Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Представления о ландшафте, его структуре и методах исследования на основе дистанционной информации 6
1.1. Представления о ландшафте 6
1.2. Иерархическая организация (существующие представления) 15
1.3. Пространственная структура (мозаика) 20
1.4. Опыт использования дистанционной информации для исследования структуры и картографирования ландшафтов 24
1.5. Отображения свойств подстилающей поверхности в спутниковой дистанционной информации 27
Глава 2. Физико-географическая характеристика объекта исследования 30
2.1. Физико-географическое положение 30
2.2. Геологическое строение, тектоника 30
2.3. Рельеф 33
2.4. Климат 35
2.5. Внутренние воды 38
2.6. Почвенный покров 39
2.7. Растительный покров 43
Глава 3. Источники информации 48
3.1. Топографическая карта как основа для получения информации о рельефе 48
3.2. Дистанционная информация 50
Глава 4. Методология и методы анализа... 57
Глава 5. Подготовка исходных данных и анализ иерархической организации ландшафта 75
5.1. Преобразование топографической карты в цифровую модель рельефа 75
5.2. Преобразование дистанционной информации 75
5.3. Иерархическая организация рельефа... 78
5.4. Иерархическая организация по дистанционной информации 79
Глава 6. Отображение структуры в картах типов рельефа и ландшафтного покрова 81
6.1. Отображение структуры рельефа на основе классификации 81
6.2. Отображение структуры ландшафтного покрова на основе классификации данных съемки Landsat 5 83
6.3. Ландшафтная карта на основе совместной классификации рельефа и космического изображения 115
Глава 7. Отображение структуры ландшафта в иерархической классификации 118
7.1. Построение двухуровневой ландшафтной карты и идентификация содержания выделенных классов 118
7.2. Линеаментная структура 134
Заключение 136
Литература 139
Приложение
- Представления о ландшафте
- Физико-географическое положение
- Топографическая карта как основа для получения информации о рельефе
- Преобразование топографической карты в цифровую модель рельефа
Введение к работе
Целью работы является количественное определение параметров ландшафтной структуры на основе данных дистанционной информации и цифровой модели рельефа и разработка на этой основе мелкомасштабной ландшафтной карты, отображающей через пространственное сочетание типов состояния ее элементов и правила пространственной организации ландшафтного покрова (широко используемое в мировой литературе общее понятие «land cover», отражающее наблюдаемое обычно с помощью дистанционных средств сочетание различных состояний земной поверхности).
Для достижения поставленной цели последовательно решались следующие задачи:
• построение цифровой модели рельефа;
• преобразование каналов дистанционной съемки;
• определение параметров иерархической организации территории;
• построение карты типов рельефа;
• построение карты ландшафтного покрова с принятым максимальным разрешением на основе дистанционной информации;
• идентификация физического содержания выделенных типов;
• построение ландшафтной карты на основе совместной классификации рельефа и изображения;
• выделение иерархически соподчиненных пространственных структур;
• построение ландшафтной карты для двух иерархических уровней;
• отображение линеаментных структур ландшафтного покрова. Основные защищаемые положения:
• правила иерархической организации ландшафта;
• мелкомасштабная карта ландшафтного покрова и методы идентификации физического содержания, выделяемых типов его состояния;
• мелкомасштабная ландшафтная карта, отражающая иерархическую организацию исследуемого региона, и методы ее составления.
Научная новизна заключается в применении количественных методов анализа пространственной структуры ландшафта по цифровой модели рельефа и дистанционной мультиспектральной информации и составлении на этой основе мелкомасштабных ландшафтных карт.
Актуальность темы: ландшафтная структура интегрально отражает геологическую историю территории, современный климат, последовательность смен растительного и почвенного покрова в пространстве, хозяйственную деятельность. Количественный анализ информации, получаемой от космических средств дистанционного зондирования и цифровой модели рельефа, позволяет глубже понять правила ее иерархической организации. Ландшафтная карта, составленная на основе количественного анализа, может рассматриваться как одна из форм отображения этих правил. Отображая с известной точностью существующие пространственные закономерности в изменении состояний физических свойств структурных единиц территориальной организации, она становится важным инструментом познания природы и планирования хозяйственной деятельности. Мелкомасштабное картографическое отображение ландшафтной структуры, осуществляемое без прямых полевых исследований, создает основу для познания природы и оценки возможностей использования ее ресурсов и может рассматриваться как необходимая составляющая региональных физико-географического исследований.
