Содержание к диссертации
Введение 5
1.Подходы к морфометрическому анализу рельефа 12
Основные этапы развития морфометрии как области знаний 12
Цели и задачи морфометрического анализа 14
Этапы морфометрического анализа 16
1.3.1 Предварительная оценка существующей картографической
информации 16
1.3.2 Сбор и картографическая фиксация первичной информации 17
1.4 Представление рельефа в ЭВМ 19
Векторная модель данных 20
Растровая модель данных 21
Методики построения цифровых моделей рельефа 24
1.5 Морфометрические характеристики рельефа 29
2. Создание цифровой модели рельефа для целей морфометрического
анализа 38
2.1 Построение предварительной модели 38
2.2 Построение цифровых моделей рельефа при помощи кубических
парабол 41
Методика отбора данных для локальной модели 43
Создание гидрологически корректной цифровой модели рельефа 46
2.5. Построение цифровой модели рельефа Республики Татарстан 47
2.6 Сравнительный статистический анализ различных методик построения
цифровых моделей рельефа 50
2.7 Качество модели рельефа и масштаб исследований 58
З.Морфометрический анализ рельефа Республики Татарстан 70
Абсолютная высота 74
Крутизна 77
Экспозиция 80
Плановая кривизна 83
Профильная кривизна 86
Длина линий тока 89
4. Географический анализ морфометрических характеристик рельефа
Республики Татарстан 92
4.1. Глубоко расчлененная денудационная ступенчатая равнина ярусных
плато 94
Умеренно-расчлененная денудационная равнина нижнего плато 103
Слабо расчлененная низкая полигенетическая равнина 117
4.4. Очень слабо расчлененная аккумулятивная террасовая равнина
левобережий крупных рек-Волги, Камы и Вятки 126
5. Районирование рельефа на основе его морфометрических показателей с
использованием ГИС - технологий 137
5.1 Использование самоорганизующихся отображений Кохонена для
автоматизированного районирования территории 138
Методика построения самоорганизующихся отображений 140
Автоматизированное районирование рельефа Республики Татарстан ...143 5.4 Обсуждение результатов районирования 151
6. Использование результатов морфометрического анализа для решения
геоэкологических задач (на примере эрозионных потерь почвы) 160
Значение рельефа для поверхностного смыва 160
История вопроса оценки потенциального смыва почв 161
6.3 Методика расчета потенциальных потерь почвы от стока дождевых
вод 167
Методика расчета потенциального смыва почв от стока талых вод 171
Построение и анализ карт потенциального смыва почв 172
Расчет потенциального годового смыва 189
Допустимые потери почвы 193
Заключение 200
Список использованной литературы 202
Приложения 215
Введение к работе
Актуальность темы. Рельеф является одним из главных условий, обуславливающих развитие различных природных процессов на поверхности Земли. Он во многом перераспределяет приходящую солнечную радиацию, определяет особенности формирования поверхностного стока и всего спектра склоновых процессов, обуславливая тем самым, ландшафтную дифференциацию даже на локальных территориях.
Анализ вклада рельефа в функционирование геосистем требует его количественной характеристики. В этом аспекте, одним из самых эффективных методов является морфометрический анализ. Именно он широко используется в геоморфологии и предназначен для количественного подтверждения изменения сущности изучаемых объектов через их форму. Однако, сфера морфометрического анализа не ограничивается только геоморфологией, его применение гораздо шире, в частности, он применяется для решения самых различных геоэкологических задач.
Рельеф наилучшим образом может быть охарактеризован морфометрическими показателями, зафиксированными, на соответствующих картах. Однако, получение количественной информации о рельефе и построение тематических морфометрических карт традиционными «ручными» методами на большие территории сопряжено с высокой трудоемкостью. Интенсивное развитие геоинформационных технологий позволяет существенно упростить получение массового количественного материала по рельефу. Поэтому, в настоящее время, широко используют электронное представление рельефа, который в контексте географических информационных систем (ГИС) представлен цифровыми моделями рельефа (ЦМР). Кажущаяся легкость получения огромных числовых потоков информации, касающейся рельефа, при использовании ГИС-технологий, упирается в решение ключевой задачи - обеспечение качества и адекватности построенных моделей.
