Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Возможности и особенности использования геоинформационных технологий в целях решения морфометрических задач 9
1.1. Типы исходных материалов и методы их использования 10
1.2. Цифровые модели рельефа 15
1.3. Системы управления базами данных для хранения и анализа пространственно локализованной информации 21
1.4. Статистические методы в морфометрических исследованиях 26
1.5. Сравнительный анализ ГИС-пакетов 30
ГЛАВА 2. Суть и задачи морфометрических исследований 40
2.1. Теоретические вопросы морфометрического анализа рельефа 40
2.2. Цели и задачи морфометрических исследований. Методы их решения 48
2.3. Краткая характеристика модельных объектов компьютерного картографирования для решения морфометрических задач 61
2.3.1. Описание участка Алтайского горного массива 62
2.3.2. Основные черты рельефа Хибинского горного массива 71
2.3.3. Характеристика рельефа района Щелковского ПХГ 74
ГЛАВА 3. Содержание и особенности методики компьютерного морфометрического картографирования 78
3.1. Исследование особенностей и точности методов построения ЦМР 79
3.2. Производные морфометрические карты 86
3.3. Статистическая обработка данных, полученных по ЦМР 98
3.4. Возможности применения методики для решения прикладных задач 108
3.4.1. Картографическое обеспечение решения геоэкологических задач морфометрическими методами 110
3.4.2. Анализ рельефа как фактора ландшафтной дифференциации 114
3.4.3. Анализ рельефа в ходе системного картографирования территории Щелковского ПХГ 129
Заключение 139
Список литературы 141
Список приложений 150
- Системы управления базами данных для хранения и анализа пространственно локализованной информации
- Описание участка Алтайского горного массива
- Статистическая обработка данных, полученных по ЦМР
- Анализ рельефа в ходе системного картографирования территории Щелковского ПХГ
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Изучение морфологии и морфометрии рельефа снова становится одной из главных задач ряда современных географических наук. Это связано с тем, что такие характеристики рельефа, как распределение по территории абсолютных высот, относительных превышений, уклонов, вертикальная и горизонтальная расчлененность, а также некоторые другие, являются объектом специальных фундаментальных исследований. Кроме того, эти свойства рельефа земли обычно учитываются при подготовке территории для строительства различных инженерных сооружений (жилых и промышленных зданий, железных и шоссейных дорог, системы канализации и водоснабжения и многих других). Они таюке используются для решения задач создания защиты от неблагоприятных и опасных явлений, при создании проектов мелиорации, защиты земель от почвенной эрозии, при оценке миграции токсичных веществ и многих других проектов.
Получение этих характеристик всегда было связано с большими трудозатратами. Картография, как наука, всегда или, по крайней мере, достаточно давно активно участвует в обеспечении решения морфометрических задач, разрабатывая приемы картометрии, предлагая различного рода количественные показатели рельефа, применяемые при создании новых типов карт.
Существует множество различных методик и подходов, разработанных для решения локальных морфометрических задач, т.е. задач, решаемых для конкретной территории. До настоящего времени недостаточно обобщен этот опыт и не выработана оптимальная логическая схема решения морфометрических задач как отдельного класса вне конкретной территориальной привязки с применением средств автоматизации.
При морфометрическом анализе рельефа, как правило, приходится иметь дело с многочисленными числовыми данными - результатами измерений различных характеристик рельефа, причем объем измерений возрастает в геометрической прогрессии по мере увеличения территориального охвата или подробности.
Проблема сопряжения всего информационного объема может быть решена при использовании геоинформационных технологий, которые дают возможность свести все материалы в единую систему, и обладают большой наглядностью. Но при этом возникают новые задачи собственно картографического характера, которые также требуют решения. Прежде всего, необходимо оценить современное состояние этой области картографии, точнее определить цели и задачи морфометрического картографирования, наметить пути рационального использования новых технологий и разработать методику их использования. Этим и определяется актуальность данного исследования.
Цель исследования состоит в разработке и практической реализации оптимальной методики компьютерного морфометрического анализа рельефа для решения научных и практических задач.
