как радар с синтезированной апертурой (SAR) и спутниковые снимки от Landsat и MODIS, обеспечивают детальные измерения динамики льда, выявляя существенную региональную изменчивость в потере льда, особенно в Арктике и Антарктике. Понимание этой изменчивости имеет важное значение для разработки стратегий адаптации к конкретным регионам.

Сравнительный анализ на основе ГИС различных горных хребтов и климатических зон помогает определить, какие ледники наиболее уязвимы для продолжающегося потепления и какие факторы обеспечивают некоторую устойчивость.

Долгосрочный анализ тенденций

Одним из наиболее ценных вкладов ГИС в исследования изменения климата является способность анализировать долгосрочные тенденции в поведении ледников. Во всем мире ледники теряли массу 267 гигатонн в год, с 2000-2019 гг. на них приходилось 21% наблюдаемого повышения уровня моря. ГИС-платформы позволяют интегрировать исторические данные с современными измерениями, чтобы установить эти тенденции со статистической строгостью.

Ледники отступили за последнее столетие в результате изменения климата, особенно в Арктике, в результате чего уровень моря повысился, затронув прибрежные сообщества и потенциально изменяя глобальные погодные и климатические модели, и между 1985-89 и 2019-21 годами результаты показывают, что общая потеря ледниковой площади в Новой Земле составляет 1319 ± 419 км2 (5,7% площади), 452 ± 227 км2 (6,6%) для ледяной шапки Пенни, 457 ± 168 км2 (23,6%) на острове Диско и 196 ± 84 км2 (25,7%) в Кенае.

Расширенные применения ГИС в гляциологии

Помимо базового мониторинга, ГИС позволяет проводить сложные анализы, которые способствуют нашему пониманию ледниковых систем и их взаимодействия с более широкой системой Земли.

Мониторинг отступления ледников и их продвижения

Отслеживание изменений протяженности ледников с течением времени представляет собой одно из фундаментальных применений ГИС в гляциологии. Для проведения картографирования использовались цифровые аэрофотосъемки и спутниковые снимки с помощью Географической информационной системы (ГИС), а в качестве ориентиров использовались наземные фотографии, сделанные с близлежащих хребтов и вершин. Этот многоисточниковый подход обеспечивает комплексную документацию позиций ледникового поля.

Использование спутниковых снимков для анализа в последние годы обеспечивает гораздо более высокое разрешение и более четкое определение маржи ледников по сравнению с аэрофотоснимками, и в некоторых случаях спутниковые снимки высокого разрешения 2015 года использовались для того, чтобы помочь нанести на карту маржи ледников из предыдущих аэрофотосъемок, где обломки горных пород, покрывающие лед, были исключены из ледового периметра или где сильное затенение затруднило определение маржи. Эти технологические улучшения повысили точность и надежность измерений протяженности ледника.

Возможность количественной оценки скорости отступления дает важную информацию для понимания реакции ледников на климатические воздействия. Воздушные и спутниковые снимки позволили идентифицировать и оцифровать морены, что позволило ученым оценить форму и площадь большинства ледников в Национальном парке Глейшер, датируемые примерно 1850 г. Сравнение исторических ледниковых протяженностей с современными измерениями показывает величину изменений в десятилетних временных масштабах.

Анализ массы льда с течением времени

Массовый баланс представляет собой чистый прирост или потерю льда из ледниковой системы. Баланс массы ледника относится к добавлению или потере льда в леднике с течением времени. Оценки баланса массы на основе ГИС объединяют измерения изменения высоты с данными о площади ледника для расчета объемной потери льда.

Региональные оценки периода 2000–2014 годов представляют собой первую оценку изменения массы ледника в масштабах всей Альпы и выявляют повсеместное истончение поверхности даже в самых верхних пределах нижних альпийских горных хребтов, а общая потеря массы составляет 1,3 ± 0,2 Гт а-1 с 2000 года, что соответствует примерно −1,2% а-1 объема ледника в начале 21 века. Такие комплексные оценки возможны только благодаря возможностям пространственного анализа, предоставляемым ГИС.

Моделирование на основе дистанционного зондирования улучшает понимание процессов накопления и абляции и количественную оценку баланса массы ледника с использованием многоспектральных спутниковых изображений, поскольку несколько ледниковых регионов мира по-прежнему плохо контролируются, поскольку полевые измерения для непрерывного мониторинга в больших масштабах или в сложной суровой местности являются дорогостоящими, трудоемкими и трудными, а повышенная доступность цифровых данных от различных спутников дистанционного зондирования при соответствующем пространственном и временном разрешении обеспечивает возможность регулярного мониторинга изменений в геоморфологии ледника и его параметрах по большим областям интересов и более длительным периодам времени, необходимым для анализа устойчивости.

