Использование цифровых моделей рельефа для решения прикладных задач

Тема 4. Использование цифровых моделей рельефа для решения прикладных задач

4.1. Классификации задач автоматизированного морфометрического анализа ЦМР

Сфера применения морфометрических исследований очень обширна: от выявления географических закономерностей до экологических исследований, планирования сетей мониторинга и различного рода инженерных изысканий.

Набор применяемых методов зависит также и от рельефа территории, ее положения в географическом пространстве. Ведь то, что является значительным фактором для горной территории, например, экспозиция склонов, применительно к равнинной местности может не иметь решающего значения. С другой стороны, в зависимости от широтного положения исследуемой территории значительно изменяется вклад в прогреваемость почвы между экспозицией и высотой, и на первый план может выйти высотная поясность.

В настоящее время проблема классификации задач, требующих для своего решения применения элементов морфометрического анализа, разработана недостаточно, включая и классификацию самих задач морфометрии с точки зрения средств, необходимых для их решения. Разработка такого рода классификаций может значительно облегчить процесс создания компьютерных морфометрических карт и определить их необходимый набор.

Задачи располагаются по возрастающей трудности следующим образом: 1) описание объекта; 2) объяснение его свойств; 3) прогнозирование его поведения; 4) управление его поведением; 5) создание объекта с заданными свойствами. В практике морфометрических работ чаще встречаются первые две группы задач. Хотя в настоящее время все острее чувствуется необходимость постановки и решении задач прогнозного типа и задач, обеспечивающих принятие управленческих решений в области природопользования. Легко можно видеть, что вокруг каждой из целей группируется определенный класс задач. А задачи определяют методы их решения.

Общая схема классификации задач, решаемых при проведении морфометрического анализа представлена на рисунке 2. В то же время в каждом конкретном случае при решении задачи может использоваться различный набор методов, характерный для данной группы (рис.4.1-4.13).

Рис.4.1 Общая схема классификации морфометрических задач

Рис.4.2

Описание характеристик отдельных географических районов. В качестве таких районов могут выделяться отдельные страны, природные регионы, бассейны и т.п. В качестве характеристик при подобных работах используют суммарные значения для всей изучаемой территории. И вследствие этого в качестве основного метода выступает математическая статистика. В качестве параметров принимаются минимальное, максимальное и среднее значения показателя, медиана, дисперсия, размах и т.п. Полученные значения обычно сравниваются с полученными для других территорий, в результате чего выносится суждение о сходстве или отличии территории от других. В результате решения задач данной группы обычно получают базу данных значений показателей в пределах изучаемой территории или отдельных участков и, иногда, гистограммы распределения встречаемости данных показателей на изучаемом участке.

Рис.4.3

Отнесение территории к определенному классу. В качестве исходных данных при решении таких задач используют значения, полученные в предыдущем случае, а также принятые классификации и базы данных показателей для эталонных участков. В ходе решения задачи специалист формирует запросы к базам данных, применяет различные показатели схожести территорий для отнесения изучаемой территории (территорий) к определенному классу. Иногда принятые классификации по тем или иным причинам не устраивают специалиста, и он вынужден пересматривать существующие или создавать собственные классификации. Результатом этой работы служат классификационные карты, наборы показателей по каждому из исследуемых участков и новые классификации.

Рис.4.4

Исследование распределения морфологических характеристик в пределах изучаемой территории. К данной группе задач относится, прежде всего, определение поля морфометрических показателей и построение соответствующих карт. Здесь возникает вопрос выбора шкал для отражения показателя. В этих случаях широко используются гистограммы и статистические показатели. Итоговые карты могут быть построены с использованием различных картографических приемов в виде изолинейных карт и с помощью картограмм. В качестве картографируемых показателей могут использоваться как простые (уклон, экспозиция, удаленность каждой точки от ближайшего водотока), так и сложные, например скорость добегания.