В соответствии с целью исследования в работе поставлены следующие основные задачи: проанализировать и обобщить опыт геоинформационного картографирования в целях решения морфометрических задач, изучить возможности использования и совмещения различных программных средств; выявить особенности постановки морфометрических задач, разработать классификацию и определить алгоритмы их решения; разработать методику создания и содержание серий компьютерных морфометрических карт на основе современных геоинформационных технологий; апробировать разработанную методику на примере создания серии карт для участка Алтайского горного массива; исследовать возможности применения разработанной методики для решения различных прикладных задач.
Методика исследования. Исследование опиралось на достижения в области геоинформационного картографирования С.Н. Сербенюка, A.M. Берлянта, Б.А. Новаковского, B.C. Тикунова, А. В. Кошкарева, И.К. Лурье, О.Р. Мусина и других, а также на научно-методологические принципы и идеи морфометрического картографирования, заложенные Н.М. Волковым, Ю.Г. Симоновым, A.M. Берлянтом, А.И. Спиридоновым, А.С. Девдариани, Р.Х. Пириевым и др. В основу работы положены личные исследования автора в период с 1995 по 2001 гг., материалы, полученные в лаборатории цифровой картографии и фотограмметрии кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, а также многочисленные публикации по исследуемой проблеме. Все картографические изображения созданы на основе методов и приемов геоинформационного картографирования.
Научная новизна исследований. В результате проведенных работ на основе обобщения опубликованных и авторских материалов впервые: разработана методика компьютерного морфометрического картографирования рельефа; обоснованы последовательность и содержание этапов, состав, содержание и методы составления серии карт; проведена классификация задач морфометрических исследований с позиции их автоматизации, предложены схемы их решения; проведен сравнительный анализ статистических исследований морфометрических характеристик территории в зависимости от способа ее районирования; составлена серия компьютерных морфометрических карт на участки территории Алтайского и Хибинского горных массивов и района Щелковского подземного хранилища газа.
6 Практическая ценность исследований. На основе разработанной методики компьютерного морфометрического картографирования рельефа земной поверхности автоматизированным путем впервые получен ряд производных карт рельефа, например, комплексная карта уклонов и экспозиций, базисных поверхностей и толщин дренируемого слоя водотоками различных порядков, бассейновой структуры территории и др. Методика позволяет решать задачи морфометрического анализа абстрактного рельефа, весьма полезных при комплексных геоэкологических исследованиях. Это подтверждается результатами, полученными при оценке воздействия на окружающую среду Щелковского подземного хранилища газа, исследованиями ландшафтной дифференциации Хибин, а также экологическими исследованиями для составления карты ограничения сбора полезных дикорастущих растений в Хибинах.
Все практические результаты исследований нашли применение в курсах: «Использование ЭВМ в геоморфологии» для студентов - геоморфологов, «Цифровая картография» и «Цифровая фотограмметрия» для студентов -картографов и геоинформатиков; «Аэрокосмические методы в географических исследованиях» для студентов - географов и геоэкологов, обучающихся на географических факультетах (МГУ, ЧФ МГУ и др.).
Предварительные результаты проведенных работ легли в основу проекта «Теоретическое и экспериментальное обоснование создания-использования цифровых моделей рельефа реальных и абстрактных геополей на основе геоинформационных технологий», поддержанного фондом РФФИ (грант № 00-05-64547, 2000-2002 гг.). Опубликовано учебное пособие (в соавторстве) «Цифровая картография: цифровые модели и электронные карты». - М.: изд-во МГУ, 2000.-116 с.
Результаты проведенных исследований могут быть полезны органам управления и специалистам, занимающимся комплексными исследованиями территорий, обоснованием и проведением проектных и строительных работ, организацией сетей мониторинга, а также специалистам, работающим в смежных областях науки и практической деятельности; студентам, аспирантам и молодым ученым, интересующимся применением морфометрических методов для решения различных прикладных задач.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит: 150 страниц машинописного текста, 105 иллюстраций, в том числе 43 цветные компьютерные карты, 4 таблицы. Библиография включает 104 наименования.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на Международных научных конференциях: Интеркарто-3,4,5 и 6 'ТИС для устойчивого развития окружающей среды" (Новосибирск, 1997, 1998, 1999, 2000), студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-98» (Москва, 1998); на Всероссийских научных и научно-практических конференциях: «Геоэкологическое картографирование» (Москва, 1998) и "Университеты России - фундаментальные исследования: география" (Новороссийск, 2000), научных и научно-практических конференциях: "Актуальные проблемы геоэкологии и геоинформатики" (Москва, 1996) и ГУЗ (Москва, 1996).