Прикладной характер диссертационной работы определяется широким применением в мировой практике природопользования картографического отображения ландшафтного покрова. Защищаемые подходы к составлению карт, учитьшающие представления об иерархической организации ландшафта, традиционные для отечественной географии, развивают это направление. В результате расширяется возможный спектр применения мелкомасштабных карт для оценки состояния среды при решении задач ландшафтного планирования, технико-экономического обоснования конкретных проектов хозяйственной деятельности и организации экологического мониторинга. Мелкомасштабные ландшафтные карты создают хорошую основу для планирования оптимальных схем проведения последующих целевых полевых исследований.
Работа выполнена в Институте географии РАН при тесном сотрудничестве с творческим коллективом кафедры физической географии и ландшафтоведения географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и лаборатории биогеоценологии им. В.Н. Сукачева Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, возглавляемым д.г.н. Ю.Г. Пузаченко и финансируемым в основном грантами РФФИ (96-06-65730,99-05- 65099) и WWF.
Представления о ландшафте
Земная поверхность на протяжении тысячелетий остается объектом исследования и жизненных интересов человека. На ней сформировалась среда, необходимая для существования и удовлетворения его потребностей. Термин «ландшафт» заимствован из разговорного немецкого языка (land - страна, край, schaft — суффикс, имеющий собирательное значение) (75). Современным представлениям о ландшафте, как о системно организованном целом, предшествовал длительный этап развития научной и философской мысли.
Развитие философских взглядов первых веков новой эры ознаменовано подходами к природе как к единому целому, состоящему из частей (элементов). При этом целое обладает не просто суммой свойств, характеризующих его части, но рядом новых, присущих только целому (76).
Постепенное разделение единой науки на отдельные дисциплины и направления привело к аналитическому этапу изучения природы. В конце ХГХ в. наука вступила в критический этап своего развития. География, распавшись на множество дисциплин, потеряла предмет своего исследования. К концу ХГХ-началу XX в. ученые осознали необходимость подхода к решению научных и хозяйственных проблем с позиций целостности природы, основанной на всеобщих связях явлений.
Одним из основателей учения о ландшафте признан В.В. Докучаев. Величайшими его заслугами являются создание науки о почве и учения о природных зонах. Классический труд В.В. Докучаева «Наши степи прежде и теперь» (1892) играет непреходящую роль в ландшафтоведении. В этом труде были сформулированы идеи целостности природы, взаимодействия естественных и антропогенных составляющих. Развивая эти идеи, он отмечал, что существенную роль в природе играют не отдельно взятые природные тела и явления, а их соотношение и закономерная связь. Им были сформулированы общие положения о природных зонах (39).
У В.В. Докучаева было немало последователей, продолживших развитие его идей, основанных на концепции природной зональности, взаимодействии живой и неживой природы. Среди них известные географы-исследователи, которые внесли вклад в развитие представлений о ландшафте: А.Н. Краснов (1862-1914), Г.Ф. Морозов (1867-1920), Г.Н. Высоцкий (1865-1940), Г.И. Танфильев (1857-1928), Н.Н. Сибирцев (1860 7 1900), С.С. Неуструев (1874-1928), Б.Б. Полынов (1877-1952), Л.С. Берг (1876-1950) и многие другие.
Постепенно накапливающийся опыт исследования в различных направлениях физической географии и разномасштабные комплексные исследования все больше указывали на существование закономерных территориальных сочетаний природных компонентов. Таким образом, весь предыдущий ход развития физической географии подготовил базу для формирования представлений о ландшафте как «новом» объекте исследования. Окончательно представления о ландшафте сформировались с введением понятия «ландшафт» в научный обиход Л.С. Бергом в 1913 г., который отметил, что именно ландшафты являются объектом исследования географии (12). Он предложил следующее определение: «Природный ландшафт есть область, в которой характер рельефа, климата, растительности и почвенного покрова сливается в единое гармоническое целое, типически повторяющееся на протяжении известной зоны Земли» (13, с. 116).
Значительно обогатили представления о ландшафте и учение о географической оболочке А.А. Григорьева и о биосфере В.И. Вернадского в 20-х-30х гг. XX в. Детальное изучение природных компонентов и физико-географических процессов с учетом их взаимосвязи и природных законов позволило заложить основы для создания моносистемной (топической) модели, в соответствии с которой ландшафт следует рассматривать как единство, состоящее из природных компонентов.