Рис.4.5

Районирование территории по одному или ряду признаков. При выделении в пределах изучаемой территории генетически однородных районов необходимо использовать самый разнородный материал - описания территории, различные специальные карты, примером которых могут служить геологическая и геоморфологическая, различные базы данных и т.п. На помощь специалисту при решении подобных задач приходят методы математической статистики, прежде всего, различные показатели схожести, элементы теории информации. Кроме того, очень много информации о территории получается при проведении оверлейных операций с картами и запросов к базам данных с информацией по изучаемой территории. Характерной особенностью при районировании является то, что последнее слово всегда остается за специалистом, который путем экспертной оценки проверяет правильность выделения районов и вносит необходимые коррективы.

Рис.4.6

Задачи оценочного характера всегда проводятся для ответа на вопросы типа "можно-нельзя", "а что будет, если..." и т.п. Для ответа на них существуют различного рода инструкции, классификации, установленные требования и т.п. Поэтому для решения подобных задач в большинстве случаев с помощью оверлейных операций, формирования запросов к базам данных и применения операций для работы с матрицами требуется выделить районы, которые удовлетворяют полностью, частично или не удовлетворяют вовсе определенным требованиям, и на основе полученных результатов построить оценочную карту и вынести решение.

Рис.4.7

Объяснение свойств рельефа территории, как правило, начинается с выдвижения гипотезы, которая проверяется в ходе исследования. При этом типе работ используются различные специальные карты, известные закономерности, которые проверяются, прежде всего, с подключением элементов математической статистики и экспертной оценки. В результате работы получаются различные карты статистических показателей, схемы, коэффициенты и подтвержденные или опровергнутые гипотезы.

Рис.4.8

Создание гипотез базируется на экспертной оценке о происхождении и свойствах территории с привлечением всех имеющихся материалов (рис. 8). В качестве примера карт-гипотез можно привести карты-ретроспективы на изучаемую территорию и ряд прогнозных карт, отражающих гипотезы составителя по дальнейшему развитию территории.

Рис.4.9

Задачи прогнозного характера всегда базируются на проверенных гипотезах. Для выдачи прогноза используются различные специальные карты (рис. 9), по которым в результате операций работы с матрицами и экспертной оценки получают производные прогнозные карты. Причем, слово прогноз означает здесь не только прогнозирование будущего, но и реставрирование прошлого. Карты, получающиеся в результате, представляют состояние объектов на прогнозный срок.

Исходя из вышеизложенного, последовательность компьютерного морфометрического картографирования должна быть выстроена следующим образом (рис. 10). После постановки задачи исследования и определения целей начинается первый этап работы, включающий сбор и систематизацию информации о территории и подбор необходимых дополнительных карт. На этом этапе создается и базовая цифровая модель высот. Следующий этап заключается в проведении морфометрических работ по нахождению производных от высоты параметров, статистическом анализе массивов данных по всей исследуемой территории и создании первого комплекса карт аналитического и комплексного типов. На следующем этапе проводится районирование территории по аналитическим и интегральным показателям с привлечением дополнительных картографических материалов и знаний об особенностях данной территории, дается объяснение ее свойств. Результатом этого этапа могут стать карты, отражающие суть изученных явлений для данной территории. На заключительном этапе делаются разного рода оценки, прогнозы и рождаются рекомендации, на основе которых вырабатываются управленческие решения.

Рис.4.10 Последовательность компьютерного морфометрического картографирования

4.2. Примеры решения прикладных задач с использованием автоматизированного морфометрического анализа рельефа

Прогнозирование эрозии

Классический пример решения задачи, предполагающей расчет углов наклона, — оценка эрозионной опасности, которая рассматривается как функция набора геолого-геоморфологических, включая морфометрические, почвенных и климатических параметров, а также характеристика использования земель с помощью универсального уравнения (модели) эрозии почв USLE (Universal Soil Loss Equation), предложенной Уишмайером (W. H.Wischmeier) и Смитом (D. D. Smith) в 1978 г. и с тех пор широко известной в различных версиях ее реализации средствами ГИС:

А = RKLSCP,

где А — прогнозируемая (расчетная) величина среднегодовой почвенной эрозии в единицах массы на единицу площади; R — показатель количества осадков; К — коэффициент эродированное-ти; L — длина склона; S — угол наклона; С — показатель растительного покрова; Р — применяемые противоэрозионные мероприятия.

