Содержание к диссертации
1. Информационно-методическая база исследования1.1. Понятийно-терминологический аппарат исследования
1.2. Изученность бассейна р. Кубани
1.3.Исходные данные исследования
1.4, Программное обеспечение
1.5.Геоипнформационные методы в практике морфометрического анализа
2. Моделирование структурных линий земной поверхности
2.1. Эрозионная сеть
2.2. Водоразделы и водосборы
2.3. Фрактальная размерность элементов эрозионной сети
3. Морфометрия рельефа бассейна р. Кубани
3.1. Гипсометрический анализ
3.2. Угол наклона поверхности * 3.3. Экспозрщия склонов
3.4. Горизонтальная и вертикальная расчлененность
3.5. Кривизна земной поверхности 99'
4. Морфометрия частных водосборов
4.1. Гипсометрия
4.2. Аналю характеристик морфологической структуры рельефа водосборов
4.2.1. Эрозионная сеть 122'
4.2.2. Кривизна земной поверхности
4.2.3. Дискретизация земной поверхности по данным о ее кривизне
4.2.4. Выделение морфологических элементов поверхности
4.2.5. Фрактальная размерность поверхности
5. Морфология микрорельефа
5.1. Исходные данные
5.2. Основные морфометрические показатели микрорельефа
5.3. Кривизна земной поверхности и выделение морфологических элементов в микромасштабе
Введение к работе
Обоснование и актуальность исследования. Многообразные морфометрические показатели рельефа имеют широкое применение в областях, где необходима количественная оценка свойств земной поверхности. Как в прикладных, так и в теоретических исследованиях, они остаются незаменимыми, когда определяется вклад рельефа в дифференциацию и организацию географического пространства. Именно физическая поверхность Земли в поле гравитационных и инсоляционных процессов способствует преобразованию межкомпонентных географических взаимодействий в определенн)^ю территориальную организацию. В проекциях разноуровневых структур рельефа земной поверхности прослеживается и полиструктурный рисунок ландшафт Уровень познания морфологических свойств земной поверхности и картографическая изучеищость рельефа бассейна р. Кубани, выступающего в качестве объекта исследования, явно недостаточны. Морфологическая структура рельефа, описание сочетаний его геометрических форм и элементов до сих пор оставались вне области региональных геоморфологических исследований. В геоморфологическом анализе не применялись приемы выделения его элеменгарных частей. До настоящего времени для исследуемого бассейна не были построены карты традиционно используемых картометрических и морфометрических характеристик рельефа (уклоны, экспозиции, структурные линии земной поверхности, интенсивность горизонтального и вертикального расчленения, кривизна поверхности и др.). Незнание морфологии земной поверхности, как следствие, делает невозможным количественное обоснование вклада рельефа в геополя и ландшафтную структуру региона.
Вместе с тем бассейн р. Кубани представляет особый интерес в силу известных своей уникальностью геоморфологических свойств. В качестве последних стоит упомянуть максимальную для России амплитуду высот (более 5,6 км) генетическое и морфологическое разнообразие рельефа речного бассейна.
Актуальность обусловлена рядом обстоятельств: в первую очередь, очеврщной недостаточностью морфологической изученности земной поверхности в бассейне р. Кубани; ее несоответствием современным географическим потребностям в знании морфологии топографической поверхности, и, в дополнение к этому, несоответствием существующих региональных геоморфологических данных качественно новому уровню информационного обеспечения и техники геоинформационного моделирования.
Объект исследования - рельеф земной поверхности в границах бассейна р. Кубани (58 тыс. км ),.что соответствует региональному масштабу пространственной оргаштзации территории. Рельеф земной поверхности, как известно, вообще служит основным объектом геоморфологии. Предметом исследования^ является морфологическая структура рельефа бассейна р. Кубани, под которой понимается некий порядок изменения состояний рельефа, определяемый сочетанием его элементов и присущих им геометрических форм. Анализ морфологической структуры обеспечивался процедурой «дискретизации» пространства рельефа путем выделения его элементарных частей. Само описание структуры способствует гфеодолению хаотического начала в модельных представлениях рельефа.