Разносторонние исследования ландшафта развивали идеи о его морфологии, способствовавшие изучению горизонтальных связей. Получаемые результаты приводили к двуединому толкованию этого множественного и разнообразного объекта. Одни исследователи подходили к ландшафту как к индивидуальной географической единице, другие — как типологической. Это сформировало соответствующие научные подходы в ландшафтоведении. Развитие идей о ландшафте породило много научных споров, хотя в целом можно считать, что они не противоречили, а взаимодополняли друг друга.
Российское ландшафтоведение основано на генетической концепции, которая рассматривает ландшафт как территорию с общей историей развития, а его гетерогенность объясняет иерархической организацией структуры. Основоположником ее считают Л.С. Берга, продолжателями - Н.А. Солнцева и его последователей. Ими была разработана наиболее полная логическая модель ландшафта, включающая в себя типологическую и пространственно-иерархическую составляющие. В соответствии с ней «ландшафтом (географическим) следует называть такую генетически однородную территорию, на которой наблюдается закономерное и типическое повторение одних и тех же взаимосвязанных сочетаний: геологического строения, форм рельефа, поверхностных и подземных вод, микроклиматов, почвенных разностей, фито- и зооценозов» (111, с. 12). В результате анализа проведенных ландшафтных исследований и накопленного научного материала были выделены следующие наиболее важные отличительные признаки и свойства ландшафта (7). 1) ландшафт занимает довольно значительную территорию, обычно измеряемую сотнями квадратных километров; 2) ландшафт обособляется на участке земной коры, имеющем одинаковое геологическое строение; переход на участок с другим геологическим строением будет знаменовать переход в другой ландшафт; 3) ландшафт обязательно представляет собой генетически однородную территорию; 4) в результате единства геологического фундамента и последовательно сменявшихся однотипных палеогеографических событий каждому ландшафту свойствен вполне определенный набор форм рельефа; 5) ландшафт обладает одинаковым климатом, который дифференцируется на целый ряд местных климатов и микроклиматов, закономерно повторяющихся на его пространстве; 6) тепло и влага, поступающие на поверхность ландшафта, перераспределяются по элементам его рельефа, благодаря чему в нем формируется система закономерно повторяющихся местообитаний для его биогенных компонентов (растительных и животных сообществ); 7) формы и элементы форм рельефа, а также литологический состав поверхностных пород служат той основой, на которой происходит обособление более мелких природных территориальных единиц — морфологических частей ландшафта; они закономерно повторяются, образуя в совокупности единую генетически связанную систему, которую называют морфологической структурой ландшафта; 8) каждый ландшафт отличается от других ландшафтов своим внешним видом; при этом физиономические различия соседних ландшафтов выражены тем сильнее, чем больше между ними различий в способе происхождения и в последующей истории развития; ландшафты, сходные по истории развития, внешне мало различимы. Заложение основ геохимии ландшафта Б.Б. Полыновым в конце первой половины XX в. (позже в 60-е гг. исследования в этой области детально проводились М.А. Глазовской, А.И. Перельманом) и биогеоценологии В.Н. Сукачевым наряду с учением о морфологии ландшафта значительно обогатили содержание понятия «ландшафт» (46).
Физико-географическое положение
Территория Чеченской республики расположена в юго-восточной части Северного Кавказа, на северном склоне Большого Кавказа и прилегающей к нему части Терско-Кумской низменности. На севере она граничит со Ставропольским краем, на севере и востоке - с Дагестаном, на юге — с Грузией, на западе — с Ингушетией и Северной Осетией. Южная граница проводится по гребням хребтов, а на остальной части границы проводятся условно. Площадь территории составляет 15,5 тыс. км2 (98). Протяженность с севера на юг около 170 км, с запада на восток - около 100 км. Республика расположена в относительно низких широтах (4228 -440Гс.ш.).
Примерно половину территории занимают равнины, остальную — горы. Несмотря на небольшую площадь, природные условия территории отличаются чрезвычайным богатством и разнообразием. С севера на юг сменяют друг друга ландшафты полупустынь, степей, лесостепей, горных лесов, субальпийского, альпийского и нивально-гляциального поясов. В природном отношении территория изучена слабо.
