Введение к работе
Актуальность. Повышение требований к наукам о Земле в связи с эко-огизацией общества и дальнейшим развитием научно-технической базы гео-нформатики обязывает ввести в процедуры почвенного картографирования олее строгие правила проведения границ контуров. Для создания новых, олее прогрессивных и формализованных технологий построения контуров еобходим анализ прежних достижений почвоведения. Именно с этих пози-ий рассматривается в диссертации контурность карт. Контурность взята на-и за предмет исследования, потому что: 1) позволяет объективно и наглядно тображать на карте не получившие в науке и практике должного освещения вязи пространственной дифференциации почв, горных пород, растительности ландшафтов с рельефом местности; 2) проблема контурности в почвенной артографии практически не изучена. Недавняя смена социально-экономиче-той и политической обстановки в России ориентировала запросы практики а кадастровую оценку земель мелких хозяйств. Наличие ГИС-технологий озволяет всю картографическую информацию о почвах хозяйств сосредоточь в компьютерной сети. Для этого нужны новые, более экономичные и ормализованные картосоставительские методы. И здесь на первый план вы-эдит проблема контурности. Поэтому в диссертации решается актуальная за-зяа геоинформатики - теоретическое обоснование двуплановости новых эчвенных карт, построенных на высокоинформативных изолиниях кривизны.
Цель работы обоснована актуальностью, вытекает из необходимости іучшения качества картографирования и заключается в решении крупной на-шо-технической проблемы современности - создании высокоинформатив-ах формализованных почвенных карт принципиально нового типа, отве-аощих требованиям компьютерных технологий. Разработка таких карт, на-анных потоковыми, активно ведется диссертантом в Лаборатории картограми почв Института фундаментальных проблем биологии РАН (Пущино). По-ому теоретическое обоснование и внедрение в практику двуплановой пото-івой контурности стало основной целью данной работы.
Использование метода вторых производных (пластики рельефа) для изо-іажения потоковых структур земной поверхности в виде двух планов: перед-то и заднего, выделения фигур (потоков) и искривленного фона отличает >вые карты от традиционных однопланових плоских карт. Разделение рель-т и облекающего его почвенного покрова на фигуры и фон выполнено пу-м геометрического преобразования горизонталей топографических карт в олинии кривизны. Поэтому целью диссертации стало обоснование перехода
горизонталей топокарт, отображающих структуру дневной поверхности ічвенного покрова, к морфоизогафам — линиям кривизны, создающим дву-
4 плановость. Это позволит по-иному, более объективно решать проблем структурирования почвенного покрова, начатую В.М.Фридландом. Задачи исследований, исходя из целей, заключаются в следующем:
обобщить результаты ретроспективного анализа контурности опублг кованных и рукописных почвенных карт, выявить эволюцию научных идеі приводящих к повышению информативности почвенных карт за счет разли1 ных более эффективных способов сопряженного отображения почв и рельеф: особенно приводящих к объемной двуплановости узоров карт;
проанализировать различные картографические методы (одноплановы точечный, одноплановий катенный, объемный потоковый) отражения рельеф в контурности почвенных карт, а также связанные с ними проблем классификации почв, зональности почв, структуры почвенного пространства
дать характеристику различных типов контурности почвенных карт і основе представлений о двуплановости (расслоенности конутров), скелетиз; ции (схематической одномерности контуров), фрактальности, подобия почвеї ных ареалов, их симметрии, инвариантности, системного подхода, оптию структурного анализа и физико-геометрического моделирования;
рассмотреть различные способы формализации почвенной контурности показать, что они с неодинаковой достоверностью и точностью отображай возможности картографического моделирования, ставшего в последние годі необходимостью в сельском хозяйстве, землеустройстве, оценке земел охране водных и земельных ресурсов.
' Объектами исследований являются отображения реальных почв на карп разных лет, масштабов и авторов, а также фактический материал по разли ным почвам, полученный соискателем при составлении карт:
1.Крупномасштабных (съемки 1967-19б8гг., гипролесхоз): Брянская обл. серые лесные и дерново-подзолистые почвы; Алтай - черноземы.