Цель диссертационного исследования - раскрытие разноуровневой морфологической стрз^ ктуры рельефа бассейна р. Кубани на основе технологий цифрового моделирования. Для достижения поставлеьшой цели потребовалось решить комплекс задач:
• создать цифровые модели рельефа (ЦМР) для изучения его морфологической структуры в бассейне р. Кубани на разных масштабных уровнях с условием соблюдения гидрологической корректности ЦМР;
• построить модель структурных линий исследуемой земной поверхности (тальвеги и водоразделы) как инвариантов пространственной организации геополей и геокомплексов, тем самым заложив предпосылки последующего анализа «горизонтальных» и «вертикальных» связей между компонентами речной системы;
• оценить параметры фрактальной размерности элементов эрозионной сети;
• построить модель эрозионной сети с порядком тальвегов, соответствующим пространственному разрешению ЦМР;
• выполнить автоматизированный расчет стандартных морфометрических показателей (гипсометрия, крутизна и экспозиция склонов, вертикальная и горизонтальная расчлененность) по данным ЦМР и картографировать эти показатели;
• по картам морфометрических переменных проанализировать морфологическую структуру рельефа на субрегиональном уровне - в масштабе частных водосборов - с использованием статистических приемов обработки данных;
• рассчитать и проанализировать пространствекиое распределение показателей кривизны земной поверхности с последующей дискретизацией поверхности - выделением структурных элементов в виде морфологически однообразных неделимых частей рельефа;
• установить континуальные и дискретные (в границах водосборов) параметры фрактальной размерности земной поверхности;
• по данным ЦМР высокого разрешения (1 м) рассчитать и картографировать морфометрические показатели микрорельефа экспериментального полигона с установлением их взаимосвязи с типами склоновых процессов;
• оценить анизотропию как показатель структуры микрорельефа по данным профильной и плановой кривизны поверхности.
Информационная база исследования. В качестве исходных материалов цифрового моделирования на региональном и субрегиональном уровнях настоящего исследования использованы данные спутниковой съемки SRTM (Shuttle Radar Topographic Mission), произведенной с борта американского челнока «Shuttle», а для микромасштабного уровня - материалы воздушного лазерного сканирования. Для исследуемой территории разрешение семиглобальной ЦМР SRTM равно 3 арксекунды или примерно 64x90 м соответственно по долготе и широте, что отвечает уровшо детализации региональных геоморфологических исследований. Данные для исследований морфологии земной поверхности в микромасштабе (микрорельеф) представляют собой обработанные материалы высокоточной лазерно-локационной съемки или лидарной альтиметрии (LidAR - Light Detection And Ranging), включающие собствеьшо ЦМР и ортотрансформированные аэрофотоснимки. Съемка на экспериментальном участке выполнена в ноябре 2006 г. и апреле 2007 г. ЗАО «НИПИ «ИнжГео» (Краснодар) при сотрудничестве с кафедрой геоинформатики КубГУ. Методологическая^ и^ теоретическая* основа исследования. Методологической базой для работы над диссертацией послужили труды представителей российской школы геоморфологии (А.Н. Ласточкин, Ю.Г. Симонов, А.И. Спиридонов, Д.А. Тимофеев, Г.Ф. Уфимцев, Н.А. Флоренсов, П.А. Шарый и др.), теории геоинформационного картографирования и цифрового моделирования (A.M. Берлянт, И.К. Лурье, B.C. Тикунов, А.В. Кошкарев, Б.А. Новаковский и др.). При выработке общеметодических подходов автор опирался на труды А.Г. Исаченко, Ю.Г. Пузаченко, Э.Г. Коломыца и других авторов, исследования которых оказали влияние на постановку задач и географическую интерпретацию полученных результатов. Концептуально исследование опиралось на «геометрический подход» в описании земной поверхности, что в англоязычной литературе известно как «geomoфhometry» (геоморфометрия), «quantitative morphology» (количествеьшая морфология), «quantitative terrain analysis» (количественный анализ рельефа).