Описания геологии и тектоники территории в контексте с геолого-тектоническими Кавказа даны в ряде многочисленных работ (27, 28, 64, 65, 66). Непосредственно геологические описания исследуемого региона даны в работах (1, 43, 104 и др.).
Территория сложена осадочными породами мезозоя и кайнозоя. Возраст пород увеличивается к югу. Горная часть представлена самыми древними в регионе породами — юрскими и меловыми. Юрские отложения отмечаются в области Бокового и Скалистого хребтов. Нижне- и среднеюрские отложения представлены глинистыми сланцами, глинами и песчаниками (мощностью от 1500 м до 4500 м). Верхнеюрские отложения имеют известняковый характер и достигают мощности 1500м Известняки нередко доломитизированы. В верхних горизонтах толщи залегают известняковые брекчии, местами - гипсы и ангидриты титонского яруса (1,30,104).
Меловые отложения дифференцируются на нижне- и верхнемеловые. В целом они состоят из известняков, известняково-песчанистых и песчано-глинистых пород (мощностью от 300 м до 1400 м).
Кайнозойские отложения распространены на предгорьях и равнинах. Палеогеновые отложения (мергели с прослоями известняков и песчано-глинистые) достигают мощности 200-1000 м. Неогеновые породы мощностью 4000-5000 м и представлены мергелями, глинами, песчаниками. Четвертичные представлены морскими и континентальными осадочными отложениями. Морские состоят из глин, песков, ракушечников, конгломератов, континентальные - из аллювиальных и элювиально-делювиальных пород. Аллювиальные (галечники, суглинки, пески, супеси) распространены на надпойменных террасах рек Терек и Сунжа, элювиально-делювиальные (лессовидные и дислоцированные суглинки) встречаются в предгорьях.
Тектоническая структура изучаемого региона обусловлена его расположением в зоне Предкавказских краевых прогибов и мегантиклинория Большого Кавказа (65,127). Наличие совершенно разных по характеру частей рельефа — равнинной и горной — объясняется их разной тектоникой. Формирование тектонических структур протекало на фоне общего геологического развития Кавказа.
В течение длительного геологического времени в пределах территории Чеченской республики сформировались крупные тектонические структуры линейного простирания. Южную оконечность Скифской платформы и северное крыло мегантиклинория Большого Кавказа разделяет зона Терско-Каспийского краевого прогиба. Его ось проходит вдоль нижнего течения р. Терек. Прогиб имеет асимметричное строение и заполнен мощными глинистыми толщами олигоцен-нижнемиоценовой майкопской серии и молассовыми терригенными отложениями миоцена, плиоцена и антропогена. Общая мощность мезокайнозойских толщ в осевой части прогиба 10-15 км (65, 104). Многократные затопления большей части Терско-Кумской низменности водами Каспийского моря в четвертичное время и неотектонические движения способствовали накоплению морских отложений, мощность которых увеличивается к востоку (27, 65).
В пределах южной геосинклинальной части Терско-Каспийского краевого прогиба проходит полоса Передовых хребтов (Терско-Сунженская возвышенность). Здесь расположены Терская и Сунженская антиклинальные зоны. Терско-Сунженская возвышенность сложена сланцеватыми и гипсоносными глинами, железистыми песчаниками, галечниками и другими породами неогена. Широко распространены здесь лессовидные суглинки, которые покрывают нижние склоны Терского и Сунженского хребтов и дно проходящей между ними Алханчуртской долины и выстилают поверхность террас Терека. Мощность их изменяется в пределах от 10-20 м до 30-40 м. Алханчуртская долина в структурном отношении представляет собой синклиналь.
В области Терско-Сунженской возвышенности наблюдается почти полное совпадение форм современного рельефа с тектоническими структурами. Антиклиналям соответствуют хребты, синклиналям — впадины. В пределах рассматриваемой области выделяют Ассиновско-Шалинскую, Ачалукско-Грозненскую, Алханчуртскую, Малгобек-Гудермесскую, Червленнскую тектонические зоны (104). Ассиновско-Шалинская зона приурочена к широкой, наклонной к северу предгорной равнине. В ходе альпийского цикла развития эта зона приобрела форму крупной синклинальной депрессии, в которой мезокайнойзойские отложения оказались глубокопогруженными и перекрытыми мощной толщей современных отложений. Эта тектоническая зона (Сунженская синклиналь) отделяет Черногорскую моноклиналь от Сунженского хребта. В рельефе она выражается Чеченской предгорной равниной.