Предсказание будущих ледниковых изменений

ГИС-платформы позволяют разрабатывать и применять прогностические модели, которые прогнозируют будущие изменения ледников в различных климатических сценариях. Эти модели объединяют историческое поведение ледников, климатические прогнозы и понимание физических процессов для прогнозирования будущих условий.

Ожидается, что площадь ледника будет сокращена на 10,92% (SSP1-2,6), 25,44 % (SSP2-4,5) и 55,42 % (SSP5-8,5) для всего Тибетского плато. Такие прогнозы на основе сценариев помогают политикам и менеджерам ресурсов понять диапазон возможных вариантов будущего и планировать соответственно.

Пространственные возможности ГИС особенно ценны для определения того, какие конкретные ледники или ледниковые регионы наиболее уязвимы для будущих изменений. По прогнозам, площадь ледников значительно сократится во всех подзонах в соответствии со сценарием высокого давления SSP5-8.5, при этом ожидается, что к концу века ледники, свободные от мусора, в зоне III исчезнут. Эта пространственная специфика позволяет осуществлять целенаправленный мониторинг и усилия по адаптации.

Оценка вклада повышения уровня моря

Понимание вклада таяния ледников в повышение уровня моря представляет собой критическое применение мониторинга ледников на основе ГИС. Почти все альпийские ледники Земли теряют массу, что приводит к последствиям для пресноводных ресурсов, стабильности ландшафта, региональных экосистем и глобального уровня моря. ГИС позволяет агрегировать данные о потерях массы ледников в разных регионах для расчета общего вклада в объем океана.

Отступление ледников может привести к неустойчивому водоснабжению в крупных реках и увеличить геоопасность, такую как расширение ледниковых озер и внезапные наводнения, которые могут угрожать средствам к существованию в районах, расположенных ниже по течению. Оценки опасности на основе ГИС помогают выявлять общины и инфраструктуру, подверженные риску из-за опасностей, связанных с ледниками.

Источники данных и спутниковые платформы для ГИС-анализа

Эффективность ГИС в гляциологии в значительной степени зависит от качества и доступности входных данных.Множественные спутниковые платформы и источники данных способствуют осуществлению комплексных программ мониторинга ледников.

Оптические спутниковые снимки

Большинство исследований опираются на оптические изображения, особенно Landsat-8 и Sentinel-2, в то время как Sentinel-1 служит дополнительным источником радара. Программа Landsat с ее многолетним архивом, датируемым 1972 годом, предоставляет бесценный ресурс для долгосрочного анализа изменения ледников. Согласованное пространственное разрешение и спектральные характеристики изображений Landsat позволяют надежно обнаруживать изменения в течение нескольких десятилетий.

Спутники Sentinel-2 предлагают улучшенное пространственное и временное разрешение по сравнению с Landsat. Программа Sentinel 2 состоит из спутников-близнецов, запущенных Европейским космическим агентством, которые способны захватывать изображения Земли с разрешением 10-60 м и последовательно захватывать изображения от 56 ° S до 84 ° N каждые 5 дней, и в отличие от наших глаз, спутниковая система может обнаруживать энергию в видимой, ближней инфракрасной и коротковолновой инфракрасной частях электромагнитного спектра, а ложные цветные изображения, объединяющие три конкретные полосы энергии, отлично подходят для изучения ледников, потому что они способны обнаруживать и дифференцировать лед и снег.

Данные радара и альтиметрии

Данные радара с синтезированной апертурой (SAR) обеспечивают критические возможности для мониторинга ледников, особенно в регионах с частым облачным покровом, где оптические изображения ограничены. Для измерения изменений ледников используются данные радара с синтезированной апертурой (SAR) из миссии по топографии челнока (SRTM) в 2000 году и миссии TerraSAR-X-Add-on для измерения цифрового подъема (TanDEM-X), а также оптические изображения программы Landsat.

Всепогодные возможности SAR для получения изображений в дневное время делают его особенно ценным для мониторинга ледников в полярных регионах и высокогорных хребтах. Мониторинг ледниковых озер в горных районах остается проблемой в пасмурные дни из-за ограничений радиолокационного излучения и непригодности оптических данных. Несмотря на эти ограничения, дополнительное использование оптических и радиолокационных данных обеспечивает более полное временное покрытие, чем один из источников.

