Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Рельеф как один из главных компонентов геосистем 11
1.1. Определение рельефа и факторы рельефообразования 11
1.2. Научно-практическое значение изучения рельефа земной поверхности 15
1.3. Морфометрическая изученность рельефа Алтайского края. Особенности составленных морфометрических карт 20
Глава 2. Технология геоинформационного картографирования морфометрических характеристик рельефа земной поверхности 32
2.1. Морфометрия, ее предмет и методы исследования 32
2.2. Основные морфометрические показатели рельефа и способы их вычисления 39
2.3. Трехуровенная технология геоинформационного картографирования морфометрических характеристик рельефа земной поверхности 47
2.3.1. Картометрический уровень 50
2.3.2. Морфометрический уровень 59
2.3.3. Картографический уровень 64
2.4. Дискретный и континуальный подходы к созданию и использованию морфометрических карт рельефа 75
2.5. Использование цифровых моделей рельефа при решении задач морфометрического анализа 81
Глава 3. Геоинформационный подход к созданию и использованию морфометрических карт нового содержания 88
3.1. Разработка и автоматическое составление морфометрических карт кривизны рельефа 88
3.2. Карта интегральной оценки термоуглового эффекта склонов рельефа земной поверхности 97
3.3. Корреляционно-регрессионный анализ морфометрических карт и их прикладное значение 112
3.3.1. Сравнительно-визуальный анализ карт основных морфометрических показателей рельефа 112
3.3.2. Корреляционно-регрессионный анализ морфометрических показателей и карт 116
3.3.3. Прикладное значение морфометрических показателей и карт 123
Заключение 127
- Научно-практическое значение изучения рельефа земной поверхности
- Картометрический уровень
- Карта интегральной оценки термоуглового эффекта склонов рельефа земной поверхности
- Сравнительно-визуальный анализ карт основных морфометрических показателей рельефа
Введение к работе
Актуальность темы диссертации обусловлена рядом обстоятельств.
Во-первых, в морфометрии рельефа в настоящее время накопилось достаточно много вопросов, требующих оперативного решения. Особенно это касается теоретико-методологических вопросов. К ним, прежде всего, относится отсутствие четкого разграничения понятий картометрия и морфометрия, что требует уточнения существующих определений.
Во-вторых, следует учесть, что мы живем в век информатизации все сторон человеческой деятельности. Для географии характерно то, что ее информатизация тесно связана с математическими расчетами и их картографической визуализацией. Современная географическая информатика (геоинформатика) требует широкого и многогранного использования картографических моделей, основанных на автоматизации процессов их создания, с применением баз данных и знаний. Это направление A.M. Берлянт [1] назвал геоинформационным картографированием (ГК).
В работе акцентировано внимание на автоматизацию предлагаемых методик и технологий с целью создания электронных морфометрических карт рельефа земной поверхности. Автоматизированный труд картографа, владеющего современными средствами цифровой картографии по сравнению с традиционными ручным или полумеханическим, имеет ряд преимуществ:
оперативность и экономия затрат труда;
повышенная точность картографирования;
возможность работы в интерактивном (диалоговом) режиме, позволяющем выполнять разностороннюю оценку ситуаций и быстро находить соответствующие решения;
применение современных графических пакетов программ и улучшение качества изображения и дизайна;
привлечение сложных математических приемов создания и использования карт (трех- и четырехмерное картографическое моделирование, фрактальный и факторный анализы и др.);
возможность создания и использования новых карт, позволяющих изучать явления в статике, динамике и взаимосвязях.
В-третьих — "всплеск" интереса к морфометрии и методам морфометриче-ского анализа рельефа земной поверхности, о чем свидетельствуют изданные за последние годы монографии и учебные пособия [2, 3, 4 и др.], а также защищенные диссертации [5, 6, 7, 8 и др.].
К настоящему времени разработано и используется множество различных методических подходов к созданию и практическому применению морфомет-рических карт рельефа для решения конкретных географических, картографических, экологических и других задач. Недостатки этих подходов: 1) высокая трудоемкость и большие затраты времени на вычислительные и картосостави-тельские работы; 2) неточность и некорректное использование некоторых понятий (морфоизографы, кривизна, извилистость и др.); 3) изучение морфометри-ческих характеристик рельефа преимущественно в крупных масштабах (в то время как для регионов Сибири характерен повышенный интерес к мелкомасштабному обзорному картографированию); 4) несмотря на общепризнанную непрерывность рельефа (вспомним горизонтали и изогипсы) до сих пор в морфометрии преобладают дискретные способы его картографического изображения (картограмма, количественный и качественный фоны), редко и не корректно используется изолинейный способ.