По теме диссертации опубликовано 17 научных работ.
Исследования выполнены на кафедре картографии и геоинформатики географического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность научным руководителям: профессору кафедры картографии и геоинформатики Богуславу Августовичу Новаковскому и профессору кафедры геоморфологии и палеогеографии Юрию Гавриловичу Симонову, а также всем сотрудникам кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ, которые принимали активное участие в обсуждении данной работы и вносили предложения по её совершенствованию.
В первой главе рассматриваются возможности использования геоинформационного картографирования для решения задач морфометрического анализа рельефа, анализируются основные типы необходимого программного обеспечения. Особое внимание здесь уделяется цифровым моделям рельефа как важнейшей составляющей методики компьютерного морфометрического картографирования.
Вторая глава посвящена изучению основных подходов к систематизации и классификации задач морфометрических исследований; здесь рассмотрены основные теоретические вопросы морфометрического анализа рельефа, предложена классификация морфометрических задач, включая способы и алгоритмы их решения.
В третьей главе раскрыты особенности методики компьютерного морфометрического картографирования, включая последовательность и содержание этапов, состав, методы и средства составления серии карт для участка территории Алтайского горного массива, а также возможности ее применения для решения геоэкологических и других прикладных задач на примере создания серии компьютерных морфометрических карт Хибин и района Щелковского подземного хранилища газа.
Системы управления базами данных для хранения и анализа пространственно локализованной информации
Как правило, в любом морфометрическом исследовании приходится иметь дело с большими объемами различной информации, накопленной как в результате собственно морфометрических, так и других видов работ. Для автоматизации этого и упорядочения информации в настоящее время широко используются Системы Управления Базами Данных (СУБД).
Начало активного использования персональных СУБД в нашей стране по времени совпадает с началом бума персональных компьютеров (1986-87 гг.). За это время на их основе создано множество программ, и выросло целое поколение разработчиков, ориентированных на них в своей профессиональной деятельности (Базы..., 2001; Ладыжинский, 2001). СУБД позволяют структурировать, систематизировать и организовать данные для их компьютерного хранения и обработки.
Обращаясь к истории развития и совершенствования систем управления базами данных, можно условно выделить три основных этапа. Начальный этап был связан с созданием первого поколения СУБД, опиравшихся на иерархическую и сетевую модели данных. Это был период, когда на рынке вычислительной техники доминировали большие ЭВМ, например, система IBM 360/370, которые в совокупности с СУБД первого поколения составили аппаратно-программную платформу больших информационных систем.
СУБД первого поколения были в подавляющем большинстве закрытыми системами: отсутствовал стандарт внешних интерфейсов, не обеспечивалась переносимость прикладных программ. Они не обладали средствами автоматизации программирования и имели массу других недостатков. Кроме того, они были весьма дороги. В то же время СУБД первого поколения оказались долговечными: разработанное на их основе программное обеспечение используется и по нынешний день, и большие ЭВМ по-прежнему хранят огромные массивы актуальной информации.
С созданием реляционной модели данных был начат новый этап в эволюции СУБД. Простота и гибкость модели привлекли к ней внимание разработчиков и снискали ей множество сторонников. Несмотря на некоторые недостатки, реляционная модель данных стала доминирующей. Условно эту группу систем можно назвать "вторым поколением СУБД". Его характеризовали две основные особенности - реляционная модель данных и язык запросов SQL. Представители второго поколения в настоящее время еще сохраняют определенную популярность среди производителей СУБД, в большинстве своем развившись в системы третьего поколения, к которому и относятся современные СУБД. Для современных СУБД характерны использование идей объектно-ориентированного подхода, управления распределенными базами данных, активного сервера баз данных, языков программирования четвертого поколения, фрагментации и параллельной обработки запросов, технологии тиражирования данных, многопотоковой архитектуры и других революционных достижений в области обработки данных.
СУБД третьего поколения - это сложные многофункциональные программные системы, функционирующие в открытой распределенной среде. Сегодня они уже доступны для использования в деловой сфере, это завершенные продукты, предоставляющие разработчикам мощные средства управления данными и богатый инструментарий для создания прикладных программ и систем.