Базы данных о глобальных ледниках

Global Land Ice Measurements from Space (GLIMS) Initiative’s Glacier Database — это глобальный инвентарь наземного льда, включающий топографию поверхности, меру ледниковых изменений, а данные GLIMS распространяются через NSIDC Distributed Active Archive Center (NSIDC DAAC) и предоставляются конечным пользователям через GLIMS Glacier Database, а GLIMS был разработан для использования данных в основном из Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER), одного из пяти инструментов на борту спутника НАСА Terra.

Эти глобальные базы данных содержат стандартизированные контуры и атрибуты ледников, которые служат основополагающими наборами данных для ГИС-анализа. Инициатива Global Land Ice Measurements from Space (GLIMS) предоставляет глобальную базу данных контуров ледников, в основном полученных из спутниковых изображений, а контуры ледников, особенно контуры тех же ледников, нанесенные на карту с течением времени, являются важным набором данных и необходимы для оценки воздействия изменения климата.

Машинное обучение и искусственный интеллект в ГИС-анализе ледников

Интеграция методов машинного обучения и глубокого обучения с ГИС-платформами открыла новые рубежи в мониторинге и анализе ледников. Эти передовые вычислительные методы могут обрабатывать огромные объемы спутниковых изображений и извлекать гляциологическую информацию с беспрецедентной эффективностью и точностью.

Автоматическое картирование ледников

Комплексный обзор имеет важное значение для быстрого роста популярности методов искусственного интеллекта для дистанционного зондирования ледниковых озер и исследований десятилетия (2015-2024) исследований мониторинга ледниковых озер из космоса с акцентом на классические подходы машинного обучения и глубокого обучения. Эти автоматизированные подходы могут обрабатывать тысячи спутниковых изображений для картирования ледниковых протяженностей по всем горным хребтам.

Объектно-ориентированный анализ изображений (OBIA) представляет собой один подход к автоматизированному картированию ледников. Исследователи нанесли на карту 2203 ледника с использованием объектно-ориентированного анализа изображений (OBIA), применяемого к многоспектральным спутниковым снимкам Landsat в Google Earth Engine (GEE), чтобы количественно оценить изменения площади ледника в течение трех десятилетий. Этот подход сегментирует изображения на значимые объекты, а не анализирует отдельные пиксели, часто производя более точные очертания ледников.

Глубокое обучение для извлечения функций

Низкозатратная многокамерная система, предназначенная для мониторинга 4D ледников, использует стереофотограмметрия глубокого обучения, и подход объединяет многовременную 3D-реконструкцию со стереокамер и оценку скорости поверхности с моноскопической камеры через цифровую корреляцию изображений, а для решения проблем, связанных с широкими базовыми линиями камеры в сложных средах, современные алгоритмы сопоставления функций глубокого обучения были интегрированы в ICEpy4D, инструментарий Python, предназначенный для 4D-мониторинга.

Алгоритмы глубокого обучения отлично справляются с выявлением закономерностей и особенностей в сложных изображениях, которые могут быть трудными для обнаружения традиционными алгоритмами. Они изучают иерархические представления и превосходят классические методы ML во многих областях наук о Земле. Эта способность особенно ценна для обнаружения тонких изменений характеристик ледника или идентификации ледников в сложной местности.

Проблемы и ограничения

Эти методы, основанные на данных, также имеют ограничения, включая высокие требования к данным и вычислительным данным, большие размеры моделей, которые препятствуют развертыванию, проблемы в географической переносимости и спорную интерпретируемость и объяснимость.

Оценка ледниковых рисков с использованием ГИС

Помимо мониторинга изменений ледников, ГИС предоставляет необходимые возможности для оценки и картирования связанных с ледниками опасностей, которые угрожают человеческим сообществам и инфраструктуре.

Ледниковое озеро: Вспышки наводнений

Ледниковые озера являются неотъемлемой частью региональных пресноводных систем, хранят талую воду и влияют на гидрологические циклы, и из-за их динамичной природы, некоторые из этих озер являются источниками наводнений, угрожающих жизни и критической инфраструктуре во всем мире, и более 3000 ГЛОФ были зарегистрированы с 850 по 2022 год, в то время как общая площадь ледникового озера увеличилась примерно на 22% за десятилетие между 1990 и 2020 годами.