Ачалукско-Грозненская зона, выраженная в рельефе горными поднятиями Сунженского хребта, сложена мощными толщами мезокайнозойских отложений. В ее составе выделяются с запада на восток Заманкульская, Ачалукско-Карабулакская, Серноводская, Заканская, Ермоловская, Старогрозненская, Октябрьская антиклинали.
Алханчуртская тектоническая зона представлена широкой грабен-синклиналью, разделяющей узкие антиклинали Терского и Сунженского хребтов. Малгобек-Гудермесская тектоническая зона связана с орографическим элементом Терского хребта. Локальные тектонические структуры этой зоны с запада на восток представлены Горской, Эльдаровской, Хаян-Кортовской, Ястребиной, Брагунской, Гудермесской антиклиналями.
Топографическая карта как основа для получения информации о рельефе
Исходными источниками для получения базовой информации о ландшафтной структуре региона служит топографическая карта, на основе которой получают информацию о рельефе территории.
Термин «ландшафт» задолго до оформления науки о ландшафтах широко применялся в геоморфологии для обозначения какого-либо участка территории со своеобразным рельефом с характерными формами, размерами и генезисом (например, ландшафт дюнный, горный, моренный ландшафт (61).
Под рельефом понимается строение или структура земной поверхности (56, 58, 99, 125). При изучении структуры и пространственной организации ландшафтного покрова рельеф рассматривается как один из важнейших факторов и выступает в качестве ведущего элемента ландшафта, определяющего перераспределение тепла и влаги. В связи с этим нередко границы выделяемых ландшафтных единиц проводят по границам форм или элементов форм рельефа. Кроме того, анализ рельефа позволяет определять характер и поведение других компонентов ландшафта.
Информация, полученная на основе анализа рельефа, является одной из базовых при исследовании структуры ландшафтного пространства и создании мелко- и среднемасштабных карт ландшафтного покрова. Рельеф представляет собой результат длительного, исторически развивающегося взаимодействия различных факторов (эндогенных и экзогенных), действующих в широком временном диапазоне (55, 57). В концепции российского ландшафтоведения рельеф рассматривается как один из ведущих факторов, прямо или косвенно отображающих структуру ландшафтного покрова и пространственные различия его компонентов.
Важной составляющей исследования географических объектов на современном уровне развития науки являются цифровые модели, под которыми понимаются определенные формы представления исходных данных и способы их структурного описания, позволяющие воссоздавать объект исследования путем интерполяции, аппроксимации или экстраполяции (73). Суть цифровой модели рельефа состоит в том, что позволяет отобразить земную поверхность в виде двух- или трехмерной модели и на основе сравнения соседних точек (высот), дает возможность получить значения других морфометрических свойств (крутизны склонов, кривизны поверхности, освещенности). Это особенно важно, если рассматривать случаи, когда имеется ограниченная информация по территории. Абсолютная высота определяет вертикальную зональность почвенного и растительного покрова в горных ландшафтах. Крутизна и экспозиция склонов влияют на скорость и перемещение поверхностных потоков, испарение, таяние снега, характер растительного покрова и другие свойства ландшафтов.
Морфометрическое исследование рельефа позволяет получать объективную информацию о характере и состоянии рельефа, а также составлять прогнозные оценки развития различных рельефообразующих процессов.
К настоящему времени сформировались различные подходы морфометрического исследования рельефа. В ландшафтоведении применим подход, исследующий функциональную связь морфометрических параметров с ландшафтообразующими процессами, в которых рельеф играет ведущую роль. В рамках геоморфологии при анализе морфометрических свойств рельефа опираются на его геометрические свойства (55, 107, 108). Существуют различные формулы, предлагающие рассчитывать морфометрические величины (табл. 9).
Наиболее информативными и обычно достаточными для анализа структуры и классификации рельефа являются первая производная или градиент, определяющая максимальную крутизну поверхности в заданном масштабе и вторая производная или лапласиан — форма поверхности. В горных территориях, безусловно, большое значение имеет условная освещенность склона, рассчитываемая по заданной высоте солнца отдельно для положения солнца на востоке и на юге.