Морфометрические характеристики склона в модели объединяют понятием «склоновый фактор»; для его оценки используют алгоритмы расчета уже известного нам угла наклона и длины (протяженности) склона (в направлении линии наибольшего ската).

В качестве примера моделирования почвенной эрозии с использованием модели USLE можно упомянуть работу, выполненную на Географическом факультете Университета им. Т. Масарика в Брно (Чехия) и основанную на использовании набора слоев ГИС (на базе цифровых карт использования земель, геологической и почвенной) и ЦМР в среде программного средства ГИС MGE (Modular GIS Environment) компании Intergraph Corp. (США) для тестовой территории в Среднеморавских Карпатах. Рис. 11 и 12 иллюстрируют две из восьми итоговых карт, представляющих вклад отдельных почвенно-эрозионных факторов и их суммарное влияние на общую оценку потенциальной эрозионной уязвимости земель [Е. Svandova, 1998].

Рис.4.11 Карта оценки влияния крутизны склона на почвенную эрозию

Рис.4.12 Карта оценки комплекса почвенно-эрозионных факторов. Четырем классам оценки уровня эрозии (erosion 1 — erosion4) соответствуют категории «малый», «средний», «высокий» и «очень высокий»

Анализ видимости/невидимости

Эта операция обработки ЦМР, практически невыполнимая в неавтоматизированном режиме, обеспечивает оценку поверхности с точки зрения видимости или невидимости наблюдателем отдельных ее частей с некоторой точки обзора, расположенной, как правило, "над" наблюдаемой поверхностью. Может рассматриваться случай видимости из множества точек (источников или приемников излучений), заданных их положением в пространстве. Известны оборонные приложения этой операции для оценки маскирующих и защитных свойств местности и выбора мест размещения командных и наблюдательных пунктов, а также ее использование для оценки возможности индикации возникновения лесных пожаров контролируемой территории с наблюдательных вышек на основе ЦМР и лесоустроительных планов, позволивших построить цифровую картографическую модель зон видимости/невидимости при заданной высоте обзора с учетом кривизны земной поверхности, рефракции и экранирующего эффекта лесонасаждений и решить задачу оптимизации их размещения (минимизации числа вышек при заданных конструктивных параметрах и площади, остающейся недоступной для визуального наблюдения).

Современные приложения функции анализа видимости/невидимости связаны с оценкой влияния рельефа (в особенности горного) или "рельефоидов" городской застройки на величину зоны устойчивого радиоприема (радиовидимости) при проектировании и оптимизации размещения радио- и телевещательных станций, радиорелейных сетей и систем мобильной радиосвязи.

Цифровые модели рельефа при изучении ландшафтной дифференциации в Хибинах

Роль рельефа как фактора дифференциации ландшафтов хорошо известна: он является главным фактором перераспределения тепла и влаги на поверхности земли, от него зависят внутризональные особенности формирования растительного покрова и почв, с ним связано развитие определенных форм хозяйственной деятельности человека (Кружалин, 1999). Границы как правило, совпадают с границами форм и элементов рельефа (Беручашвили, Жучкова, 1997). Поэтому анализ рельефа как фактора ландшафтной дифференциации является основой создания ландшафтных карт.

Высота в горных районах определяет вертикальную зональность почв и растительности. Крутизна и экспозиция склонов контролируют скорость и направление соответственно поверхностных потоков, теплообеспеченность местности, интенсивность испарения осадков и снеготаяния, некоторые свойства почв, развитие растительного покрова (Флоринский, 1995).