Во многих наиболее известных на сегодняшний день ГИС реализованы методики построения ЦМР, но все они имеют определенные ограничения и ошибки. В связи с этим принципиальной задачей является разработка методик, позволяющих построить модель с минимальными ошибками. В этом случае можно и ЦМР, и карты производных морфометрических показателей получить с минимальными ошибками.
В региональном плане актуальность работы определяется тем, что до настоящего времени для территории Республики Татарстан (РТ) отсутствуют материалы по количественным характеристикам рельефа и его анализу. Между тем эти исследования крайне необходимы для оценки роли рельефа в развитие неблагоприятных экзогенных процессов, активно развивающихся, в том числе и на территории РТ (почвенная и овражная эрозия, оползневые и др. процессы).
Целью диссертационной работы является:
Анализ морфометрических характеристик и районирование рельефа Республики Татарстан с использованием ГИС - технологий, в аспекте решения геоэкологических задач. В ходе работы нами решались следующие задачи:
разработка новой, более точной методики построения цифровой модели рельефа;
сравнение точности методик построения цифровых моделей рельефа (в т. ч. с вновь разработанной методикой);
комплексный морфометрический анализ рельефа РТ средствами ГИС-технологий;
разработка методики автоматизированного районирования рельефа с использованием алгоритма самоорганизующихся отображений Кохонена и районирование рельефа территории РТ на основе данной методики;
определение потенциальных потерь почвы РТ от природно-антропогенной эрозии средствами ГИС-технологий.
7 Исходные материалы. В качестве исходной информации для получения ЦМР использована имеющаяся на экологическом факультете Казанского госуниверситета (КГУ) электронная векторная топографическая карта РТ масштаба 1:200000, разработанная предприятием РосГИСцентр Федерального агентства геодезии и картографии России (Роскартография). Для реализации остальных задач привлекалась специализированная эколого-геоинформационная система, разработанная О.П. Ермолаевым, А.А. Савельевым, С.С. Мухарамовой, где в качестве операционно-территориальных единиц (ОТЕ) использовались элементарные речные бассейны с геопространствешюй базой данных. Данная система использует первичные данные, привязанные к бассейнам, имеющиеся на кафедрах физической географии и ландшафтой экологии КГУ. Из данной системы была задействована следующая информация: густота овражного, балочного, речного расчленения, показатель интенсивности проявления бассейновой эрозии, наконец, глубина эрозионного расчленения. Кроме того, были использованы: электронная векторная ландшафтная карта РТ масштаба 1:200000, составленная на кафедре ландшафтной экологии КГУ под руководством профессора О.П. Ермолаева; карта почвенного покрова, разработанная ВолгоНИИГипрозем; карта типов четвертичных отложений масштаба 1:500000 (А.В Артемов, И.В Артемов) и карта модуля стока взвешенных наносов (А.П. Дедков, В.И. Мозжерин). При расчете потенциальных потерь почвы были привлечены материалы С.Ф.Батыршиной (2005) о запасах воды в снеге за период 1961-2001 гг.
При выполнении работы использовались различные методы исследования -картографический, сравнительно-географический, статистического и кластерного анализа. Были использованы программные комплексы(ПК): «Surfer»; «Mapinfo»; «ArcGis»; «Magsurf»; «Statgrafics»; «Statistica»; «Excel»; «Word».
8 Научная новизна работы.
Разработана новая методика построения ЦМР, которая использует в качестве аппроксимирующей функции кубическую параболу и осуществляет моделирование рельефа вдоль линий тока.
Произведена оценка точности построения ЦМР с использованием различных методик. Предложенная методика не уступает по точности моделирования рельефа известным разработкам, а по некоторым показателям превосходит их.
На основе предложенной методики была построена ЦМР регионального уровня генерализации.