Часто, говоря о базе данных, имеют в виду просто некоторое автоматизированное хранилище данных. Такое представление не вполне корректно. Действительно, в узком смысле слова, база данных-это некоторый набор данных, необходимых для работы (актуальные данные). Однако данные -это абстракция, их суть - отражение объектов реального мира. Данные имеют друг с другом множество сложных связей и зависимостей, что необходимо учитывать в информационной деятельности. Отметим, что в базе данных нужно хранить только актуальные, значимые связи. Таким образом, в широком смысле слова база данных-это совокупность описаний объектов реального мира и связей между ними, актуальные для конкретной прикладной области.
Традиционно все СУБД классифицируются в зависимости от модели данных, которая лежит в их основе. Принято выделять иерархическую, сетевую и реляционную модели данных. Иногда к ним добавляют модель данных на основе инвертированных списков. Соответственно, говорят о иерархических, сетевых, реляционных СУБД или о СУБД на базе инвертированных списков. По распространенности и популярности реляционные СУБД сегодня - вне конкуренции. По сути, это промышленный стандарт. Они были разработаны Коддом еще в 1969-70 гг. на основе математической теории отношений и опираются на систему понятий, важнейшими из которых являются таблица, отношение, строка, столбец, первичный ключ, внешний ключ. Реляционной считается такая база данных, в которой все данные представлены для пользователя в виде прямоугольных таблиц значений данных, и все операции над базой данных сводятся к манипуляциям с таблицами. Взаимосвязь последних является важнейшим элементом реляционной модели данных. Таблицы невозможно хранить и обрабатывать, если в базе данных отсутствуют "данные о данных", например, описатели таблиц, столбцов и т. д. Их называют обычно метаданными. Метаданные также представлены в табличной форме и хранятся в словаре данных. Помимо таблиц, в базе данных могут храниться и другие объекты: экранные формы, отчеты, представления и даже прикладные программы, работающие с базой данных.
Для пользователей информационной системы недостаточно, чтобы база данных просто отражала объекты реального мира. Важно, чтобы такое отражение было однозначным и непротиворечивым. В этом случае говорят, что база данных удовлетворяет условию целостности. Для того, чтобы гарантировать корректность и взаимную непротиворечивость данных, на базу данных накладываются некоторые ограничения, которые называют ограничениями целостности. Существует несколько типов ограничений. Требуется, например, чтобы значения в столбце таблицы выбирались только из соответствующего домена (той или иной совокупности). На практике учитывают и более сложные ограничения целостности, например, целостность по ссылкам.
Сами по себе данные в компьютерной форме не представляют интерес для пользователя, если отсутствуют средства доступа к ним. Доступ к данным осуществляется в виде запросов к базе данных, которые формулируются на стандартном языке запросов. Сегодня для большинства СУБД таким языком является язык SQL. Его появление и развитие как средства описания доступа к базе данных связано с созданием теории реляционных баз данных. Сегодня SQL - это фактический стандарт интерфейса с современными реляционными СУБД. Популярность его настолько велика, что разработчики не-реляционных СУБД (например, Adabas), снабжают свои системы SQL-интерфейсом. SQL не является языком программирования в традиционном представлении; на нем пишутся не программы, а запросы к базе данных, поэтому это декларативный язык, с его помощью можно сформулировать, что необходимо получить, но нельзя указать, как это следует сделать.
Описание участка Алтайского горного массива
Рассматриваемый участок бассейна р. Ануй тяготеет к низко горной и среднегорной частям Северо-Западного Алтая. С запада и востока он ограничен линейно вытянутыми с северо-запада на юго-восток водоразделами Бащелакского (абсолютные высоты до 2000 - 2200 м над уровнем моря) и Ануйского (абсолютные высоты до 1200 - 1500 м) хребтов. С юга бассейн р. Ануй отделен от Канской межгорной впадины серией субмеридианальных хребтов (Чичке, Усунбут, Лешикту) с абсолютными отметками 1200 - 1600 м, разделенных низковысотными перевалами. Днища долин р. Ануй и ее крупных притоков расположены преимущественно в интервале от 500 до 700 м над уровнем моря, плавно повышаясь до 1000 м в истокам. На севере долина р. Ануй открывается на возвышенную Предалтайскую равнину.
