Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. МИКРОРЕЛЬЕФ И СНЕЖНЫЙ ПОКРОВ: ПРОБЛЕМА И
СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ 12
-
Масштабный ряд исследования 13
-
Опыт наземных исследований микромасштабной структуры поля снежного покрова 15
-
О применении воздушного лазерного сканирования 23
2. РАЙОН ИССЛЕДОВАНИЙ. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 28
-
Район исследований 28
-
Морфометрические основы исследования 35
-
Воздушное лазерное сканирование и моделирование земной поверхности 37
-
О моделировании рельефа и рельефоидов 49
3. МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ 54
-
Типизация склонов экспериментальных полигонов 55
-
Морфологические свойства рельефа полигонов 60
-
Фиштинский полигон 60
-
Аибгинский полигон 75
3.3. Выделение элементарных форм и морфологически однородных
элементов 85
-
Выделение элементарных форм микрорельефа 86
-
Выделение морфологических элементов 92
4. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ПОЛЯ ТОЛЩИНЫ СНЕЖНОГО
ПОКРОВА 100
-
Дистанционные методы и принципы моделирования поля толщины снежного покрова на микромасштабном уровне 102
-
Результаты моделирования и анализа поля толщины снежного покрова на микромасштабном уровне 107
-
Фиштинский полигон 107
-
Аибгинский полигон 115
4.3. Факторы распределения снежного покрова 131
-
Высота местности 131
-
Крутизна склонов 134
-
Экспозиция склонов 146
4.3.4. Растительный покров 152
5. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МОРФОЛОГИИ МИКРОРЕЛЬЕФА И
ПОВЕРХНОСТИ СНЕЖНОГО ПОКРОВА 169
-
Фиштинский полигон 170
-
Аибгинский полигон 184
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 193
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 196
Введение к работе
Актуальность. Освоение горных территорий, нацеленное на развитие зимней рекреации и спорта, предполагает адекватный уровень знаний о морфологических свойствах земной поверхности (рельефе) и снежного покрова, которые одновременно являются наиболее привлекательными и главными предпосылками рекреации.
В горной части Краснодарского края в последние годы наблюдается настоящий строительный бум, вызванный высоким интересом к развитию зимних видов спорта и активного отдыха. Особенно активно ведется строительство на южном склоне Большого Кавказа — в бассейне р. Мзымты, где наряду с возведением крупных гостиничных комплексов, автомобильных стоянок и пр., прокладываются горнолыжные, биатлонные и санно-бобслейные трассы, канатно-кресельные и фуникулерные дороги. Ведется масштабная подготовка к проведению зимних Олимпийских игр 2014 г. Менее масштабное освоение потенциала зимней рекреации происходит и на северном склоне - в бассейнах рек Пшехи и Белой.
Рельеф не только определяет инженерно-технические и проектные решения при строительстве многочисленных объектов, диктует местоположение лыжных трасс и коммуникаций, но, что наиболее существенно для направленности настоящей работы, влияет на распределение снежного покрова. С позиции зимней рекреации наибольший интерес представляет оценка структуры поля снежного покрова именно на локальных уровнях формирования — на реальных горных склонах. Морфологические свойства земной поверхности в масштабе мезо- и микрорельефа (т.е. в масштабе горнолыжных склонов) среди факторов изменчивости поля снежного покрова до сих пор остаются наименее изученными. Геоморфологические факторы формирования локальной структуры поля сезонного снежного покрова зачастую рассматриваются гипотетически, поскольку экспериментальные данные отсут- ствуют, либо исчерпываются ограниченными наблюдениями на наземных маршрутах. То же самое следует сказать и о снежном покрове.
Существует технический аспект актуальности данного исследования. Современные технологии лазерного сканирования и методы ГИС-моделирования позволяют изучать поле снежного покрова и микрорельеф не только с высокой пространственной детализацией, но и на качественно новом уровне анализа. Технология воздушного лазерного сканирования имеет мощный потенциал геоморфологических и гляциологических исследований, однако в этих научных областях в России до сих она остается мало востребованной.
Объект исследования - горный микрорельеф экспериментальных полигонов в бассейнах рек Пшеха и Мзымта (Западный Кавказ), выступающий фактором формирования поля сезонного снежного покрова. Предмет исследования - морфологические свойства поверхности «голой земли» и снежного покрова в микромасштабе.
Цель исследования - оценка влияния микрорельефа на формирование поля сезонного снежного покрова путем сопряженного морфометрического анализа свойств указанных поверхностей.
Для достижения цели решались следующие основные задачи:
Разработать оптимальную методику построения цифровых моделей земной поверхности, поверхности снежного покрова и поля толщины снежного покрова, основанную на технологии воздушного лазерного сканирования и ГИС-моделирования.