Из исследований по инсоляции склонов вытекает следующее:

• наиболее теплыми являются южные склоны, затем западные, затем восточные; самые холодные - северные;
• южные склоны тем теплее, а северные тем холоднее, чем склон круче; на восточных и западных склонах их крутизна сказывается слабее;
• различия в нагревании противоположных склонов увеличиваются с высотой;
• колебания температуры на южном склоне наибольшие, а на северном - наименьшие; на первом возрастают с крутизной склона, а на втором - уменьшаются;
• известное значение имеет расположение склонов по отношению к направлению теплых и холодных ветров.

Рельеф Хибин играет определяющую роль в формировании энергообеспеченности ПТК, занимающих различные высотные уровни, располагающиеся на склонах различной экспозиции и крутизны. Так, Хибинские плато получают тепла примерно в три раза меньше, чем предгорья (главным образом, за счет более длительного залегания снега, отражающего коротковолновую радиацию); теплообеспеченность склонов южной экспозиции значительно превосходит таковую склонов северной экспозиции, слабонаклонные поверхности которых получают соответственно 67 и 54 ккал/см² в год (Околов, 1967). Значительное влияние на теплообеспеченность оказывает и крутизна склонов. Увеличение крутизны южных склонов приводит к увеличению теплообеспеченности, а северных - к уменьшению. Так, по данным В.Ф. Околова (1967) склоны южной экспозиции крутизной в 30° получают 112 ккал/см² в год, а крутизной в 50° - 115 ккал/см² в год. Для склонов северной экспозиции эти цифры составляют, соответственно, 66 и 47 ккал/см² в год. Форма склона (выпуклая или вогнутая) определяет степень увлажнения, условия развития почвенного покрова, степень защищенности от ветров, высоту снежного покрова. Дополнительный принос снега метелями в ложбины может в 3-4 раза увеличивать общую сумму твердых осадков на участке (Природные условия..., 1986). Укрытый от ветров и зимнего вымерзания лес на границе лесного пояса по вогнутым формам рельефа может языками заходить в тундровую зону и наоборот. Крутизна склонов определяет вероятность развития современных геоморфологических процессов. Так, со склонов крутизной более 30° происходит перенос свободно лежащего обломочного материала и камней (Мягков, 1967), на них часто развиты каменистые осыпи, а растительный покров может быть представлен только пятнами мхов и лишайников. Склоны крутизной более 35-45° представляют собой скальные выходы.

Для получения цифровой модели рельефа была использована топографическая карта "Хибинские тундры" масштаба 1 : 100 000, с сечением горизонталей 40 метров. Размерность сетки полученной цифровой модели 100x100 метров.

В среде Maplnfo создана база данных по рельефу (таблица) со столбцами "высота", "экспозиция склонов", "углы наклона". Созданная база данных позволяет выполнять запросы по образцу, что необходимо при создании ландшафтной карты. Например, требуется выбрать записи, удовлетворяющие условиям: высота больше 850 метров, угол наклона 0-7°, что соответствует положению вершинных поверхностей с каменистыми пустынями.

По полученной цифровой модели рельефа построена гипсометрическая карта - изолинии с послойной окраской с равномерным сечением рельефа. В качестве высотных ступеней были выбраны 200 метров и ниже, что ограничивает распространение равнин, 200-400 метров -подножье гор, 400-600,600-800, 800-1000,1000 метров и выше - вершины гор. По этой же цифровой модели построена карта рельефа со светотеневой отмывкой в виде растрового полутонового изображения при северозападном освещении. Затем было произведено наложение гипсометрической карты на карту рельефа с отмывкой.

По цифровой модели рельефа построена карта в изолиниях "Модель высотной поясности Хибин". Распределение растительных зон ограничивается описанными ниже горизонталями.