В административном отношении участок находится на стыке границ Солонешенского района Алтайского края Российской Федерации и Усть-Канского района Республики Алтай. Зона низкогорья благоприятна для проживания людей освоения и хозяйственной деятельности. В долинах малых рек сосредоточены россыпные месторождения полезных ископаемых.
Согласно классификации Б.М. Богачкина (1981), разработанной для территории Горного Алтая, в пределах междуречных пространств низкогорно-среднегорной зоны на абсолютных высотах до 1500 м распространен преимущественно пологоувалистый слаборасчленненный эрозионно-денудационный рельеф с глубиной расчленения 250 - 500 м. Для него характерно чередование увалов с мягкими очертаниями и округлых вершин, разделенных плоскими и широкими долинами низких порядков или логами. Склоны долин пологие (не более 20), без резких перегибов переходят в водоразделы.
В наиболее освоенных эрозией частях территории рельеф приобретает характер аккумулятивно-эрозионного относительно пологосклонного с глубиной расчленения 300 - 400 м. Абсолютные отметки водоразделов понижаются до 1000 - 1200 м. Основные черты - развитие островершинных и гребневидных хребтов, зачастую структурно обусловленных.
Особый рельеф развит на абсолютных отметках более 1800 м. Он относится к глубоко расчленненному среднегорью с гольцовыми скалистыми вершинами со следами ледниковой обработки и относительными высотами до 800 - 1000 м. Для него характерно наличие реликтовых форм горно-долинного оледенения - кары, приуроченные к склонам северо-восточной экспозиции, нивальные ниши, гольцовые террасы, мерзлотные полигоны. Указанный тип рельефа локализован только на юго-западной окраине бассейна р. Ануй в осевой части Бащелакского хребта.
В настоящее время на изучаемой территории можно четко выделить три яруса форм рельефа с присущими каждому из них набором ведущих рельефообразующих процессов и особенностями истории развития (Ульянов, 1999).
Долинный ярус. Пойменно-низкотеррасовый комплекс приурочен к днищам долин и включат в себя низкую и высокую поймы и первую надпойменную террасу. Общая ширина его варьирует от 200 100 м в расширениях долин до 10-15 м в сужениях. Пойменный уровень прослеживается по всей долине р. Ануй и долинам всех ее притоков. Превышение низкой поймы в расширениях крупных долин 0,3-0,8 м, в сужениях - до 1,5 м над урезом; превышение высокой поймы от 1,2-1,5 м расширениях долин до 1,5-2,0 м над урезом в сужениях.
К уровню низкой поймы относятся осередки и побочни, сложенные, как правило галечными наносами с гравийно-супесчанистым заполнителем. Формирование их приурочено к зонам перехода от расширенных участков долин к сужениями, либо к приустьевым участкам крупных притоков р. Ануй. Высокая пойма как правило ежегодно заливается полыми водами, а низкая - регулярно при дождевых паводках. В основании высокой поймы выделяется базальная фация, представленная валунно-галечным материалом 2-3 класса окатанности с сероцветным гравийно-песчаным заполнителем порового типа. Видимая мощность достигает в пределах расширенных участков долин 1 м. Выше нее залегает пойменная фация аллювия, представленная довольно однородными неслоистыми суглинками в нижней части зеленовато серыми сильно опесчаненными с включениями единичной мелкой гальки, к верху постепенно переходящими в черноземовидную почву. Мощность пойменной фации - от первых сантиметров до 0,5 - 0,6 м.
Обращают на себя внимание следы многочисленных перемывов пойменно-низкотеррасовых отложений, слагающих морфологически единую поверхность днища долины р. Ануй в пределах Черноануйской депрессии. На подмываемых современным руслом обрывистых участках большой протяженности можно наблюдать серию четких эрозионных вложений руслового и пойменного аллювия более поздних генераций в аллювий предыдущей фазы аккумуляции. Разница высот кровли более древнего и более молодого аллювия русловой фации достигает 1,0 м, что сопоставимо с перепадом высот между уровнем высокой поймы и первой надпойменной террасы.