Отсюда, цель исследования состоит в разработке и апробации алгоритмизированной технологии ГК морфометрических характеристик рельефа земной поверхности на примере Алтайского края. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:
1. Изучение опыта создания численных и картографических моделей морфометрических показателей рельефа, анализ программных средств (Maplnfo Professional, ArcView, Statistica, MS Excel, CorelDraw, PhotoShop и др.).
Разработка алгоритмизированной технологической схемы, объединяющей операции сбора картометрической информации о рельефе, ее математической обработки и картографической визуализации результатов вычислений в виде серии морфометрических цифровых карт.
Обоснование правомерности получения и обработки данных по регулярной сети операционных ячеек.
Доказательство целесообразности использования картометрической информации, полученной не с топографических, а с более доступных мелкомасштабных карт.
Сравнительный анализ дискретных и континуальных способов картографического изображения морфометрических характеристик рельефа.
Разработка новых морфометрических показателей рельефа земной поверхности (кривизна, извилистость, термоугловой эффект и др.) и автоматизированное изготовление соответствующих карт.
Сравнительно-визуальный и корреляционно-регрессионный анализы полученных карт.
Территориальный объект и методы исследований. Территориальный объект исследований - рельеф Алтайского края. Его изучению посвящены работы многих ученых Сибири. К ним, прежде всего, следует отнести, Г.Я. Барышникова [9, 10, 11, 12, 13 и др.], A.M. Малолетко [14, 15, 16, 17 и др.], Л.К. Зятькову [18, 19, 20, 21, 22 и др.], B.C. Ревякина [23, 24, 25 и др.], Т.В. Байкало-ву [26, 27 и др.], О.Н. Барышникову [28, 29, 30 и др.], А.Г. Демина [31, 32, 33, 34 и др.], Б.Н. Лузгина [35, 36, 37, 38 и др.], Л.Н. Пурдика [39, 40, 41 и др.], А.Я. Швецова [42, 43, 44 и др.]. Перечисленные работы содержат результаты полевых и дистанционных исследований рельефа Алтайского края. Рельеф в них рассматривается применительно к методам геоморфологии, сложившимся к началу 21 века. Разработанные и использованные методы и приемы оказались весьма эффективными и полезными. Они внесли большой вклад в развитие геоморфологии и палеогеографии, что учитывалось в диссертации, как важная и неотъемлемая часть в истории изучения объекта настоящих исследований.
6 Представленная диссертационная работа базируется на теоретико-методологических основах современной картографии и морфометрии, заложенных крупными учеными-картографами и географами нашей страны и бывшего СССР - Р.А. Бабаевым, М.Е. Белецким, A.M. Берлянтом, Н.М. Волковым, И.В. Гармизом, Г.А. Гинзбургом, А.С. Девдариани, А.Г. Исаченко, В.П. Кара-киным, А.В. Кошкаревым, А.Н. Ласточкиным, В.Г. Линником, Д.В. Лисицким, А.И. Мартыненко, М.М. Мехбалиевым, О.Р. Мусиным, Е.М. Николаевской, Б.А. Новаковским, Р.Х. Пириевьш, СВ. Прасоловым, Н.С. Рамм, К.А. Салшце-вым, С.Н. Сербенюком, Ю.Г. Симоновым, А.И. Спиридоновым, B.C. Тикуно-вым, В.П. Философовым, И.С. Черваневым, В.А. Червяковым и др.
В рамках основного - картографического метода исследования в диссертации использовались ряд технических способов и приемов:
сравнительно-визуальные;
графические;
картометрические;
морфометрические;
математико-статистические;
геоинформационные.
Кроме этого, работа опиралась на личные исследования автора в период с 1998 по 2003 гг. и цифровые материалы, полученные в лаборатории информационно-картографического моделирования географического факультета АлтГУ. Все геоизображения созданы при помощи современных технических способов и приемов цифровой картографии.
Научная новизна в решении поставленных задач:
Разработана и апробирована алгоритмизированная технологическая схема ГК морфометрических характеристик рельефа земной поверхности.
На основе диалектического единства философских категорий дискретности и континуальности, а также соответствующих экспериментов доказана целесообразность изучения морфометрии рельефа с помощью изолинейных (континуальных) моделей.
Разработана методика автоматизированного вычисления и картографирования новых морфометрических показателей, характеризующих энергию рельефа земной поверхности.
Создана картографо-морфометрическая база данных, на основе которой выполнен корреляционно-регрессионный анализ предложенных показателей.