Создать высокоточные (заданное разрешение 1 м) цифровые модели «голой земли», растительности и снежного покрова районов экспериментальных полигонов.
Описать морфологические свойства земной поверхности экспериментальных полигонов путем построения комплекта карт морфометрических показателей, расчета статистических характеристик и их предметной интерпретации.
Проанализировать пространственную структуру поля толщины снежного покрова на экспериментальных полигонах с оценкой факторов высоты местности, крутизны и экспозиции склонов, растительного покрова.
Выполнить сопряженный анализ морфологии микрорельефа и поверхности снежного покрова, использовав показатели кривизны сравниваемых поверхностей и анизотропии.
В качестве исходных материалов использованы данные воздушного лазерного сканирования экспериментальных полигонов в районах массива Пшехасу и хребта Аибга. При выборе полигонов учитывались их геоморфологическая и ландшафтная репрезентативность и разнообразие, близость к территориям рекреационного освоения, наличие данных наземных наблюдений. Лидарные съемки выполнены 22 апреля и 19 октября 2007 г. ЗАО «НИ-ПИ «ИнжГео» (Краснодар) с непосредственным участием кафедры геоинформатики КубГУ. Материалы съемок, используемые в данной работе, включают 54 цифровых аэрофотоснимка с разрешением 0,2 м и более 127 миллионов точек лазерного отражения.
Теоретической основой морфометрической части работы послужили труды отечественных (А.Н. Ласточкин, Ю.Г. Симонов, И.Н. Степанов, Д.А. Тимофеев, Г.Ф. Уфимцев, П.А. Шарый и др.) и зарубежных (R.E Horton, J. Krcho, RJ. Pike, I.S. Evans, R. Dikau, R.A. MacMillan, Li Z.L., I.D. Moor, CM. Gold, D.G. Tarboton, J. Wood, T. Hengl, P. Gessler, V. Olaya и многие др.) геоморфологов. Автор опирался на «геометрический подход» в описании рельефа. При моделировании и анализе поля толщины снежного покрова по данным лидарной съемки особое значение имел зарубежный опыт подобных исследований (С. Hopkinson, М. Sitar, L. Chasmer, J.S. Deems, S.R. Fassnacht, K.J. Elder, Т.Н. Painter).
Методика исследования включала полевые (воздушное лазерное сканирование и наземные обследования полигонов) и комплекс камеральных методов. При описании морфологических свойств поверхностей использован морфометрический метод. В процессе обработки и обобщения данных широ- ко применялись методы ГИС-картографирования, ЗО-моделирования, геостатистики, а также статистический и корреляционный приемы анализа.
Основу программного обеспечения составили пакеты TerraScan, TerraModel, TerraPhoto (TerraSolid, Финляндия) на платформе MicroStation V8 (Bentley Systems, США), - использованные для обработки данных лазерного сканирования. Построение моделей, обработка и анализ данных выполнялись в пакетах ArcGIS 9 (ESRI Inc., США), SAGA (Германия), MicroDEM (США). Перечисленное ПО поддерживает алгоритмы разностороннего мор-фометрического анализа.
Научная новизна. В диссертации реализованы оригинальные подходы к исследованию горного микрорельефа, сфокусированные на расчете и картографировании морфометрических показателей в среде ГИС. Концептуально новой является методика сопряженного анализа микрорельефа и поля толщины снежного покрова (как рельефоида). Впервые в России по материалам воздушного лазерного сканирования проведено детальное исследование структуры поля снежного покрова на горных склонах, дана оценка геоморфологических факторов его распределения. Все методические и содержательные результаты являются по существу новыми: по данным экспериментальных полигонов реализована методика анализа морфологической структуры микрорельефа, предусматривающая построение высокоточных моделей территории, расчет и картографирование комплекса морфометрических показателей; построен комплект карт, отражающих морфологическую структуру микрорельефа характерных горных склонов, поле толщины снежного покрова, корреляцию переменных микрорельефа и толщины слоя снега; установлено, что разным про происхождению типам горных склонов на микроуровне присущи неодинаковые свойства морфометрических переменных (горизонтальная расчлененность, плановая и профильная кривиз- на и др.), выраженные в статистических показателях и кривых распределения; получены сведения о распределении элементарных форм земной поверхности, идентифицируемых по критерию ее кривизны, а также исходных морфологических элементов горных склонов; раскрыта микромасштабная структура поля толщины снежного покрова в связи с территориальной изменчивостью морфометрических переменных рельефа и высоты растительного покрова; на основе показателей кривизны поверхности и анизотропии выполнен сравнительный анализ морфологии микрорельефа («голой земли») и поверхности снежного покрова, установлен дифференцированный характер изменений статистических характеристик морфологии поверхности снежного покрова.