Поверхность высокой поймы в настоящее время занята преимущественно лугово-разнотравными ассоциациями, изредка с примесью кустарников и березового редколесья. Однако еще в недавнем прошлом на уровне высокой поймы произрастали могучие леса горно-таежного типа, о чем свидетельствуют сохранившиеся пни лиственниц с диаметром у комля более 1 м.
Комплекс низких надпойменных террас в депрессиях морфологически выражен плохо, иногда сливается с уровнем высокой поймы. Высота их в центральных частях Черноануйской депрессии от 2 до 3 м над урезом. По мере продвижения к суженному отрезку долины уровень террас повышается до 3 - 3,5 м над урезом. Как правило в пределах сужений долины поверхности низких террас перекрыты конусами пролювиально-склоновои аккумуляции. Еще ниже по долине в строении низких террас появляется коренной цоколь, уровень прибровочной части повышается до 5 м над урезом, а сами террасы прослеживаются отдельными фрагментами вплоть до Топольненской депрессии.
Комплекс цокольных террас и террасоувалов среднего яруса прослеживается в Черноануйской депрессии в виде серии слабо выраженных пологонаклонных ступеней шириной до 200 - 300 мив диапазоне высот от 6-10 м в до 25-35 метров над урезом. В сужении долины р. Ануй ему соответствуют достаточно четко выраженные террасовидные поверхности с высотой бровки от 6-8 м до 12-15 м над современным урезом. Отдельные сохранившиеся от размыва фрагменты высотой от 6 до 10 м фиксируются в динамической тени крупных конусов выноса, осыпей, внутренних дельт, в узлах слияния наиболее полноводных притоков р. Ануй. В их строении выделяется коренной цоколь высотой до 4 - 6 м над урезом, перекрытый рыхлым чехлом мощностью до 2 м в прибровочной части. Ширина террас редко превышает первые десятки метров, за исключением локальных расширений долины (с. Tor-Алтай), где ширина комплекса террас 6-10 метрового уровня достигает 300 - 500 м. Поверхность субгоризонтальная, иногда со слабым (около 3) уклоном в сторону русла. Бровка четкая, в местах выхода коренного цоколя обрывистая, тыловой шов слабо замыт склоновыми процессами. В техногенных выемках можно встретить высыпки галечного материала с высотой кровли до 6-8 м над урезом.
Статистическая обработка данных, полученных по ЦМР
Кроме того, было проведено сопоставление кривых распределения, построенных для разных подрайонов. Сопоставление кривых распределения можно проводить как визуально, так и с использованием количественных мер различия. В качестве меры различия (М) была использована сумма квадратов разности частоты встречаемости по каждому разрядуный разряд гистограммы (кривой распределения) по каждому из подрайонов. Предлагаемая мера представляет собой квадрат расстояния между сравниваемыми объектами в 12-мерном Евклидовом пространстве. При этом корректное количественное сравнение кривых распределения возможно только при нормализации сравниваемых значений (приведении к относительным единицам). Поскольку каждый район охарактеризован различным количеством измерений, при сопоставлении кривые распределения были построены с использованием вероятностей частоты встречаемости по разрядам (см. приложения 21, 22).
Анализ кривых распределения высот и углов наклона по каждому из подрайонов показал, что большинство их имеет форму близкую к стандартному распределению. Исключение составляют гистограммы: по высотам подрайона T3L1 и по углам наклона T1L2 и T2L3, которые имеют бимодальную форму кривой, хотя во втором случае бимодальность выражена гораздо слабее.
Смещение кривых влево или вправо говорит о преобладании на территории подрайона соответственно более или менее крутых склонов, если такое смещение имеет место на гистограмме углов наклона; или о большей или меньшей расчлененности территории, при возникновении смещения на гистограмме высот. Бимодальное распределение на кривой высот говорит о двух этапах поднятия территории подрайона T3L1. Бимодальное распределение на гистограмме углов наклона показывает преобладание в пределах подрайона участков с двумя определенными значениями углов наклона. Такая ситуация может служить индикатором довольно резкого перегиба склонов на определенной высоте.
При сопоставлении кривых распределения высот по всем подрайонам выяснилось, что исследуемая территория имеет поверхность выравнивания с высотами 700-800 и 900-1000 метров. В юго-западной части (подрайон T3L1) также прослеживается эта поверхность, но присутствует также еще одна выровненная поверхность ледникового генезиса на высотах 1400 - 1500 метров.