Дифференциация свойств ландшафта по-разному проявляется в различных типах/классах. Необходимо учитывать, что не все свойства связаны с характеристиками рельефа и эта связь меняется в зависимости от масштабов исследования (93). Другими словами, нельзя абсолютизировать роль свойств рельефа в формировании ландшафта. Поэтому анализ рельефа для составления карты ландшафтного покрова с использованием данных дистанционного зондирования носит предварительный характер.
Другим источником получения информации для исследования структуры ландшафтов являются общедоступные данные дистанционного зондирования из ресурсов Интернет (140, 145,159,180,181). Интерпретация изображений, опирающаяся на анализ отражательных свойств поверхности, позволяет при более детальном исследовании создать общую картину ландшафтного покрова. Они позволяют получить информацию, которую трудно «увидеть» при наземном обследовании территории, особенно при крупномасштабных исследованиях (47). Наиболее широко используемая в настоящее время дистанционная информация связана с ИСЗ серии Landsat, появление которых открыло новую эру в развитии науки. Программа Landsat предусматривает обеспечение многозональных и периодически повторяемых долговременных съемок с помощью сканирующих устройств с природно-ресурсными, природоохранными, мониторинговыми и картографическими целями (141, 147, 160,175, 176,180,181,182). Современные географические исследования (изучение ландшафтного покрова, ландшафтное картографирование, исследование динамики природных процессов и явлений и др.) невозможны без применения данных ДЗ.
Со времени запуска первого спутника (23 июля 1972 г.) этой серии сменилось семь поколений космических аппаратов (табл.10). Первый спутник Landsat предназначался для проведения глобальных повторных съемок поверхности Земли в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра с достаточно высоким пространственным разрешением. С него начался непрерывный ряд наблюдений поверхности Земли. Каждая из последующих серий спутников отличалась более усовершенствованными сканерами и средствами передачи информации. Так, с помощью спутников Landsat - 4 и - 5 были сделаны фотографии извержения вулканов, крупных айсбергов, оторвавшихся от ледяного шельфа Антарктиды, вырубок амазонских лесов, а также других явлений и объектов. Его работой управляла Геологическая служба США.
Преобразование топографической карты в цифровую модель рельефа
Топографическая карта масштаба 1:500 000 была сканирована с разрешением 150 dpi (в одном пикселе 0.1693(3) мм карты и 84.6(6) м на местности). Оцифровка горизонталей и точек высот осуществлялась вручную с экрана компьютера в программе Maplnfo при увеличении, обеспечивающем однозначное различение пикселей, отражающих горизонталь. При оцифровке точки ставились на горизонтали с регулярным шагом в 4-5 пикселей, а затем програтшыми средствами дополнялись до регулярного шага в 1 пиксель. Обязательно фиксировались точки, лежащие на линии тальвега и водораздела. В среднем шаг оцифровки в два раза детальней, чем планируемый масштаб модели. В области обрывов, которые на карте показаны условным знаком, пзогипсы интерполировались при соответствующем увеличении изображения па компьютере. Построение цифровой модели рельефа (ЦМР) осуществлялось в программе Surfer методом триангуляции с максимально возможным разрешением 100 м в пикселе. Затем с помощью двухмерного спектрального анализа выделялась область низких частот, фрактальная размерность которых резко отличается от фрактальной размерностп большей части поверхности. Эта область определяется искажениями, вносимыми в модель дискретным положением изогипс ЦМР, свободная от этих искажений, имеет разрешение более 600 м в пикселе (25). В настоящей работе использована модель с разрешением 228 м в пикселе {рис. 1), но все аналитические построения осуществляются с учетом ее реальных возможностей.
На рисунке 2 показано изображение территории по трем каналам в цветовой шкале RGB, где R соответствует коротковолновому ИК каналу, G — ближнему ИК, В — реально зеленому каналу. На рисунке 3 а показано положение пикселей в координатах каналов, а в таблице 15 два типа мер, отражающих их сопряженность. Как видно из таблицы, наиболее сходную информацию о территории содержат два канала: коротковолновый ИК и зеленый. Сопряженность между ближним и коротковолновым ИК певелпка. В результате преобразований необходимо добиться максимально возможной независимости между виртуальными факторами, используемыми в последующем анализе.