Практическая значимость исследований. Жизнедеятельность человека тесно связана с рельефом земной поверхности, поэтому его изучение имеет не только научное, но и практическое значение. Так, например, методами морфо-метрического анализа характеризуется как современный, так и древний рельеф, а также исследуются этапы его развития и прогнозируются многие геолого-географические процессы и явления (оползни, обвалы, овраги, селевые потоки и т.п.), причиняющие немалый ущерб народному хозяйству.
Результаты работы могут быть применены в различных отраслях хозяйственной деятельности: 1) мелиорация и строительство гидротехнических сооружений; 2) сельскохозяйственное освоение земель; 3) строительство дорог и линий связи; 4) планирование городов, поселков и других населенных пунктов; 5) организация почвенных, ботанических, геологических и др. съёмок, гидрогеологических изысканий и т.д.
Предложенная в работе технологическая схема носит научно-познавательный характер. Она выступает своеобразным организатором и координатором исследований, выполняемых в АлтГУ преподавателями, аспирантами и студентами по различным темам. Каждому исследователю предоставляется возможность, на основе глубокого предварительного изучения объекта и предмета, самостоятельно определить набор нужных количественных признаков, разработать программу их получения, математической обработки и создания соответствующих серии карт. Эти материалы являются основой для расширения общего банка данных, способного решать задачи как отраслевого, так и комплексно-географического характера [45].
Отмеченная выше схема позволяет оперативно получать электронные морфометрические карты, характеризующие реальный рельеф (земной поверх-
ности) и абстрактный (карты полей плотности, метеорологические, геоэкологические и др.). Разработанные и созданные численные и картографические модели используются при изучении и оценке экологических ситуаций, антропогенных нагрузок, овражной эрозии, земельных угодий и др.
Полученные в ходе теоретических исследований и экспериментальных работ результаты на промежуточных этапах использовались в проекте гранта по фундаментальным исследованиям в области геодезии и картографии «Теория и методы оперативного информационного обеспечения регионов страны с помощью геоинформационного картографирования», учрежденного Министерством образования РФ и поддержанного МИИГАиК (№97-27-2.51-19, 1998 - 2000 гг.).
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе. Разработанные схемы, технология и алгоритмы применяются в четырех курсах, читаемых студентам на географическом факультете АлтГУ: «Количественные методы в географии», «Социально-экономическое картографирование», «География природных ресурсов» и «ГИС в экономической географии».
В первом курсе наши разработки используются при чтении лекций и проведении практических занятий, посвященных автоматизации картометрических и морфометрических работ [46]. Во втором - разработанные методические подходы и технические приемы апробируются на практических занятиях для составления социально-экономических компьютерных карт Алтайского края разной тематики (плотности населения, густоты дорожной сети, структуры сельскохозяйственных угодий, антропогенных нагрузок и др.)- В третьем курсе студенты создают карты природно-ресурсного потенциала, интегральной балльной оценки природных ресурсов и разнообразия ландшафтов применяя технологию ГК морфометрии рельефа, предложенную в диссертации. В последнем курсе широко применяются разработанные программы, алгоритмы и методы ГК при автоматизированном создании и использовании цифровых карт административных районов Алтайского края.
Предлагаемые теоретические, методические и технические разработки могут быть полезны картографам, географам различных направлений, экологам,
почвоведам, работникам сельского хозяйства; студентам-географам и картографам, магистрантам и аспирантам, интересующимся вопросами на стыке картографии, морфометрии, геоинформатики и количественных методов. На защиту выносятся следующие положения:
Алгоритмизированная технология ПС морфометрических характеристик рельефа требует выполнения вычислительных операций в строгой последовательности от сбора количественной информации к ее упорядочению, математической обработки и созданию серии численных и картографических (компьютерных) моделей.
На основе проведенных картометрических экспериментов доказана возможность использования в морфометрическом анализе не только крупномасштабных, но и мелкомасштабных карт.
Изолинейные модели, отличающиеся более высокой наглядностью, детальностью и возможностью широкого использования ГИС-технологий, наиболее перспективны при изучении морфометрии рельефа.