Многовременное наблюдение за ледниковыми озерами полезно для оценки опасности ГЛОФ, разработки систем раннего предупреждения для защиты сообществ, расположенных ниже по течению, и улучшения управления водными ресурсами. ГИС позволяет комплексно оценивать риск путем интеграции данных о протяженности, объеме и стабильности ледниковых озер с данными о населении ниже по течению и инфраструктурной информацией.

Маппинг лавины и дебри

Отступление ледников привело к значительным изменениям моделей стока на сезонных, межгодовых и десятилетних масштабах, и одновременно существует растущий риск ледниковых опасностей, включая лавинные потоки, ледниковые потоки мусора и наводнения ледниковых озер, и эти события представляют значительную угрозу для жизни и имущества во всем регионе.

Анализ рельефа на основе ГИС может идентифицировать районы, подверженные массовым движениям, связанным с ледниками. Объединив цифровые модели возвышения с данными о протяженности ледников и климатическими прогнозами, исследователи могут картировать зоны растущей опасности, поскольку ледники отступают и дестабилизируют окружающую местность.

Приложения по управлению водными ресурсами

Ледники служат критически важными резервуарами для хранения воды во многих горных регионах, и понимание изменения ледников имеет прямые последствия для управления водными ресурсами и планирования.

Сезонные модели Runoff

Точная оценка потери массы ледника имеет важное значение для понимания чувствительности ледника к изменению климата и последствиям отступления или всплеска ледника, а таяние ледника влияет на стоки и доступность воды, от которых зависят питьевые и ирригационные запасы воды и выработка гидроэлектрической энергии.

ГИС позволяет моделировать вклад таяния ледников в поток в разные сезоны и при различных климатических сценариях. Эта информация необходима для руководителей водных ресурсов, планирующих операции по водохранилищам, графики орошения и выработку гидроэлектроэнергии.

Долгосрочная водная безопасность

Тибетское плато, часто называемое Третьим полюсом, содержит самую большую концентрацию ледников за пределами полярных регионов, и эти ледники являются неотъемлемой частью регионального водного цикла и являются жизненно важным источником воды для районов ниже по течению, и текущий баланс массы ледника показал сильное отступление ледников с ускоренной скоростью, и это в первую очередь было связано с потеплением климата.

Анализ на основе ГИС помогает определить, какие водосборные бассейны наиболее уязвимы для сокращения вклада таяния ледников и разработать стратегии адаптации.

Полевая валидация и данные о грунтовой правде

Хотя спутниковый ГИС-анализ обеспечивает всеобъемлющий пространственный охват, полевые измерения по-прежнему имеют важное значение для проверки продуктов дистанционного зондирования и понимания процессов ледников в мелких масштабах.

Программы ледников Benchmark

Проект USGS Benchmark Glacier Project направлен на решение сложных научных проблем в области снега и льда по всей Северной Америке для содействия усиленному мониторингу, анализу и прогнозированию изменения горных ледников, а также используя опыт в USGS, этот проект сочетает в себе наследственное наблюдение за ледниками с дистанционным зондированием и современными аналитическими методами для создания новой информации и предоставления соответствующей, действенной науки.

Эти долгосрочные программы мониторинга предоставляют бесценные наборы данных для калибровки и проверки оценок изменения ледников на основе ГИС. Сочетание подробных полевых измерений с широкомасштабным дистанционном зондированием создает всестороннее понимание поведения ледников.

Новые технологии

Дрон-монтируемая GPR дает исследователям возможность изучать снежные слои, толщину льда и подледниковые особенности, где традиционные полевые работы невозможны, и они могут проводить исследования недр с высоким разрешением, не гуляя по опасной местности.Эти новые технологии предоставляют данные в масштабах, промежуточных между спутниковыми наблюдениями и традиционными полевыми измерениями, заполняя важные пробелы в нашем понимании.

Проблемы и ограничения в мониторинге ГИС-ледников

Несмотря на огромные возможности ГИС для анализа ледников, необходимо признать и устранить ряд проблем и ограничений.

Доступность и качество данных

Во многих случаях основным ограничением этого метода является высокая стоимость получения крупномасштабных спутниковых или аэрофотоснимков.Хотя многие спутниковые наборы данных в настоящее время находятся в свободном доступе, коммерческие снимки с высоким разрешением могут быть чрезмерно дорогими для некоторых исследовательских приложений.