Впервые проведен морфометрический анализ рельефа всей территории РТ средствами ГИС-технологий с использованием следующих показателей: абсолютной высоты, угла наклона, экспозиции, плановой и профильной кривизны, длины линий тока. Все эти показатели рассчитаны в узлах регулярной сети. Построен комплект электронных тематических морфометрических карт.
Впервые на основе самоорганизующихся отображений Кохонена разработана методика автоматизированного типологического районирования рельефа, использующая в качестве классификационных признаков морфометрические показатели. С использованием данной методики проведено районирование рельефа РТ.
Впервые для территории РТ проведена оценка потенциальных эрозионных потерь почвы на региональном уровне генерализации, построены тематические электронные карты, характеризующие пространственные закономерности эрозии почв.
Практическая значимость работы. Результаты, полученные в данной работе, могут быть применены в различных областях географии, для решения многочисленных геоэкологических задач, при расчете потенциальных потерь почвы, определении устойчивости склонов к
9 проявлению экзогенных процессов (ЭГП), в расчетах по определению прихода солнечной радиации на различные участки склонов, а также при ландшафтном районировании и планировании, наконец, в оценке экологического риска. Разработанная методика может быть использована при построении ЦМР любого масштаба.
Полученная методика может быть также применена для построения цифровых моделей сейсмических и структурных поверхностей земной коры.
Результаты исследований внедрены при выполнении пяти проектов по
оценке воздействия на окружающую среду при составлении
технологических схем разработки нефтяных месторождений РТ (Первомайское, Бондюжское, Кадыровское, Комаровское, Ново-Суксинское месторождения). Результаты исследований внедрены также при издании монографии «Экология города Казани» (раздел «Рельеф и ландшафтная структура города Казани»).
Настоящая работа выполнялась в соответствии с НИР кафедры ландшафтной экологии Казанского госуниверситета «Ландшафтно-экологический анализ геопространства» номер государственной регистрации
- 01.200.120120. Начиная с 2004 г. исследования продолжаются в рамках
проекта Российского Фонда Фундаментальных исследований № 04-05-64897а
- «Изучение роли ландшафтов в развитии природно-антропогенной эрозии с
использованием современных математических методов (на примере
Среднего Поволжья)».
Основные положении, выносимые на защиту:
Применение в процессе создания ЦМР кубической параболы в качестве аппроксимирующей функции и осуществление моделирования вдоль линий тока позволяет уменьшить ошибки при построении ЦМР.
Результаты морфометрического анализа рельефа с использованием ГИС-технологий свидетельствуют о том, что на территории РТ существует зависимость между генетико-возрастными характеристиками рельефа и его морфометрическими параметрами. Последнее выражается в
10 существенном изменении количественных характеристик рельефа при переходе от глубоко расчлененной денудационной ступенчатой равнины ярусных плато к очень слабо расчлененной аккумулятивной террасовой равнине левобережий крупных рек (Волга, Кама, Вятка).
Применение алгоритма самоорганизующихся отображений Кохонена и набора морфометрических параметров (высоты, угла наклона, экспозиции, профильной и плановой кривизны, длины линий тока), рассчитанных на основе ЦМР масштаба 1:200000 (на примере РТ), позволяет осуществить автоматизированное типологическое районирование рельефа. Результаты районирования могут стать базой для ландшафтного картографирования территории в ранге урочищ.
Определение потенциальных, допустимых, а также безвозвратных потерь почв, представленных в виде электронных карт, может лечь в основу проектирования противоэрозионных мер для территории РТ.
Апробации работы. Основные результаты работы докладывались на: 3-х Итоговых научных конференциях Казанского государственного университета (2003-2005 гг.); 17-ом Межвузовском совещании по проблемам эрозии почв русловых и устьевых процессов (Краснодар 2002 г.); межвузовской научной конференции «Проблемы природопользования в районах со сложной экологической ситуацией» (Тюмень 2003 г.); международной научной конференции «Intercarto-9» (Новороссийск, Севастополь 2003 г.); Всероссийской научной конференции, посвященной 200-летию Казанского университета «Современные глобальные и региональные изменения геосистем» (Казань 2004 г.); VI республиканской научной конференции «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан»; Всероссийской научной конференции «Современные аспекты экологии и экологического образования» (Казань, 2005 г.); XII съезде РГО (Санкт-Петербург 2005 г.).