Морфометрические карты термического и термоуглового эффекта склонов рельефа, его горизонтальной кривизны и извилистости - это новые картографические модели, позволяющие решать задачи агроклиматологии, геоморфологии, картографии, экологии.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на: научных конференциях студентов, аспирантов и магистрантов (Барнаул, 1998, 1999), проводимых ежегодно в Алтайском государственном университете, Международной конференции «Интеркарто 4: ГИС для оптимизации природопользования в целях устойчивого развития территорий» (Барнаул, 1998), IV Международном научно-методическом семинаре по топографии и картографии (Харьков, 1999), Всероссийской научно-методической конференции «Новые информационные технологии в образовании» (Комсомольск-на-Амуре, 1999), V Международном научно-методическом семинаре по географии (Харьков, 2000), научно-методическом семинаре лаборатории информационно-картографического моделирования АлтГУ (Барнаул, 2000), II Всероссийской
научной конференции по картографии, посвященной памяти А.А. Лютого (Москва, 2001), Международной научно-практической конференции «Геоинформационное картофафирование государств и регионов» (Киев, 2001), XIV молодежной Всероссийской научной конференции (Иркутск, 2001), Первой Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле (Новосибирск, 2002), XII Международном научно-методическом семинаре по геофафии и картофафии (Харьков, 2003).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 15 печатных работ.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений.
В главе 1 дается определение рельефа, рассматриваются факторы рельефо-образования, обосновывается научно-практическое значение его исследований. Приводятся традиционные методические подходы к созданию и использованию морфометрических карт рельефа земной поверхности Алтайского края.
Научно-практическое значение изучения рельефа земной поверхности
Прежде, чем говорить - какое значение имеют исследования рельефа для науки и практики, необходимо определить его место в географической оболочке (ГО) как одного из компонентов ПТК. В настоящее время в научной литературе чаще всего используется термин не «ПТК», а «геосистема» - близкий понятиям «природно-территориальный комплекс», «геокомплекс» или «ландшафт» [55]. В этом смысле геосистема это синоним ПТК. Под ним понимается «особый класс управляющих систем; земное пространство всех размерностей, где отдельные компоненты природы находятся в системной взаимосвязи друг с другом и как определенная целостность взаимодействуют с космической сферой и человеческим обществом» [56, с. 292]. Рассмотрим, какую роль играют исследования рельефа, как одного из главных компонентов геосистем разного иерархического уровня.
Известно, что рельеф, представляющий собой совокупность форм земной поверхности, определяет морфологические закономерности массы твердой земной коры - литосферы. Литосфера, также как и другие природные географические компоненты (массы гидросферы, воздушные массы, биота и почвенный покров) является в свою очередь составной частью ГО (геосистемы планетарного уровня). Таким образом, в иерархической структуре ГО рельеф - это один из компонентов ПТК, или геосистем локального уровня. Он также как и климат играет столь важную роль в формировании и функционировании геосистем, что по традиции за ними сохраняются права самостоятельных географических компонентов [47].
Взаимодействие форм земной поверхности и рельефообразующих процессов триедино. Во-первых, рельеф разделяет две среды, которые обладают разными физическими свойствами и источниками воздействий. Поэтому его можно назвать активной поверхностью между атмо-гидросферой и литосферой. Благодаря своему пограничному положению рельеф - это наиболее «энергона 16 сыщенный» компонент геосистем, который является своеобразным распределителем энергии Земли (скорости водных потоков, интенсивности эрозионных процессов) и энергии Солнца (нагреваемости склонов) [3, 48]. Поэтому его, как материальную и вещественную систему, правомерно называть ареной, на которой происходят все процессы динамики. Две другие составляющие взаимодействия форм земной поверхности и геоморфологических процессов рельефооб-разования - это фундаментальные различия, характеризующие структуру разделяемых им сред, и, наконец, детерминирующая роль формы рельефа, его морфологии в процессах динамики.
Отсюда, можно говорить о том, что рельеф - это действительно один из главных компонентов геосистем, а, следовательно, он заслуживает внимания географов и других представителей наук о Земле.
Рельеф - это результат взаимодействия эндогенных и экзогенных сил. Эндогенные (тектонические, вулканические и др.) создают наиболее крупные морфологические элементы земной поверхности и подчиненные им крупные неровности рельефа континентов и дна морских впадин (элементы морфострук-туры). Кроме того, эндогенные силы не только определяют интенсивность различных экзогенных процессов, но и само их существование, начало их деятельности [57]. Иначе говоря, рельеф является индикатором проявления тектонических процессов и хода геологической истории, а значит и объектом научных исследований в комплексе наук геологической направленности.
В наибольшей степени изучением рельефа заинтересована геоморфология. Это видно из самого определения геоморфологии как науки: «геоморфология -это наука о рельефе твердой поверхности Земли и его развитии в пространстве и во времени» [53, с. 4].
В геофизике рельеф является физиономическим (зрительно ощущаемым) компонентом, по которому хорошо дешифрируются горизонтальные границы геосистем разного ранга [58].