Еще один вывод, следующий из сравнения кривых - это то, что главенствующую роль в формировании рельефа на территории играют тектонические процессы, а особенности литологического состава второстепенную. Это подтверждается и сравнительным анализом гистограмм углов наклона. Облик кривых распределения похож для подрайонов, лежащих в одном тектоническом районе, но резко меняется при сравнении с подрайонами, расположенными в соседнем.
Анализ кривых распределения углов наклона склонов выявил также, возрастание уклонов с повышением скорости тектонического воздымания. При этом внутри каждого тектонического района подрайоны очень слабо отличаются значениями модальных углов наклона. Для района ТІ - это 6-12 градусов, для района Т2 - 10-18, для ТЗ - 8-18 градусов.
При сопоставлении и классификации геоморфологических районов по основным статистическим характеристикам числовых массивов в качестве наиболее простой меры различия массивов были использованы разность средних и разность дисперсий массивов. Процедуры классификации массивов по каждой из использованных мер различия и построение дерева классификации проведены с помощью метода естественных группировок (вычисление разностного ряда). Для сравнения массивов по различию средних и дисперсий одновременно, были построены матрицы попарного сравнения выделенных районов сначала по среднему арифметическому, потом - по дисперсии, а затем обе матрицы совмещены друг с другом и по итоговой третьей матрице проанализированы возможные комбинации признаков (см. приложения 23, 24).
Возможные группировки представлены на картах группировок по средним высотам и углам наклона и их дисперсиям (см. приложения 25, 26). Такого рода группировки, выделяя гомогенные классы объектов, имеют двоякое значение, характеризуя общность свойств объектов, выделенных в отдельный класс, они позволяют перейти к дальнейшему объяснению общности свойств этих объектов; либо классификация проводится, например, в целях картографической генерализации при переходе к картам более мелкого масштаба.
Массивы и их части, имеющие разные абсолютные высоты, характеризуются различной тектонической активностью. В этом случае, по В.Пенку, чем интенсивнее идет поднятие, тем круче должны быть склоны. Однако на крутизну склонов могут оказывать влияние и другие факторы. Известно, что на крутизну склонов оказывает большое влияние ход склоновых процессов, которые в свою очередь зависят от соотношения тепла и влажности грунтов, участвующих в формировании склонов. Известно, что существует два основных типа асимметрии склонов. Северный, когда склон северной экспозиции круче склона южной экспозиции. Поскольку грунты склонов северной экспозиции летом оттаивают медленнее и на меньшую глубину по сравнению со склонами южной экспозиции.
Южный вариант асимметрии склонов противоположен северному, так как склоны южной экспозиции (в умеренном поясе северного полушария) быстрее и интенсивнее просыхают. А сухие грунты менее подвижны по сравнению со склонами северной экспозиции. существует ли зависимость углов наклона склонов от их экспозиции?
Для решения этой задачи был взят массив сопряженных чисел. Этот массив представляют собой две колонки сопряженных значений экспозиции и угла наклона склонов. Все операции над каждой парой чисел проводятся одновременно. Экспозиции склонов были ранжированы таким образом, что склоны, обладающие одинаковой освещенностью, попали в одну группу и имели один ранг прогреваемости прямой солнечной радиацией.
Анализ рельефа в ходе системного картографирования территории Щелковского ПХГ
Количественные характеристики рельефа при его описании могут приводиться в виде профилей (графиков). Получение данных для построения графиков следует рассматривать как один из возможных видов морфометрических работ, хотя само измерение в этом случае сведено до минимума (считывание высот с карты и измерение расстояний между горизонталями). При построении профилей и других графиков возникают первые проблемы: 1) как определить соотношение между вертикальным и горизонтальным масштабами; 2) почему для характеристики рельефа выбран именно этот, а не иной профиль. Их решение входит в планирование работ.
Обычно, создавая профиль, стремятся показать типичные черты рельефа и все возможные его варианты. Типичность черт изображаемого на профиле рельефа может быть определена приблизительно (визуально, "на глазок") или доказана строго математически. Для строгих доказательств может оказаться необходимым построение вспомогательных морфометрических карт и специально ориентированный комплекс измерений с последующей статистической обработкой полученного массива данных.