Зона тайги, или зона бореальных лесов занимает высоты 250-300 метров; она представлена, в основном, елью и сосной наряду с мелколиственными березой и ольхой. Наземный ярус растительности состоит из ягодных кустарников, разнотравья, мхов и лишайников. Лесотундра занимает высоты 300-400 метров. Этот переходный тип ландшафта, разделяющий зону тайги и тундры, состоит, преимущественно, из островков березы и ивы, чередующихся с типичной тундровой растительностью.

Высоты 400-850 метров занимает зона тундры-безлесный ландшафт. Тундра подразделена на кустарниковую (450-550 м), кустарничковую (550-700 м) и мохово-лишайниковую (700-850 м). Выше на высоте 850 метров и более располагается зона высокогорных арктических пустынь.

При создании ландшафтной карты величина угла наклона и экспозиция склонов используются по той причине, что они связаны с целым ря-дом процессов, влияющих на структуру и развитие ландшафта.

Вместе со значением высоты угол наклона и экспозиция склона определяют микроклимат. Поэтому информация о рельефе в виде производных карт, созданных на основе цифровой модели рельефа, применяется для широкого круга задач ландшафтных исследований.

На базе цифровой модели углов наклона создана одноименная карта. Для изображения явления был использован способ изолиний с послойной окраской в желто-оранжево-коричневои цветовой гамме (прил. 25).

Первой ступенью шкалы являются углы наклона 0-7°, определяющие слабонаклонные поверхности. В данном случае они определяют положение днищ долин, участков равнин, окружающих Хибины, а также платообразных вершинных поверхностей, которые при создании ландшафтной карты на высоте более 850 метров выделяются в местности платообразных вершинных поверхностей с каменистыми пустынями.

Следующая ступень 7-15° - полого-покатые склоны. Выделяется на основании того, что деревья, в основном, не растут на склонах крутизной выше 15°, так как почвы имеют недостаточную мощность из-за развития гравитационного сноса и, поэтому, деревья не могут как следует закрепиться.

Склоны крутизной 15-35° являются крутыми. Они характеризуются развитием гравитационного сноса (каменистых осыпей); на таких склонах начинается деятельность лавин (в основном лавины сходят при крутизне30-45°). Из-за снежных обвалов и незначительной толщины почвенного покрова (как уже указывалось выше) на них не развивается древесная растительность.

Ступень выше 35° представляет собой очень крутые склоны с преобладанием гравитационного сноса; к ним приурочены скальные выходы; склоны почти лишены рыхлого материала и, соответственно, почвенного и растительного покрова. На ландшафтной карте склоны, попадающие в эту категорию, выделяются в местности скальных выходов и осыпей.

По цифровой модели экспозиции склонов построена соответствующая карта. Учитывая описанные выше проявления рельефа в ландшафтной дифференциации, а также тот факт, что различия для склонов западной и восточной экспозиции при всех углах наклона сравнительно малы, склоны горного массива были разделены на "теплые" - южной, юго-западной и юго-восточной экспозиции и "холодные" - северной, северо-западной и северо-восточной экспозиции.

Создание ландшафтной карты даже небольшого по площади района является весьма трудоемким процессом. В основе ландшафтных карт среднего и крупного масштабов, как правило, лежат материалы полевого ландшафтного картографирования в совокупности с результатами изучения имеющихся тематических карт района. Именно таким образом были созданы ландшафтные карты Хибинских гор (1967,1973,1988 гг.).

Модернизация ландшафтной карты района может быть проведена с использованием дистанционных методов и методов компьютерного моделирования, позволяющих выявлять новую пространственно-временную информацию и вносить соответствующие коррективы в "базовую" ландшафтную карту. Эти картографические методы позволяют также развивать традиционные методы комплексных физико-географических исследований путем проведения автоматизированного синтеза исходной информации, представленной в виде цифровых моделей рельефа, для построения ландшафтной карты.