Одним из экологических факторов, относящимся к физико-химической (абиотической) группе условий существования организмов, является рельеф. В геоэкологии он рассматривается как элемент биогеоценоза, влияющий на климатические условия его существования (нагреваемость поверхности земли, увлажнение, перераспределение снега, атмосферное давление и т.п.). А температура и увлажнение принадлежат к числу важнейших климатических факторов, действия которых носят очень отчетливый характер [59]. Кроме того, рельеф определяет степень самоочищаемости территории от продуктов антропогенного загрязнения [60].
В гидрологии, при изучении условий формирования стока, установлено, что в горах эти условия зависят от высоты местности, выражаемой через среднюю высоту водосбора. В каждом орографическом районе наблюдается характерная зависимость показателей водных ресурсов и стока от картометрических (абсолютных высот) и морфометрических (углов наклона, горизонтальной и вертикальной расчлененности и др.) [6].
Как известно, температуры, осадки и другие климатические показатели зависят от абсолютных высот местности, которые создают барьеры для воздушных масс и формируют микроклиматические условия. Крупные орографические элементы рельефа зачастую и сами создают климатические условия на своей территории [61, 47], поэтому детальная информация и количественная оценка рельефа всегда будут интересовать специалистов в области метеорологии и климатологии (например, при составлении синоптических карт прогноза погоды и др.).
В ландшафтоведение рельеф выступает не только элементом геосистем, но и главным критерием, по которому выделяются единицы физико-географического районирования. Н.А. Гвоздецкий [61, с. 75] пишет: «Очень велика, многопланова и «многопорядкова» дифференцирующая роль рельефа. Так как весьма существенны различия в структуре и динамике равнинных ландшафтов платформенных областей и горных ландшафтов геосинклинальных зон, то различны и основные закономерности их дифференциации. В горах проявляется высотная зональность. В спектре высотных зон и поясов отражается влияние широтной зональности и долготной дифференциации. На равнинах широтная зональность и долготная дифференциация проявляются непосредственно».
В почвоведении рельеф является одним из факторов почвообразования и входит в уравнение состояния почвы [62].
Одним из основных методов исследования рельефа земной поверхности является морфометрический метод. Спектр задач, решаемых с помощью методов морфометрического анализа достаточно широк. По результатам морфомет-рических исследований определяют количественные характеристики рельефа и других компонентов географического ландшафта, которые необходимы в решении ряда научно-практических задач. Морфометрический метод также широко используется для исследования новейших тектонических движений, выявления тектонических структур и ряда других актуальных вопросов геологии и геоморфологии.
Исключительно важную роль морфометрические характеристики играют при составлении карт. Так, например, для правильного проведения картографической генерализации гидрографической сети и рельефа при картосоставлении необходимо сохранять на карте относительную густоту речной сети и относительную степень расчлененности рельефа, для чего используются показатели густоты речной или овражно-балочной сети и т.д.
Картометрический уровень
Операции первого уровня начинаются со снятия количественной информации - картометрических (абсолютных) показателей о рельефе и гидрографической сети. Далее выполняются операции упорядочения этой информации путем суммирования или осреднения исходных данных по операционным ячейкам (рис. 2.2). Заключает первый этап процесс пространственного координирования центров ячеек (опорных точек), необходимый для ввода исходной информации в память компьютера.
Картометрические работы производились следующим образом.
В пределах каждой из 145 операционных ячеек определялись картометрические характеристики: средние абсолютные (Н), максимальные (Нтах) и минимальные (#min) высоты, суммарная протяженность рек (L ) и суммарная длина изогипс (изолиний с равными числовыми значениями абсолютных высот) (ХАЛ Кроме того, определялись площади самих операционных ячеек (трапеций), попавших в контуры границ края (см. рис. 2.1).
Ввиду трудностей подбора карт стотысячного масштаба, был поставлен картометрическии эксперимент, результаты которого позволили сделать соответствующие выводы о возможности и целесообразности их замены гипсометрическими картами мелкого масштаба [87]. Для выявления пригодности использования картометрической информации (площадей трапеций, длин гидрографических объектов и горизонталей) выполнялись следующие операции: 1. Находилось оптимальное количество контрольных точек (точки наблюдения, по которым измерялись картометрические показатели); 2. Рассчитывались показатели среднего квадратического отклонения абсолютных высот ( 5Н ) на двух картах (М 1: 3 500 000 и М 1: 100 000); 3. На основе полученных данных вычислялись ошибки взвешенной средней арифметической (тїї) для этих же карт и по результатам исследований формулировались соответствующие выводы. Для того чтобы вычисленные картометрические данные не были занижены или наоборот - завышены, мы выбрали три ключевых участка (сфероидические трапеции) с рельефом разного уровня сложности. Этим трапециям соответствуют топографические карты стотысячного масштаба с номенклатурой: N-44-99 Знаменка (территория Кулундинской равнины), N-45-88 Тогул (Бийско-Чумышская возвышенность) и М-44-22 Краснощеково (предгорья Алтая) (рис. 2.3).