Цель морфометрических работ при построении профилей (одного профиля, серии профилей, совмещенного профиля) может быть определена следующим образом: 1) подобрать наиболее естественное соотношение горизонтального и вертикального масштабов; 2) найти на карте направление профиля, наиболее полно раскрывающее морфологические особенности территории.
Третьим видом морфометрических работ для целей описания рельефа является составление морфометрических карт. Наиболее часто составляются карты: гипсометрическая, углов наклона или уклонов склонов (тангенсов углов наклона), густоты речных русел, относительных превышений, порядков речных русел и др. Перед началом работ для составления морфометрических карт необходимо: выбрать объекта измерения и определить шкал} количественных градаций для разбиения объектов на группы или классы. Цели морфометрических исследований в этом случае можно определить так: 1) выбрать морфометрический показатель, характеризующий те или иные свойства рельефа; 2) определить наиболее информативный способ получения морфометрических данных; 3) найти интервалы значений морфометрического показателя, наиболее полно раскрывающие те или иные свойства рельефа; 4) доказать целесообразность представления морфометрических данных в той или иной картографической форме. Морфометрические карты обычно помещаются в текст в виде иллюстраций и могут быть предметом визуального анализа или дальнейших морфометрических исследований.
Из приведенных примеров видно, что в данном случае цели совершенно иные (по сравнению с перечисленными выше). И поэтому новым целям должен соответствовать свой собственный вид, объем и состав работ. Четвертой формой морфометрических работ при описании рельефа является получение чисто морфометрических данных: определение формы изучаемого объекта в плане, вычисление объемов аккумулятивных и денудационных форм, математическое описание профилей (графиков) или рельефа изучаемой территории и др.. Целью морфометрических работ в этом случае будут: 1) определить ту или иную характеристику рельефа (высоту, длину, площадь, угол наклона, объем и др.); 2) найти набор морфометрических характеристик, описывающих форму того или иного объекта (группы объектов); 3) найти функцию, описывающую данный профиль или график; 4) найти двухмерную функцию, описывающую рельеф (высота как функция широты и долготы); 5) построить гипсографическую кривую; 6) найти тренд (тенденцию изменения в пространстве) того или иного свойства, характеризующего рельеф и др.
Все четыре вида описательных морфометрических исследований, не смотря на их разнообразие, обладают одним общим свойством. Они получаются для того, чтобы охарактеризовать рельеф числено, ответить на вопрос - каков он, рельеф. Эти задачи могут быть усложнены. Усложнение становится возможным, если указанные работы выполняются на фоне ранее проведенных исследований, с помощью которых уже созданы некоторые морфометрические классификации. Затем на основании измерений определяется класс или тип изучаемого рельефа. При решении задач такого типа исследователь принимает кем-то ранее созданную классификацию типов рельефа. Принимая ее, он принимает условия, на которых была создана данная классификация, не обсуждая, хороши они или плохи, хороши ли выбранные границы классов, можно ли этими классами пользоваться на любой территории или они хороши лишь для конкретной одной из ранее исследованных площадей.
Так, например, не всегда ясно, какое решение следует принять, отделяя низко горный рельеф от среднегорного. Многие исследователи границу между ними проводят по абсолютной высоте 1000 м. Однако проблема заключается в том, то не очень ясно - следует ли называть горы средними или низкими, если большая их часть лежит на высоте ниже 1000 м, но 2-3 вершины превышает эту границу или необходимо выделить другие критерии для их разделения. Одной из задач морфометрии в этом случае могло бы стать определение критериев разделения разновысотных гор. Заключение исследователя при отнесении рельефа к тому или иному классу кажется надежным лишь в том случае, если он приводит основания для выделения определенного числа классов и выбора границ между ними.
Нередко при проведении морфометрического исследования не удается подобрать общепринятый набор классов, тогда специалист назначает собственные классы, руководствуясь своим опытом и знанием конкретного района. Условность такой классификации тут же становится очевидной. С помощью морфометрических исследований для каждой территории число и границы классов можно установить, но тогда цель морфометрического анализа должна быть иной, например, - установить на изучаемой территории число морфологических классов рельефа и границы между ними.