В последние десятилетия анализ рельефа земной поверхности в «чистом виде», точнее, описание его геометрических свойств на основе моделей рельефа, превратились в самостоятельное направление российской (А.Н. Ласточкин, Д.А. Тимофеев, Г.Ф. Уфршцев, Ю.Г. Симонов, И.Н. Степанов, П.А. Шарый и др.) и зарубежной (R.E Horton, J. Krcho, Т.К. Peucker, D.H.
Douglas, L.W. Zevenbergen, С R. Thome, IS. Evans, R. Dikau, Li Z.L., I.D.
Moor, CM. Gold, D.G. Tarboton, R.J. Pike, W. Cadell и многие др.) геоморфологии. В связи с этим в геоморфометрии наблюдается тенденция адаптации методического аппарата морфометрического анализа применительно к цифровому моделированию с активным привлечением геоинформационных подходов, а в качестве первичных материалов - данных дистанционного зондирования Земли. Это относится и к зарубежным, и российским школам геоморфологии.
При цифровом моделировании рельефа - ключевого метода настоящего исследования - нами применялись группы операций, обслуживающих создание ЦМР и ее последующую реализацию для раскрытия морфологической структуры рельефа. Описание морфологической структуры проводилось посредством расчета и картографирования морфометрических переменных в среде ГИС. При этом использованы общие и специализироваьшые методы геоинформатики, направленные на решение задач морфометрического анализа, а также статистические методы, в том числе приемы геостатистики.
Основу программного обеспечения составили программные продукты ArcGIS 9 (ESRI Inc., США), SAGA (Германия), MicroDEM (США), при обработке данных лазерного сканирования применялось программное обеспечение MicroStation (Bentley Systems, США). Перечисленное ПО поддерживает алгоритмы разностороннего морфометрического анализа, что существенно сьшжает трудоемкость исследований. Преобразование технических форматов выполнялось в программе Global Mapper (США).
Научная новизна диссертации. В работе реализованы принципиально новые подходы регионального геоморфологического анализа, ориентированные на расчеты комплекса морфометрических переменных по данным ЦМР в среде ГИС. Методическая новизна заключается в разработке и применении алгоритмов автоматизированного расчета и картографирования морфометрических показателей и морфологических элементов. Все полз^енные результаты изучения разноуровневой морфологической структуры земной поверхности в бассейне р. Кубани являются новыми по сз'ществу. Среди них:
• создание ГИС, содержащей исходные данные, производные цифровые модели структурных линий и распределения морфометрических переменных, алгоритмы расчета, результаты статистической обработки множеств переменных в виде таблиц и диаграмм, а также другие сопутствующие материалы;
• гипсометрический анализ бассейна р, Кубани и частных водосборов;
• построение моделей стрзпктурных линий земной поверхности, карт морфометрических показателей (угол наклона поверхности, экспозиция склонов; горизонтальная и вертикальная расчлененность, кривизна земной по; верхности, фрактальная размерность и др.);
• расчет статистических показателей распределения, морфометрических переменных в бассейне р. Кубани и их интерпретация-в аспекте их влияния на поверхностные потоки; ' - сравнительный анализ морфологической структуры рельефа водосборов по данным модели эрозионной сети (разнопорядковые тальвеги), плановой и профильной кривизны, распределения элементарных форм поверхности и морфологических элементов, фрактальной размерности;
• обоснование и собственно дискретизация земной поверхности по данным о ее кривизне, выделение первичных морфологических элементов поверхности;
• описание морфологии микрорельефа экспериментального участка по' средством картографирования основных морфометрических переменных, оценка связи их статистик с местными склоновыми процессами; •, - расчет анизотропии микрорельефа.по характеру распределения кривизны поверхности и параметров ее автокорреляции;
• экспериментальные оценки влияния переменного пространственного разрешеьшя ЦМР на некоторые морфометрические показатели.