Публикации. Основные результаты работы изложены в 11 статьях и тезисах, общим объемом около 33 страниц. Работы опубликованы, либо приняты к печати в федеральных академических и региональных журналах, в межвузовских и международных сборниках трудов конференций. Структура и объем работы. Общий объем диссертации 214 страниц текста. Она состоит из: введения, шести глав и заключения. Включает в себя 98 рисунков, 19 таблиц, список литературы, состоящий из 147 наименований а также 12 приложений.
Благодарности. Считаю своим приятным долгом выразить благодарность за помощь, оказанную мне на различных этапах работы, научным руководителям проф. д.г.н. О. П. Ермолаеву, доценту, д.б.н. А. А. Савельеву, а также ст. преподавателю С. С. Мухарамовой. Кроме того, благодарю сотрудников кафедры ландшафтной экологии Казанского госуниверситета за помощь и поддержку в проводимых исследованиях.
І.Подходьі к морфометрическому анализу рельефа
1.1 Основные этапы развития морфометрии как области знаний
Морфометрия — научное направление в геоморфологии, исследует
количественные (геометрические) свойства рельефа земной поверхности с целью их выявления и описания. Своими методами она способствует изучению происхождения и истории развития рельефа, создает собственные принадлежащие науке морфологические основания, необходимые для познания основных закономерностей формирования и развития рельефа земной поверхности (Берлянт, 1986). Одним из главных методов данной области знания является морфометрический анализ. Последний - один из методов геоморфологических исследований, в котором количественные характеристики форм рельефа изучаются при помощи специальных измерений. Набор количественных характеристик может быть очень разным в зависимости от цели морфометрического анализа и применяемых оперативных территориальных единиц. Полученные данные обрабатываются по определенной программе, после чего вычисляется ряд морфометрических показателей и коэффициентов, описывающих рельеф изучаемой территории (Симонов, 1998).
В истории морфометрического анализа выделяют три основных этапа, каждый из которых представлен соответствующим кругом исследователей. По мнению А. Болига (1959) и И. С. Щукина (1960), к первому этапу можно отнести все те работы, которые были связаны с разработкой методов измерения высот, длин, площадей сложных элементов рельефа земной поверхности. Надо отметить, что это было связано с изобретением различного рода приборов. Как результат первого этапа, была заложена основа морфометрического анализа, а именно, были созданы топографические описания земной поверхности. Последнее делалось
13 прямыми натурными съемками. Были разработаны новые методы отображения рельефа земной поверхности (например метод изолиний ).
Второй этап развития морфометрии ознаменован первыми опытами геоморфологического осмысления количественных описаний рельефа. Среди первых работ в рамках второго этапа можно назвать орометрические исследования в Андах, которые в конце 18-го столетия проводил там А. Гумбольдт. Особенностью морфометрических исследований того времени, является проведение аналогии между естественными формами рельефа и простыми геометрическими фигурами. На этом же этапе создаются первые морфометрические карты и первые коэффициенты. Так, например, в 1826 г. Карл Риттер ввел понятие компактности континентов, отношение периметра к площади. Одна из первых попыток описать форму рельеф одним числом. Исследователей, предлагавших различные коэффициенты для описания формы рельефа одним числом, довольно много. Так, Карл Корицка в 1854 предлагает году новый метод определения средней высоты территории. А. Пенк строил гипсографические кривые для отдельных территорий (Чичагов, Девдариани, 1963). В середине XIX в. для развития морфометрии много сделал А. Пенк («Морфология земной поверхности»). Несмотря на все достижения второго этапа развития этой науки, интерес к ее идеям несколько угас в первой половине XX в.
