Исследование морфологической структуры рельефа бассейна р. Кубани на основе цифрового моделирования

Думит Жан Альберт

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Исследование морфологической структуры рельефа бассейна р. Кубани на основе цифрового моделирования
ВАК РФ 25.00.25, Геоморфология и эволюционная география

Автореферат диссертации по теме "Исследование морфологической структуры рельефа бассейна р. Кубани на основе цифрового моделирования"

УДК 556.51 (282.247.38)

На правах рукописи

Думит Жан Альберт

ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ РЕЛЬЕФА БАССЕЙНА Р. КУБАНИ НА ОСНОВЕ ЦИФРОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 25.00.25 - геоморфология и эволюционная география

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Краснодар - 2009

003467292

Работа выполнена на кафедре геоинформатики географического факультета Кубанского государственного университета

Научный руководитель:

доктор географических наук Погорелов Анатолий Валерьевич

Официальные оппоненты:

доктор географических наук

Пешков Владимир Михайлович

кандидат географических наук Анисимов Валерий Иванович

Ведущая организация:

Институт географии РАН

Защита состоится 23 апреля 2009 г. в 13-00 на заседании диссертационного совета Д 212.101.15 при Кубанском государственном университете по адресу: 350040, г.Краснодар, ул.Ставропольская, 149, ауд.200.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Кубанского государственного университета по адресу: 350040, г.Краснодар, ул.Ставропольская, 149 (читальный зал), с авторефератом - на сайте http://www.kubsu.ru.

Автореферат разослан 20 марта 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук, доцент Л.А.Морева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Обоснование и актуальность исследования. Многообразные морфометри-ческие 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. Уровень познания морфологических свойств земной поверхности и картографическая изученность рельефа бассейна р.Кубани 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 элементарных частей рельефа. До настоящего времени для исследуемого бассейна не были построены карты традиционно используемых картометрических и морфометрических характеристик рельефа. 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 морфологическое и генетическое разнообразие рельефа речного бассейна, максимальную для России амплитуду высот (более 5,6 км).

Актуальность обусловлена очевидной недостаточностью морфологической изученности земной поверхности в бассейне р.Кубани, несоответствием уровня изученности современным географическим потребностям в знании морфологии поверхности, и, в дополнение к этому, несоответствием существующих региональных геоморфологических данных качественно новому этапу информационного обеспечения и технологии геоинформационного моделирования.

Объект исследования - рельеф земной поверхности в границах бассейна р.Кубани (58 тыс. км2), что соответствует региональному масштабу пространственной организации территории. Предметом исследования является морфологическая структура рельефа бассейна р.Кубани.

Цель диссертационного исследования - раскрытие разноуровневой морфологической структуры рельефа бассейна р. Кубани на основе технологий цифрового моделирования. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- построить модели структурных линий исследуемой земной поверхности (тальвеги и водоразделы) как инвариантов пространственной организации территории;

- оценить параметры фрактальной размерности элементов эрозионной сети;

- выполнить автоматизированный расчет стандартных морфометрических показателей (гипсометрия, крутизна и экспозиция склонов, вертикальная и горизонтальная расчлененность) и картографировать эти показатели;

- по картам морфометрических переменных проанализировать морфологическую структуру рельефа в масштабе частных водосборов (субрегиональный уровень);

- рассчитать и проанализировать пространственное распределение показателей кривизны земной поверхности с последующим выделением структурных элементов в виде морфологически однообразных неделимых частей рельефа;

- установить континуальные и дискретные (в границах водосборов) параметры фрактальной размерности земной поверхности;

- по данным цифровой модели рельефа (ЦМР) высокого разрешения рассчитать и картографировать морфометрические показатели микрорельефа экспериментального полигона с установлением их взаимосвязи с типами склоновых процессов.