При определении средних абсолютных высот (Н) находилось оптимальное количество контрольных точек, называемых в математической статистике выборочной совокупностью (п).
За генеральную совокупность приняли бесконечное множество точек, которые покрывают каждый ключевой участок (операционную ячейку). Учитывая, что объем генеральной совокупности (N) стремится к бесконечности (+оо) по формулам ошибок основных выборочных статистических показателей [3], ошибка средней взвешенной арифметической {тїї) равна:
С помощью интегрального исчисления установлено [3], что в случае равномерного распределения интервалов и площадей, занятых каждой градацией, 8И в 3,5 раза (квадратный корень из 12) меньше размаха признака, поэтому 5Н определялось визуально-картографическим способом по формуле (2.24): H — м дн = та — ш , (2.24) где Ятах и #min - максимальные и минимальные значения абсолютных высот рельефа. По физической карте Алтайского края масштаба 1: 3 500 000 определили Яшах и Нт\п для формулы (2.24). Отсюда . 300-200 = -28,5 м. 3,5
При условии, что ошибка средней взвешенной арифметической не должна превышать 10 м (тїї 10), рассчитали искомое (и) по формуле (2.23):28,52 м .п = — = 8 .102 м
Таким образом, выборочная совокупность в эксперименте должна составлять не менее восьми точек наблюдения. Для большей достоверности расчетов взяли п = 36 (т.е. 6x6 точек в трапеции).
В дальнейшем, путем линейной интерполяции в каждой из 36 точек и для всех ключевых участков определялись значения абсолютных высот: сначала для карт стотысячного масштаба, а затем для карты масштаба 1: 3 500 000. После этого данные записывались в таблицу для последующего вычисления средних абсолютных высот (Я ) и средних квадратических отклонений (5Н ) по формулам:_ 2Ж Н = Г (2-25) и V я-1 где Я. - абсолютные высоты в каждой і-той точке, а п - число контрольных точек. После соответствующих вычислений Н и дн полученные результаты записывались в таблицу 2.1.
Из таблицы видно, что среднеквадратические отклонения абсолютных высот, полученных по картам разных масштабов практически не отличаются друг от друга.
Таким образом, мелкомасштабная карта вполне пригодна для определения средних высот по всем операционным ячейкам края.
Карта интегральной оценки термоуглового эффекта склонов рельефа земной поверхности
Функционирование геосистем всегда сопровождается поглощением, накоплением и освобождением энергии. Важнейшим из потоков энергии, поступающим в ландшафт извне является солнечная энергия. Вся совокупность энергии солнечных лучей (от инфракрасных до ультрафиолетовых), посылаемых Солнцем, образует солнечную радиацию [131]. Лучистая энергия Солнца поглощается поверхностью почвы, превращается в тепловую и передается в верхние, затем в глубокие слои почвы. При излучении почвы расход тепла больше прихода, поверхность почвы охлаждается, и это охлаждение передается в верхние и глубокие слои почвы. Таким образом, земная поверхность, поглощающая и излучающая тепловую энергию, регулирует тепловой режим почвы [132].
Тепловая энергия в почве имеет несколько источников: 1) лучистая энергия солнца; 2) атмосферная радиация; 3) внутренняя теплота земного шара; 4) энергия биохимических процессов разложения живых органических остатков; 5) радиоактивный распад. Вклад последних двух источников мал и обычно не принимается во внимание в балансовых расчетах. Внутренняя теплота Земли также незначительна -4,19 10-4 Дж\см мин. Вклад этого источника в тепловой поток велик лишь в районах активной вулканической деятельности. Атмосферная радиация приобретает существенное значение в балансе теплоты в районах с неустойчивой атмосферной деятельностью, в периоды вторжения теплых или холодных воздушных масс. Таким образом, главным источником теплоты в почве является лучистая энергия Солнца [133].
Развитие почв и формирование их плодородия определяется конкретным сочетанием природных факторов почвообразования. Важнейший из них - рельеф, который влияет на перераспределение солнечной радиации и осадков в зависимости от экспозиции, длины, крутизны и формы склонов.
Температурный режим почвы различных склонов также неодинаков. Различие эти обусловлены величиной прихода солнечной радиации, влажностью почвы, мощностью травостоя и силой ветра. В условиях холмистого рельефа многие культуры на вершинах и склонах развиваются быстрее, чем на подножиях склонов и дне долины.