Третий этап стал этапом возрождения и стремительного развития морфометрии, однако полные права гражданства она получила лишь к концу XX столетия. Для него характерно: увеличение объема морфометрических исследований; сближение морфометрического анализа с картографией; на базе морфометрического анализа появились математические модели рельефа - в результате в геоморфологии выделилось математическое направление; в морфометрию внедрился системно-структурный подход к изучению рельефа; развитие картографо-математического моделирования способствовало созданию новой идеологии для развития морфометрических работ и открыло
14 широкий путь к внедрению современных вычислительных средств сбора, обработки и преобразования морфометрических данных (Симонов, 1999).
Из работ отечественных ученых третьего этапа развития морфометрических идей в первую очередь следует отметить 10. К. Ефремова (1949) и А. И. Спиридонова (1970) с идеей «геометризации» естественного рельефа. Следующая крупная идея, содержится в работе А. С. Девдариани (1950), где предложено характеризовать не только сам рельеф, но и его развитие.
На третьем этапе развития морфометрии одной из самых важных идей является представление рельефа как поля высот (Бахтин, 1931; Соболевский, 1932). С точки зрения теории поля высота - это функция двух переменных, координат местности. Запись рельефа в виде уравнения открывает новые возможности в изучении его свойств, обусловленные самой функцией высоты и ее производными. Так, например, В. П. Философов (1960, 1975), открыл возможность анализа топографических карт на основе ранжирования рельефа с последующим их графическим преобразованием. На третьем этапе возникли некоторые методологические вопросы. Встала необходимость жесткого определения понятия «форма рельефа» с точки зрения измерения ее свойств. Вопрос рассматривается в работах Ю.С. Фролова (1974) и Ю. Г. Симонова (1982). Однако, на наш взгляд, форма рельефа может быть однозначно описана лишь с точки зрения теории поля, как совокупность значений функции высоты и ее производных в точке.
1.2 Цели и задачи морфометрического анализа
Любая из наук на разных этапах своего развития выбирала одну из пяти
глобальных целей. Расположим их в ряд по возрастанию сложности: 1) описание объекта; 2) объяснение его свойств; 3) прогнозирование поведения; 4) управление поведением; 5) создание объекта с заданными свойствами (Геодакян, 1970).
Морфометрия на данный момент может ставить перед собой первые три цели, в соответствие с целями формируются классы задач: класс задач описания рельефа; класс задач по объяснению рельефа; класс задач по прогнозированию развития рельефа (Симонов, 1999).
В выполненной нами работе проводится морфометрический анализ рельефа с целью его описания. Кроме того, мы показываем возможность практического использования полученных данных для решения геоэкологических задач. Например, для расчета эрозионных потерь почвы от талого и дождевого стока, а также для районирования территории по совокупности морфометрических характеристик.
Морфометрические работы при описании рельефа проводятся лишь в двух случаях: если они ранее для этих целей не проводились; если данные предшествующих измерений почему-либо вызывают сомнения, и стала очевидной необходимость уточнения или проверки ранее полученных данных (Симонов, 1998).
Морфометрические исследования на территории РТ, ранее, безусловно, проводились, однако, эти исследования базировались на такой оперативно-территориальной единице (ОТЕ), как бассейны 2-3 порядка и применялась соответствующая система показателей, присущая такому подходу.
Для класса задач описания рельефа свойственны следующие типы работ, которые делятся на две большие группы: работы по качественному описанию рельефа, и работы по количественному описанию рельефа. К работам второй группы относятся, в первую очередь, снятие высот с топографической карты, вычисление всевозможных показателей, составление графиков таблиц и т. п. (Леонтьев, Рычагов, 1979).
При большом объеме первичной информации целесообразно построение морфометрических карт, и, прежде всего, карт, где рельеф представлен как поле высот. В нашей работе акцент делается именно на таком подходе.
16 Морфометрические приемы способны решать широкий спектр задач географии. Это может быть:
количественная оценка морфологических характеристик и
выявление морфологических особенностей рельефа в целом, без