Защищаемые положения:
Технология воздушного лазерного сканирования является эффективным средством для моделирования и последующего анализа морфологических свойств микро- и нанорельефа, а также рельефоидов (снежный покров, растительность). Высокоточные цифровые модели рельефа (поверхностей) позволяют перейти на качественно новый уровень их морфологического анализа.
Генетическая неоднородность горных склонов (или микрорельефа) закономерно проявляется в статистических оценках измеряемых морфометрических переменных: горизонтальной расчлененности, профильной и плановой кривизны земной поверхности, анизотропии.
Результаты моделирования и статистического анализа распределения снежного покрова при его высоких пространственных флуктуациях доказывают существование принципиально разных механизмов формирования поля толщины снежного покрова и морфологии его поверхности в лесной и альпийской зонах.
Пространственные изменения морфометрических показателей рельефа и высоты растительности неоднозначно влияют на поле толщины снежного покрова. Наблюдается как обратная, так и прямая корреляция крутизны склонов и толщины снежного покрова.
Морфологическая роль сезонного снежного покрова (как рельефоида) заключается в нивелировании микронеровностей земной поверхности, имеющих вертикальные размеры, сопоставимые с толщиной слоя снега. При достижении некоторой критической толщины поле снежного покрова переходит на другой масштабный уровень структурирования.
Морфология поверхности снежного покрова отличается определенной независимостью от морфологических свойств субстрата (рельефа). Показатели анизотропии толщины снежного покрова практически всегда выше анизотропии микрорельефа.
Практическая значимость. Данная работа наглядно демонстрирует возможности применения данных воздушного лазерного сканирования (ВЛС) в геоморфологических исследованиях на уровне микрорельефа в горных ус-ловиях для участков местности площадью несколько км . Предложенный метод оперативной съемки толщины снежного покрова в горах на основе воздушного лазерного сканирования может быть успешно использован для оперативной оценки распределения толщины снежного покрова на горных склонах с геодезической точностью, в том числе на опасных и труднодоступных участках.
Сведения о толщине снежного покрова являются одним из значимых факторов оперативного снеголавинного обеспечения районов горнолыжного катания и мест зимней рекреации. На основе изложенной методики возможна организация зимнего мониторинга за снежным покровом в горах, что значительно повысит достоверность прогнозов лавинной опасности для отдельных освоенных территорий.
Полученные результаты анализа континуального поля толщины снежного покрова и его взаимосвязей с микро- и мезорельефом могут быть ис- пользованы для оценки репрезентативности существующих пунктов наземных снегомерных измерений и планирования развития сети наземных наблюдений за снежным покровом. Подробные сведения о толщине снежного покрова могут быть успешно использованы при определении объема снего-запасов в гидрологических расчетах и совершенствовании методов моделирования речного стока (Бойко, 2006а; Бойко, Салпагаров, 2006).
Результаты аэросъемок и разработанные методические приемы обработки данных и цифрового моделирования используются в учебных курсах «геоинформатика», «геоинформационное картографирование» и «дистанционные методы зондирования Земли» на специальности «прикладная информатика в географии» КубГУ.
Апробация работы и публикации. Работа выполнена на основе личных исследований автора в 2004-2009 гг., а также данных, полученных в процессе творческого сотрудничества с ЗАО «НИПИ «ИнжГео» (Краснодар).
Основные положения и выводы диссертации докладывались на: VI и VII международной конференции «Лазерное сканирование и цифровая аэрофотосъемка. Сегодня и завтра», Москва, 2006, 2007; XX межреспубликанской научно-практической конференции «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий», Краснодар, 2007; I и II международной конференции «Дистанционное зондирование Земли и геоинформационные системы», Алматы, 2007, 2008; XIV Гляциологическом симпозиуме «Гляциология от Международного геофизического года до Международного полярного года», Иркутск, 2008; международной конференции ИнтерКарто/ИнтерГИС 15 «Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт», Пермь, Гент, 2009; научно-практической конференции «Вопросы гидрометеорологических инструментальных наблюдений в горах Северного Кавказа: состояние и перспективы», Терскол, 2009.
По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том числе две в изданиях, включённых в перечень ВАК.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой геоинформатики КубГУ Анатолию Валерьевичу По-горелову за поддержку и помощь в написании работы.
Автор глубоко признателен Оресту Владимировичу Кашарабе и всему возглавляемому им коллективу за возможность использования в научных целях оборудования (системы воздушного картографирования ALTM-3100), проведение аэросъемок и предоставленные материалы.