Воздушные снимки горных районов часто содержат затененные участки, которые могут скрывать ледниковые поля, что затрудняет интерпретацию ледниковой границы. Эти проблемы качества данных требуют тщательного внимания во время анализа и могут потребовать ручного редактирования автоматизированных очертаний ледников.

Пробелы в временном разрешении

Графики облачного покрова и спутникового повторного посещения могут создавать пробелы во временном охвате, особенно в регионах с постоянной облачностью.Масштабы отступления ледников на Тибетском плато значительно различаются, на которые влияют выраженные пространственно-временные изменения климатических условий и топографических факторов, и ограничены большим количеством спутниковых изображений и огромными вычислительными требованиями, всеобъемлющее изображение отступления ледников по всему Тибетскому плато, особенно при более тонких временных и пространственных разрешениях, остается недостаточно охарактеризованным.

Ледники, покрытые мусором

Особые проблемы для дистанционного зондирования и анализа ГИС представляют ледники, покрытые обломками горных пород. В течение нескольких лет на ряд ледников проводились посещения мест, где изучались участки ледников, покрытые обломками горных пород, что затрудняло очерчивание с помощью аэрофотоснимков и спутниковых снимков. Для того чтобы отличить покрытый обломками лед от окружающей местности, часто требуются специальные методы или проверка на местах.

Будущие направления и новые возможности

Область мониторинга ледников на основе ГИС продолжает быстро развиваться, с новыми технологиями и подходами, расширяющими возможности и повышающими точность.

Усовершенствованные спутниковые миссии

Ни одно из существующих исследований не включало данные поверхностной воды и океанической топографии (SWOT), а широкая альтиметрия SWOT позволяет точно отслеживать изменения уровня воды в озерах, реках и водохранилищах, а ее уникальные данные о высоте водной поверхности предоставляют беспрецедентную возможность оценить изменения в хранении озер, и эта способность ценна для оценки потенциальных случаев ГЛОФ, особенно в крупных надледниковых озерах в Гренландии и Антарктиде.

Новые спутниковые миссии с улучшенным пространственным, временным и спектральным разрешением будут продолжать расширять возможности ГИС-мониторинга ледников. Интеграция данных с нескольких дополнительных датчиков обеспечит более полную и точную оценку изменения ледников.

Интеграция нескольких потоков данных

Будущие ГИС-приложения будут все более широко интегрировать различные источники данных, включая спутниковые наблюдения, результаты климатических моделей, полевые измерения и социально-экономические данные, для обеспечения целостной оценки воздействия изменения ледников. Этот комплексный подход будет лучше удовлетворять потребности лиц, принимающих решения, и заинтересованных сторон.

Системы мониторинга в реальном времени

Достижения в области обработки спутниковых данных и облачных вычислений позволяют создавать системы мониторинга ледников в режиме реального времени, которые могут обеспечить раннее предупреждение о быстрых изменениях ледников или опасных условиях, поддерживая управление рисками и реагирование на чрезвычайные ситуации.

Тематические исследования: применение ГИС в различных ледниковых регионах

Изучение конкретных примеров применения ГИС в различных ледниковых регионах иллюстрирует универсальность и ценность этих подходов.

Европейские Альпы

Результаты показывают быстрое отступление ледников через Альпы (-39 км2 а-1) с регионально переменными изменениями толщины льда (-0,5--0,9 м а-1). Анализ ГИС Европейских Альп демонстрирует, как комплексные региональные оценки могут проводиться через политические границы, обеспечивая единую картину изменения ледников по всему горному массиву.

В самом сердце швейцарских Альп ученые внедряют новые методы мониторинга состояния ледников с беспрецедентной точностью, и, используя спутниковые данные и передовые методы моделирования, они получают представление о тонких изменениях баланса массы ледников, имеющих решающее значение для понимания водных ресурсов и последствий изменения климата.

Аляска и Западная Северная Америка

Анализ спутниковых снимков, аэрофотоснимков и ледниковой геоморфологии из Джуно Айсфилда, Аляска, недавно показал сильное ускорение сокращения ледников с 2005 года. Обширное покрытие ледников на Аляске и в западной части Северной Америки обеспечивает важную лабораторию для разработки и тестирования подходов к мониторингу на основе ГИС.