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). Для исследований морфологии земной поверхности на локальном уровне применялись материалы лазерно-локационной съемки, включающие собственно ЦМР и ортотрансформированные аэрофотоснимки. Съемка на экспериментальном полигоне выполнена в ноябре 2006 г. и апреле 2007 г. ЗАО «НИ-ПИ «ИнжГео» (Краснодар) при сотрудничестве с кафедрой геоинформатики Куб-ГУ.

Методологической и теоретической основой исследования послужили труды представителей российской школы геоморфологии (А.Н. Ласточкин, Ю.Г. Симонов, А.И. Спиридонов, Д.А. Тимофеев, Г.Ф. Уфимцев, H.A. Флоренсов, П.А. Шарый и др.), теории геоинформационного картографирования и цифрового моделирования (A.M. Берлянт, И.К. Лурье, B.C. Тикунов, A.B. Кошкарев, Б.А. Новаков-ский и др.). При выработке общеметодических подходов автор опирался на работы А.Г. Исаченко, Ю.Г. Пузаченко, Э.Г. Коломыца и других авторов, исследования которых оказали влияние на постановку задач и интерпретацию результатов.

Концептуально исследование ориентировалось на «геометрический подход» в описании земной поверхности, что в англоязычной литературе известно как «geomorphometry» (геоморфометрия), «quantitative morphology» (количественная морфология), «quantitative terrain analysis» (количественный анализ рельефа). В последние десятилетия анализ рельефа на базе ЦМР превратился в самостоятельное направление российской (А.Н. Ласточкин, Д.А. Тимофеев, Г.Ф. Уфимцев, 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, C. R. Thorne, I.S. Evans, R. Dikau, Li Z.L., I.D. Moor, C.M. Gold, D.G. Tarboton, R.J. Pike, W. Cadeil и многие др.) геоморфологии. При цифровом моделировании рельефа 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. Использованы общие и специализированные методы геоинформатики, направленные на решение задач морфометрического анализа, а также статистические методы, в том числе приемы геостатистики.

Основу программного обеспечения составили продукты ArcGIS (ESRI Inc., США), SAGA (Германия), MicroDEM (США), при обработке данных лазерного сканирования применялось программное обеспечение MicroStation (Bentley Systems, США). Преобразование технических форматов выполнялось в пакете 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 полученные результаты изучения разноуровне-

вой морфологической структуры земной поверхности в бассейне р. Кубани являются новыми по существу. Среди них:

- создание ГИС, содержащей исходные данные, производные цифровые модели, алгоритмы расчета, результаты статистической обработки множеств переменных, а также сопутствующие материалы;

- гипсометрический анализ бассейна р. Кубани и частных водосборов;

- построение моделей структурных линий земной поверхности, карт морфомет-рических показателей;

- расчет и интерпретация статистических показателей распределения морфомет-рических переменных в бассейне р. Кубани;

- экспериментальные оценки влияния переменного пространственного разрешения ЦМР на некоторые морфометрические показатели;

- сравнительный анализ морфологической структуры рельефа водосборов;

- обоснование и собственно дискретизация земной поверхности по данным о ее кривизне, выделение первичных морфологических элементов поверхности;

- описание морфологии микрорельефа экспериментального полигона, оценка связи статистик морфометрических переменных с местными склоновыми процессами;

На защиту выдвигаются результаты описания морфологической структуры рельефа бассейна р. Кубани:

1. Модели структурных линий земной поверхности и их картометрические параметры.

2. Карты и количественная 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.

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 и морфологических элементов, расчеты 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 дифференциацию компонентов ландшафтной среды. Полученные сведения о морфологии поверхности частных водосборов способствуют 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 нацелены на

теоретические и практические 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 процессе творческого сотрудничества с ЗАО «НИПИ «ИнжГео» и ООО «ИнжГеоГИС» (Краснодар). По материалам диссертации опубликовано 12 работ. Основные положения и результаты диссертации докладывались на XX и XXI Межреспубликанской научно-практической конференции «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий», Краснодар, 2007, 2008; II Международной студенческой конференции «Научный 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 иностранных источников. Содержит 68 рисунков и 41 таблицу-

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю заведующему кафедрой геоинформатики КубГУ Анатолию Валерьевичу Погорелову, оказавшему неоценимую помощь в работе, сотрудникам кафедры геоинформатики Е.Г. Ловцову, E.H. Киселеву, Е.В. Куркиной, Е.С. Бойко, С.П. 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены актуальность, задачи и методологические основы исследования, его научная новизна, практическое значение выбранной тематики.