Для этого они отображаются путем преобразования каналов через дпскримннантные оси с применением двух метрик (метрики Евклида и скалярного произведения векторов) {рис. З б, 3 в). Очевидно, что в каждой метрике отображаются несколько разные отношения между каналами. В таблице 16 показана сопряженность между осями и факторами. Очевядпо, что сопряженность между ними относительно небольшая и насколько возможно равномерно распределена по всем парам. Как следует из оценок энтропии для осей и факторов в сравнешт с энтропией исходных каналов потери информации не происходит (энтропия или равна и больше). Наибольшая средняя энтропия и, соответственно, наибольшее количество информации обеспечивается факторным отображеішем (рисЗ.г).
Так как мы имеем дело с виртуальными факторами, отображающими некоторую реальность, и стремимся представить ее в виде модели (в данном случае, в виде карты), необходимо определить условия его истинности и практической применимости. Оценить физический смысл каждого фактора попытаемся на основе сравнения его значений выраженных в серой шкале с индикационными объектами на местности. Так, первый фактор отображает информацию в основном о плотности растительного покрова (рис. 4 а). Наиболее темные тона соответствуют поверхностям с развитым растительным покровом. Они соответствуют областям распространения лесов как в горной части, так и в пределах пойм. Белыми тонами отображаются ледники и русла рек. Второй фактор отображает информацию о яркостных характеристиках поверхности. Наиболее светлыми тонами отображены ледники, а наиболее темными — области селитебных ландшафтов, отличающихся отсутствием растительного покрова и большей оголешюстью почвенного покрова {рис. 4 6). Те области, в пределах которых развит растительный покров, отображены нейтральным серым цветом. Третий фактор одинаковыми топами отображает области развития ледников и русла рек, что можно охарактеризовать как информацию об увлажнении поверхности {рис 4 в).
Анализ двухмерного спектра, полученного на основе квадрата стороной в 500 пикселей, взятого в центре участка исследования (представленного в віще ЦМР), позволил выявить правила организации рельефа. Парис. 5 а представлен двухмерный спектр, отображающий общую иерархическую организацию рельефа в наиболее упрощенном виде. В целом спектры симметричны. Но в интервале примерно от 4-5 пикселей меняется общий наклон спектра, что соответствует нелинейности отклонений значений спектральной плотности. Области наиболее выраженных перегибов являются переходными границами от одного иерархического уровня к другому.
Общая величина фрактальной размерности стремится к 2, что указывает на наличие «черного» шума. Это соответствует представлениям об организации территории системой взаямоподчипенных разномасштабных блоков (28,29).
На графике сглаженных остатков по спектру {рис. 5 б) видно, что в целом можно выделить структуры с линейными размерами 101 пикселей (23.0 км), 293 (6.7 км), 193 (4.4 км), 8.13 (1.9 км), 4.25 (1.0 км). Такие различия отображают факторы, формирующие структуру рельефа.
Более независимую оценку рельефа можно дать на основе каждой отдельно взятой структуры. На рисунке 5 в отображена иерархическая организация рельефа в интервале до 5 пикселей и от 5 до 500 пикселей (рис. 5 д). По сглаженным остаткам (рис.5 г, 5 ё) можно выделить структуры размерностью до Ы4 км, от 1Л4 до 6.6 км, от 6.6-23.0 км п более. В таблице 20 приведены параметры линии регрессии и значения фрактальной размерности.
По такой же схеме, как и для рельефа, определена иерархическая организация по космическому изображению, представленному через независимые факторы на основе дискриминантного анализа. Общая оценка фрактальной размерности составляет 2.5 («бурый» шум). При отображении спектра через сглаженные остатки для каждого фактора выделяются структурные уровни с соответствующими размерностями.
На. рисунке 6 а представлен двухмерный спектр по изображению для 1-го фактора. При отображении спектра через сглаженные остатки (рис. 6 б) видно, что для территории исследуемой облает можно выделить структурные уровни размерностью 125.0 пикселей (28 J км), 36.6 (834 км), 10.8 (2.46 км), 5.5 (135 км), 3.2 пикселей (0.73 км). На рисунках 7 а и 8 а представлены двухмерные спектры для 2-го и 3-го факторов и сглаженные остатки по линиям регрессий для соответствующих спектров (рис. 7 б, 8 б). В таблице 21 приведены параметры регрессии и значения фрактальной размерности для изображения через факторы по изображению.