2.Детальных и крупномасштабных Опытной полевой станции Инстигу фундаментальных проблем биологии РАН (Пущино Московской обл.) окружающих территорий южного Подмосковья (съемки 1969-1983 гг.): сері лесные почвы, дерново-подзолистые почвы, черноземы. Соискателем сделаї химические и микробиологические анализы, определены водно-физическ свойства почв и проведены 11-летние режимные наблюдения за влажность температурой и газовым составом этих почв.
3. Среднемасштабных областных почвенных карт России, выполненных заказу Росземпроекта (1984-1991 гг.) путем генерализации материалов noj вого крупномасштабного обследования: все типы и подтипы почв России.
4.Карто-схем маршрутных исследований почв: черноземов Кубани (197i дерново-подзолистых Белоруссии (1977); черноземов ЦЧО: Воронеж
Каменная Степь - Полтава (1984г., под рук.В.А.Ковды); пустынных песчаных, серо-бурых, сероземных, такырных и засоленных почв Средней Азии (1989).
Методы исследований и материалы. Изучение свойств почв проводилось традищготгыми методами: закладка и полевые описания разрезов, отбор образцов, их анализы (гумус, водная вытяжка, валовой состав - по Е.В.Ари-згушкиной), водно-физические и воздушные свойства, температурный, водный (по З.А.Корчагиной) и газовый (по В.Б.Мацкевич) режимы, ферментативная активность (по Хазиеву). Основное внимание уделялось методам упорядоченного вычленения выпуклостей (фигур, потоков) и вогнутостей (фона, подложки, системы отсчета) рельефа по преобразованным горизонталям, а также способам описания характера распределения почв по этим элементам рельефа с позиций обоснования картографической двуплановости.
Изучение сопряженного картографического отображения почв и рельефа проведено по личным и другим изданным и рукописным картам, публикациям. Морфологические описания подкреплялись личными, а также выполненными на заказ традиционными физико-химическими анализами почв и вод.
Методом шшстикн рельефа автором отрисованы по топокартам и уточнены по аэрокосмоснимкам сотни потоковых карт всех масштабов (детальных, крупных, средних, мелких) на различные территории для целей почвенного, геологического, ландшафтного картографирования, мелиоративных проектно-изыскательских работ, экологической оценки территорий, землеустройства.
Методами визуальной идентификации и оптико-структурного анализа проводилось сравнение разных типов контурности карт (топографических, почвенных, ландшафтных и др.). Разработан метод масштабной генерализации по пластике рельефа, который был принят и широко использован инкенерами гипроземов России при переносе содержания крупномасштабных полевых почвенных карт в контуры среднемасштабных потоковых карт, составленных соискателем методом вторых производных.
Защищаемые положения концепции двуплановой картографии почв заключены в следующем:
-расположение почв в пространстве вместо прежних плоских выделов может быть наиболее объективно представлено на двуплаиовых картах, контуры которых отображают сопряжение искривленных пространств' почв и рельефа, полученное картографическим методом вторых производных;
-следует различать почвенные карты двух типов: 1-эмпырические, контуры которых построены в поле с преобладанием чувственного восприятия обыденного опыта: 2-теоретичесте, геометрия внешнего облика которых основана на формализованных конструкциях горизонталей по результатам научного опыта, подтверждаемого эмпирическими полевыми наблюдениями;
-существует два типа почвенных карт, каждый со своим, соответствующим ему способом построения: 1-эмпирические карты строятся по принципу: "от содержания - к форме", когда сначала в поле выявляются свойства почв, а затем оконтуриваются на карте, ориентируясь на горизонтали топокарт; 2-теоретические карты строятся по иному принципу: "от формы - к содержанию", когда до выезда в поле по горизонталям топокарты создается морфоизографный каркас, в который затем "погружается" почвенное содержание, установливаемое при полевой съемке;
- порядок следования почв в двуплановой потоковой контурности подтверждает закон Докучаева о постоянстве соотношений между свойствами почв и формами рельефа и выявляет структуру гравитационной потоковой почвенной зональности, которая морфологически принципиально отличается от традиционной почвенно-биоклиматической поясности: к полосчатости добавляется древовидность. Признается существование двух типов зональности. Научная новизна:
-анализ старых и новых почвенных карт выявил, что последовательная смена геометрии контурности обусловлена запросами науки и практики выражать свойства и законы распределения почв на более точном языке физики и геометрии; соискатель продолжает тенденцию геометризации почвоведения;