Таким образом, исследования тепловых свойств почв и особенностей годовой динамики их температур необходимы для изучения всех процессов, протекающих в почвах и оценки продуктивности растительности.
Выполнив анализ результатов полевых экспедиционных исследований можно сделать вывод о том, что нагреваемость поверхности Земли, возникающая в ходе неравномерного распределения солнечной энергии - важнейший параметр микроклимата территорий. Его влияние на условия произрастания сельскохозяйственных культур, особенно требовательных к теплу, часто недооценивается.
В диссертации делается попытка устранить этот недостаток и оценить влияние микроклимата территорий (в зависимости от рельефа), как на качественном, так и на количественном уровнях.
Интенсивность поступления энергии солнечных лучей на поверхность Земли зависит от разных факторов: 1) географической широты, 2) углов наклона склонов, 3) экспозиции и др.
Неравномерное распределение солнечной энергии по широтам связано с шарообразной формой Земли. Для доказательства справедливости данного положения Ф.Н.Мильков [134] предлагает следующий эксперимент. Расположим три одинаковые по площади пластины (а, Ь, с) под разными углами (рис. 3.3 А). Из рисунка видно, что идущие от Солнца параллельные лучи не только падают на пластины под разными углами, но и количество их неодинаково. Чем больше угол падения, тем большее количество лучей соприкасается с ними (а Ь с). А так как каждый луч это определенная величина солнечной энергии, то отсюда следует, что интенсивность солнечной энергии пропорциональна синусу угла падения лучей: I = IQ sina, (3.17) где Io - ИНСОЛЯЦИЯ . Распределим те же самые пластины на экваторе в средних и высоких широтах (рис. 3.3 Б). По аналогии с рассмотренным вариантом наглядно видно, что вблизи экватора приходится максимум солнечного тепла, а чем дальше от него к северу и югу, тем его меньше на единицу горизонтальной плоскости. Рельеф Земли далек от идеально ровной горизонтальной поверхности, поэтому в распределении солнечной энергии значительную роль играет крутизна склонов. Изобразим схематически условную поверхность Земли Т и поток солнечных лучей / (рис. 3.4 А). Угол а} образуют солнечные лучи, падающие на горизонтальную поверхность. Его можно назвать углом падения
«Поток прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность называют инсоляцией» [135, с. 92] солнечных лучей 7 т.к. крутизна склона в данном случае равна нулю. Углы 0 и а3 образованы потоком солнечных лучей I и углами наклона склонов і. При этом а2 а3, поскольку а2 - угол южной экспозиции, ай3- северной. Из рисунка видно, что при увеличении угла наклона склонов а тоже увеличивается, и стремится к 90, при котором поверхность Земли будет получать максимум прямой солнечной радиации, а отсюда и максимальную нагреваемость.
Допустим, угол падения солнечных лучей 7; и крутизна склона it равны 45 (рис. 3.4 ). Тогда они образуют прямоугольный треугольник А}ВіСі, в котором поток солнечных лучей 12 будет падать на поверхность Земли под углом а = 90. В этом случае степень нагреваемости Земной поверхности будет максимальная. При дальнейшем увеличении крутизны склона или угла падения солнечных лучей а тоже будет увеличиваться и тем самым все больше отклоняться от отметки 90. Следовательно, по мере возрастания а, нагреваемость будет убывать. Отсюда, угол падения солнечных лучей 7/ и крутизна склона і/ равные 45 образуют своеобразный «тепловой барьер», при котором нагреваемость поверхности Земли, соответственно будет максимальная.
Сравнительно-визуальный анализ карт основных морфометрических показателей рельефа
Наиболее простой вид анализа - сравнительно-визуальный, позволяет обнаружить закономерности картографируемых показателей, связь с орографическими элементами (см. рис. П. 8), их влияние на природные и антропогенные процессы. Он относится к качественному уровню научных исследований и предшествует более строгому — количественному.
Рассмотрим более подробно изолинейные модели трендовой карты рельефа и трех основных его морфометрических показателей: вертикального и горизонтального расчленения, углов наклона.
Трендовая карта рельефа (см. рис. П. 2.1) построена по значениям осред-ненных высот и представляет собой сглаженную, генерализованную ЦМР. Ос реднение производилось по элементам статистической совокупности - операционным ячейкам. Восстановление средних абсолютных значений высот в виде непрерывной поверхности выполнялось методом кригинга в программной среде Maplnfo и Surfer (см. рис. 2.1).