На защиту выдвигаются результаты описания морфологической структуры рельефа бассейна р. Кубани:
1. Модели структурных линий земной поверхности и их картометрические показатели.
2. Карты и количественная (статистическая) оценка комплекса морфометрических переменных (гипсометрия, крутизна и экспозиция склонов, горизонтальная и вертикальная расчлененность, плановая и профильная кривизна, фрактальная размерность) земной поверхности в масштабе бассейна.
3. Сравнительный анализ распределения морфометрических показателей в частных водосборах бассейна р. Кубани, включая расчеты фрактальной размерности поверхности.
4. Результаты дискретного моделирования земной поверхности - выделения морфологически однородных ингредиентов на основе первичных геометрических форм, карты и статистический анализ морфологических элементов земной поверхности в масштабе частных водосборов.
5. Оценка морфологии микрорельефа в виде карт основных морфометрических переменных, морфологических элементов как следствия дискретизации моделей их полей, расчетов анизотропии рельефа.
6. Пространственные закономерности морфологической структуры рельефа на разных пространственных уровнях в формализованных описаниях изменений состояний рельефа, сочетаний его элементарных частей и геометрических форм.
7. Геоинформационная система «Рельеф бассейна р. Кубани».
Практическое значение и апробация работы. Построенные карты и полученные статистические показатели морфометрических переменных в бассейне р. Кубани закладывают основу для количественного обоснования вклада морфологии земной поверхности в структуру геополей и дифференциацшо компонентов ландшафтной среды. Полученные сведения о морфологии поверхности частных водосборов способств)^от интерпретации гидрологических процессов, объяснению механизмов формирования поверхностного стока и создают предпосылки для дальнейшего многостороннего географического анализа бассейновой системы р. Кубани.
Геоинформационная система и комплект морфометрических карт ориентированы на теоретические и пршсгические региональные изыскания в широком спектре наук о Земле, включая геологию и тектонику.
Материалы и разработанные методические приемы цифрового моделирования используются в учебных курсах «геоинформатика» и «дистанционные методы зондирования Земли» на специальности «прикладная информатика в географии» КубГУ. Работа выполнена на основе личных исследований автора в 2005-2008 гг., а также данных, собранных в результате творческого сотрудничества с ЗАО «ИнжГеоГИС» и 0 0 0 «ИнжГео» (Краснодар). По материалам диссертации опубликовано 12 работ. Основнью положения и результаты диссертации докладывались на конференциях: XX и XXI Межреспубликанской научно-практической конференции «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий», Краснодар, 2007, 2008; П Международной студенческой конференции «НаЗД1НЫЙ потенциал студенчества - будущему России», Ставрополь, 2008; XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», Москва, 2008; научных семинарах и заседаниях кафедры геоинформатики и кафедры геологии и геоморфологии КубГУ, Объем и структура работы. Диссертация объемом 219 страниц состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 158 наименований, в том числе 82 иностранньис источников. Содержит 68 иллюстраций и 41 таблицу.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю заведующему кафедрой геоинформатшси КубГУ Анатолию Валерьевичу Погорелову, оказавшему неоценимую помощь в работе, сотрудникам кафедры геоинформатики Е.Г. Ловцову, Е.Н. Киселеву, Е.В. Куркиной, Е.С. Бойко, СП. Лозовому, И.Г. Ризаеву, А.Н. Пелиной за плодотворное обсуждение, поддержку и постоянное внимание на всех этапах исследования, заведующему кафедрой геологии и геоморфологии КубГУ Ю.В. Ефремову за ценные замечания. Отдельная благодарность сотрудникам ЗАО «НИПИ «ИнжГео» и ООО «ИнжГеоГИС» (Краснодар) за предоставленные материалы и помощь в проведении изысканий.