-установлено, что требованиям точных наук больше соответствуют двупла-новые почвенные карты, чем одноплановые, так как контуры одноплановых карт характеризуют размеры, а дауплановых - соразмерность. Переход от фиксации размеров контуров к фиксации их соразмерности, возможно, знаменует новый этап в геоинформатике, который открывается картами пластики рельефа и создает условия для применения теории симметрии в картографии;
-разработаны количественные и качественные методы формализации контурности почвенных карт путем введения в картографию принципа дву-плановости, который согласуется с принципом нормальных почв Докучаева;
-показано, насколько формализованные карты (катенные, потоковые) в отличие от неформализованных более мощны как средства познания; они графически отражают реальные свойства почв, рельефа, ландшафтов и более кратко, геометрическим описанием, выражают авторские концепции, идеи;
-установлено, что формализованная контурность карт позволяет однозначно осмысливать научные теории, избегать субъективных ошибок на картах, представлять почвенные тела в логически воспроизводимых точных образах;
-выявлено, что формализация карт ведет к новому стилю мышления - переходу от общего абстрагирования свойств почв к конкретным, более приближенным к реальности абстракциям, например, от катенных карт к пото-
ковым. Прежняя морфологическая картография заменяется физико-геометрической, позволяющей признавать почвенные образы физическими телами. Практическая значимость проведенного исследования:
-сделан вывод о необходимости освоения новой картографической методологии, представляющей почвы в двух срезах действительности: по выпуклостям и вогнутостям с отображением переднего и заднего планов, или соответственно - фигуры (потока) и фона (подложки), что позволяет более реально отобразить почвенный покров на производственных картах;
-внедрена в производство (гипроземы, гипроводхозы, геолого-разведочные предприятия) технология составления двуплановых карт, которая вводит новые почвенные понятия, имеющие системные корни с точными науками; это делает производственные картографические работы научно обоснованными, более объективными и доступными общему пониманию в науках о Земле;
-с помощью понятия "литодинамический поток" введено представление о движении почвенных тел под влиянием гравитации с указанием мест их формирования на командных высотах (репеллерах- R), траекторий транзита и мест конечного назначения пути (аттракторов- А), что необходимо учитывать при бассейновом проектировании водохозяйственных объектов;
-предложены конкретные шаги по унификации контурности почвенных, геологических, ландшафтных карт, что в производстве способствует более эффективному системному обобщению фактов и целостному пониманию природы почв с единых общенаучных и философско-методологических позиций;
-разработаны пути совершенствования почвенного картосоставления с ориентацией на компьютерные технологии, которые интенсивно внедряются в производство, а потому требуют научно обоснованных абстракций;
-показано путем составления крупно- и среднемасштабных почвенных карт России, что формализованная контурностъ может объединить разрозненные факты о едином почвенно-геологическом теле - литодинамическом потоке, дать экономию времени и средств при полевом картографировании, повысить качество, точность, достоверность и информативность карт.
Личный вклад автора. Диссертация подводит итог тридцатилетнему груду автора по изучению почв центра России. Она является результатом анализа большого количества изданного и рукописного материала с целью выявления природы картографической контурности. Это привело к потребнос-ги теоретического обобщения концепции двугшановости карт и внедрения ее в производство, как более точно и полно отражающей реальную природу почв.
Научное обоснование нового метода картографирования проводилось ївтором в течение 15 лет в гипроземах и пптроводхозах при крупномасштабной полевой съемке, при составлении методом пластики рельефа 30 сред-
8 немасштабных почвенных карт России (Московской, Тульской, Рязанской, Ивановской, Тверской, Смоленской, Свердловской, Курганской, Калужской, Ярославской, Псковской, Ленинградской, Новосибирской, Омской и других областей, а также республик: Коми, Башкирии, Удмуртии и др.); при крупномасштабном картографировании Чернобыльского очага загрязнения. Разработаны методические указания, наглядные пособия для обучения инженеров гипроземов и гипроводхозов, с которыми проводились в течение нескольких лет курсы в Пущине и с выездом на места (Алма-Ата, Пермь, Свердловск, Тула и др.). Проводятся занятия со студентами, магистрантами, аспирантами.