По данной карте можно выделить геоморфологические районы Алтайского края - Кулундинскую равнину, Приобское плато, Долину р. Оби, Бийско-Чумышскую возвышенность и Салаирский кряж, которые ограничены предгорными равнинами - Предалтайской (на юге) и Предсалаирской (на востоке) [33, 39].
По карте четко выделяется «переходная» зона Алтая и Салаира или «зона компенсации». Г.Я. Барышников определяет ее как «участок земной поверхности, расположенный между активно развивающимися горными сооружениями и испытывающими погружение предгорными впадинами, с минимальным проявлением неотектонических движений как положительного, так и отрицательного знаков с характерным для данной зоны выположенным рельефом» [12, с. 11]. Прикладное значение исследований переходной зоны проявляется в возможности выявления условий сохранения и переформирования месторождений полезных ископаемых. Их отличительной чертой является сочетание условий образования и эволюции месторождений, характерных как для стабильных областей, так и для орогенов [12].
На карте вертикального расчленения (см. рис. П. 2.2) рисунок изолиний соответствует границам геоморфологических районов Алтайского края и во многом похож на трендовую карту рельефа земной поверхности (см. рис. П. 2.1). На Кулундинской равнине показатель вертикального расчленения изменяется от 0 до 20 м, увеличиваясь в восточном, северо- и юго-восточном направлениях. Приобское плато оформляется изолиниями с численными значениями 20 и 30 м. В северо-восточной и юго-западной частях территории края при переходе от равнины к возвышенности, разница между максимальными и минимальными значениями абсолютных высот достигает 30-40 м. При переходе к пойме р. Оби показатель уменьшается до 25-30 м и увеличивается к верховью до 70 м. На Предалтайской равнине вертикальное расчленение колеблется от 70 до 100 м. Бийско-Чумышская возвышенность характеризуется экстремальных высотами 30-60 м. В северо-восточном направлении (в сторону Салаирского кряжа) разница экстремальных высот достигает 100 м.
На карте четко видна закономерность увеличения показателя в юго-восточном направлении - предгорной части края. От Предалтайской равнины вертикальное расчленение изменяется от 100 до 380 м.
Карта горизонтального расчленения (см. рис. П. 2.3) показывает интенсивность процессов водной эрозии и зависит, прежде всего, от густоты речной сети. Минимальные значения показателя характерны для территории Кулундин-ской равнины - от 0,01-0,04 км/км2. На Приобском плато горизонтальное рас-членение изменяется от 0,06 до 0,16 км/км , увеличиваясь до 0,22 км/км в левобережной части р.Оби. Здесь русло реки разветвляется на множество рукавов, которые в свою очередь образуют густую эрозионную сеть. По правому берегу средней части поймы р.Оби показатель изменяется от 0,09 до 0, 12 км/км2. Бийско-Чумышская возвышенность имеет более густую речную сеть и соответственно более высокие показатели горизонтального расчленения - от 0,13 до 0,17 км/км2. Значительные эрозионные процессы протекают на территории Предалтайской равнины и предгорьях Алтайского края. Показатель расчлененности здесь изменяется от 0,14 (на равнине) до 0,18 км/км2 (в предгорной части). На Салаирском кряже (северо-восточная часть края) значения горизон-тального расчленения колеблются от ОД 8 до 0,21 км/км .
На карте средних углов наклона (см. рис. П. 2.4) изоклины (изолинии равных значений углов наклона) оконтуривают основные геоморфологические районы края и имеют общую закономерность увеличения показателя с запада к северо- и юго-востоку. Наименьшие значения средних углов наклона (от 0 до 0,2) наблюдаются на территории Кулундинской равнины, отличающейся слабым эрозионным расчленением и оврагообразованием [33, 34, 39]. С востока Кулундинская равнина ограничена приподнятым слабонаклонным Приобским плато, рельеф которого имеет углы наклона - 0,3-0,6. В пределах Бийско 115
Чумышской возвышенности численные значения показателя колеблются от 0,5 до 1,3 и уменьшаются до 0,1 в пойме р.Оби. В северо-восточной части края средние углы наклона увеличиваются от 1,3 до 2,7. С южной стороны Приобское плато и отрезок долины р.Оби, между г.Бийском и устьем Чарыша, ограничены Предалтайской равниной, поверхность которой слабо наклонена на север, а средняя крутизна склонов составляет 0,2-1,3. Предгорья Алтайского края имеют наибольшие значения показателя - от 1,4 до 4 и более. Наиболее крупные «ядра» высокого значения средних углов наклона расположены на хребтах - Тигирецком, Коксуйском, Коргонском, Бащелакском, Ануйском, Чергинском, Семинском (см. рис. П. 8).