Высокогорная Азия

Предыдущие исследования в области высоких горных районов Азии документально подтвердили, что площадь ледников в регионе сократилась на 0,43 ± 0,19% в год-1 с 1990 по 2018 год. Огромные размеры и удаленность ледников в высокогорной Азии делают спутниковый ГИС-анализ особенно ценным, поскольку полевое наблюдение за всеми ледниками было бы логистически невозможным.

Образовательные и информационно-пропагандистские приложения

Мониторинг ледников на основе ГИС также выполняет важные образовательные и общественные функции, помогая донести реальность и последствия изменения климата до различных аудиторий.

Визуализация и коммуникация

Существует много усилий по фотографированию усадки ледников, что очень поразительно, и NSIDC имеет коллекцию фотографий ледников, которая включает повторную фотографию ледников, а USGS имеет проект «Повторная фотография». ГИС позволяет создавать убедительные визуализации, которые делают изменение ледника ощутимым и понятным для неспециализированной аудитории.

Интерактивные веб-приложения ГИС позволяют пользователям самостоятельно изучать данные об изменении ледников, способствуя взаимодействию и пониманию. Анимации временных рядов, показывающие отступление ледников на протяжении десятилетий, дают мощные иллюстрации последствий изменения климата.

Образовательные ресурсы

Студенты учатся анализировать характеристики ледников и ледниковых рельефов из различных типов и источников спутниковых снимков, и они используют свое понимание ледниковых процессов для проведения наблюдений и измерений, документирующих и прогнозирующих последствия изменения климата для канадского альпийского ледника.ГИС-анализ ледников предоставляет отличные возможности для практического изучения систем Земли, изменения климата и пространственного анализа.

Последствия политики и управления

Информация, полученная в результате мониторинга ледников на основе ГИС, имеет непосредственное отношение к экологической политике и управлению природными ресурсами.

Адаптация к изменению климата

Ледники являются отличными индикаторами климатических тенденций, реагируя на климат расширением или отступлением, и понимание того, как ледники реагируют на изменение климата, поможет подготовить глобальное сообщество к неизбежному сокращению ледников и потерям в результате потепления климата. Оценки на основе ГИС обеспечивают научную основу для разработки стратегий адаптации к климату в регионах, зависящих от ледников.

Международное сотрудничество

Тематические исследования демонстрируют применение дистанционного зондирования при наблюдении за этими явлениями, подчеркивая необходимость достижения прогресса в области технологий и международного сотрудничества в области исследований. Мониторинг ледников выходит за политические границы, а ГИС обеспечивает общую платформу для международного сотрудничества и обмена данными.

Заключение

Географические информационные системы коренным образом изменили нашу способность контролировать, анализировать и понимать изменение ледников в контексте изменения климата. Благодаря интеграции различных источников данных, включая спутниковые снимки, цифровые модели возвышения, климатические данные и полевые измерения, ГИС позволяет проводить всесторонние оценки поведения ледников в пространственных масштабах от отдельных ледников до глобальных синтезов.

Применение ГИС в гляциологии продолжает расширяться, чему способствуют усовершенствования спутниковых датчиков, вычислительных возможностей и аналитических методов.От отслеживания отступления ледников и измерения потери массы до прогнозирования будущих изменений и оценки опасностей ГИС предоставляет необходимые инструменты для решения одного из наиболее заметных и последовательных последствий изменения климата.

Поскольку ледники продолжают реагировать на потепление, роль ГИС в мониторинге этих изменений и в информировании стратегий адаптации будет только возрастать. Интеграция новых технологий, таких как машинное обучение, новые спутниковые миссии и системы мониторинга в режиме реального времени, обещает еще больше расширить наши возможности для понимания и реагирования на изменение ледников.

Для исследователей, менеджеров ресурсов, политиков и преподавателей мониторинг ледников на основе ГИС обеспечивает действенную информацию об изменениях окружающей среды и их последствиях для водных ресурсов, стихийных бедствий, повышения уровня моря и здоровья экосистем. Поскольку мы ориентируемся в неопределенном климатическом будущем, эти инструменты будут оставаться необходимыми для документирования изменений, понимания процессов и поддержки обоснованного принятия решений.

Чтобы узнать больше о мониторинге ледников и изменении климата, посетите проект ледника USGS Benchmark, изучите портал данных NASA о Земле или получите доступ к данным ледника через GLIMS Glacier Database. Дополнительные ресурсы по применению дистанционного зондирования можно найти на портале ESA Earth Observation for Society, а учебные материалы доступны через National Park Service ледниковые ресурсы.