До составления двуплановых карт диссертант посвятил много лет крупномасштабным и детальным почвенным съемкам традиционным способом. Поэтому переход на принципиально новый путь картографирования: от формы - к содержанию с применением метода пластики рельефа происходил с оценкой нового через призму традиционного.
Новая методика двупланового картографирования почв потребовала освоения совершенно иных, ранее не применяемых в традиционной почвенной картографии, способов описания. Так, впервые совместно с Институтом кристаллографии РАН был применен оптико-структурный анализ (Фурье-преобразования) для изучения карт. Для этого автору диссертации потребовалось разработать трудоемкую методику подготовки картографических образцов, овладеть технологией анализа и расшифровки дифракционных картин.
Полученные результаты использованы при составлении методик, руководств, пояснительных записок к картам, научных программ, связанных с мелиорацией, сельским хозяйством, экологией, природопользованием.
Апробация работы. Материалы диссертации экспонировались на ВДНХ СССР и удостоены медалей (1974,1986). Основные положения широко опубликованы, доложены и обсуждались на Всесоюзных и Всероссийских конференциях: "Продуктивность почв лесостепной зоны" (Пущино,1972), "Основные проблемы охраны почв" (Москва, 1975), "Плодородие почв Нечерноземной полосы и приемы его регулирования" (Пущино,1975), "Научные основы рационального использования и" повышения плодородия почв" (Ростов/Дон,] 978), "Системно-экологический подход к современным проблемам сельского хозяйства и науки" (Горький,1980), "Почвенно-экологические и мелиоративные проблемы... (прогнозы и рекомендации)" (Пущино,1983), "Применение математических методов и ЭВМ в почвоведении" (1983), "История развития почв СССР в голоцене" (Путино, 1986), "Картография в эпоху НТР: теория, методы, практика" (Москва, 1987), "География и картография почв" (Москва, 1991), "Кольцевые структуры и морфоструктуры (теоретические и прикладные аспекты)" (Владивосток, 1991), "Картография на рубеже
тысячелетий" (Москва, 1997), "Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения" (Москва, 1998), на школах "Экология и почвы" (Пущино,1995-1998), на Y Всесоюзном съезде почвоведов (Минск,1977), на YIII Всесоюзном съезде почвоведов (Новосибирск, 1989), на II Всероссийском съезде почвоведов (С.-Петербург, 1996), на Международных конференциях: "Symmetry of Structure" (Венгрия, Будапешт, 1989), "Пространственные группы симметрии и их современное развитие" (Ленинград,1991), "Принципы и методы экологического картографирования" (Пущино, 1991), "Структура почвенного покрова" (Москва, 1993), 15-й Международный Конгресс почвоведов (1994, Мексика, Акапулько), "Paleoenvironmental Records of Desert Margins and Paleomonsoon Variation during the last 20ka" (Китай,1994), "Quatenary Deserts and Climatic Change" (ОАЭ, Абу-Дабіг,1995), "Asian ecosystems and theis protection" (Монголия, Уланбатор,1995), "Классификация геосистем" (Ир-кутск,1997), "Nonlinear Phenomena in Biology" (Пущино, 1998), 16-й Международный Конгресс почвоведов (Франция, Монпелье,1998).
Результаты исследований нашли применение и реализованы при составлении в 1980-1992 гг. областных почвенных карт, из которых 18 многокрасочных карт изданы ГУГК СМ СССР, в т.ч. положенные в основу работы: "Создание новой технологии составления серии почвенных карт центра России и освоение в практике рационального использования природных ресурсов", выполненной Государственным земельным Комитетом РФ при непосредственном участии автора диссертации.
Публикации автора общим числом 82 все соответствуют теме диссертации, включают 18 карт и три пояснительные записки к почвенным картам Московской, Владимирской, Ярославской областей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и трех частей, разбитых на главы, выводов. Работа изложена на 223 страницах машинописного текста, включает 51 рисунок, список литературы из 273 названий, включая иностранную литературу.