Глава 1. Информационно-методическая база исследования

В первом разделе главы дается понятийно-терминологический аппарат, предполагающий уменьшение неопределенности в восприятии предмета исследования и достижение строгости формулирования научной проблемы и методологических подходов. На основе теоретических разработок А.И. Спиридонова, Ю.Г. Симонова, А.Н. Ласточкина, Д.А. Тимофеева, Г.Ф. Уфимцева, A.B. Кошкарева, Ю.Г. Пузаченко и др. исследователей приводятся дефиниции терминов и необходимые пояснения к ним. Совокупность понятий, обеспечивающих понятийный аппарат исследования, представлена последовательностью: рельеф земной поверхности - морфология земной поверхности - элементы и формы рельефа - морфомет-рия рельефа - структура рельефа - бассейновая система - цифровое моделирование.

При определении рельефа как основного объекта геоморфологии автор опирается на «геометрический» подход, при котором форма земной поверхности описывается набором пространственно-координированных высотных отметок. Такая трактовка открывает широкие возможности для морфометрического анализа земной поверхности, т.е. по выражению Г.Ф. Уфимцева «более операциональна».

Под морфологической структурой рельефа понимается некий порядок изменения состояний рельефа, определяемый сочетанием его элементов и присущих им форм. Процедура «дискретизации» пространства рельефа путем выделения элементарных частей обеспечивает последующий анализ его морфологической структуры.

Выделение элементов рельефа, «элементаризация земной поверхности» как отражение свойства ее естественной делимости на элементы и их совокупности, следуя А.Н. Ласточкину, - необходимое условие структурного анализа рельефа. Выделение первичных элементов рельефа может выполняться путем дискретизации построенных полей морфометрических переменных. При обосновании элемента следует исходить из четко сформулированных условий выделения его как первичного объекта исследований, влияющих на сопоставимость и корректность последующего анализа и воспроизводимость результатов. При морфометрическом описании пользуются морфометрическими переменными (morphometric variables) -количественными показателями (атрибутами), измеряемыми в каждой точки земной поверхности. Необходимо определить их достаточный перечень с максимально возможной точностью оценки физического или геоморфологического смысла измерения. Поскольку объектом настоящего исследования выступает рельеф крупного речного бассейна, следует ограничиться переменными, адекватным методам анализа речной системы.

Сама морфология земной поверхности в большинстве случаев может быть выражена скалярными полями, представляющими морфометрические переменные. Концепция поля не противоречит представлениям о морфологии земной поверхности, обладающей естественной дискретностью. Имманентным свойством геополей является их дискретно-континуальная природа. Теоретической предпосылкой исследования рельефа и моделирования полей морфометрических переменных в границах речного бассейна служит его выделение в качестве самостоятельной единицы геопространства. В понятие речного бассейна вкладывается два аспекта - территориальный и функциональный. В территориальном рассмотрении бассейн р. Кубани мы относим к геосистеме регионального уровня. Этот уровень отличается структурной однородностью, т.е. устойчивыми закономерностями сочетания природных комплексов более низкого уровня. Таким образом, выбранный масштаб исследования способен отразить в морфологической структуре рельефа, представленного комплексом количественных показателей, пространственную организацию геосистемы.

Раскрытие морфологических характеристик физической поверхности речного бассейна является исходным при последовательном познании всех других его свойств, включая гидрологические. Это согласуется с морфодинамической парадигмой А.Н. Ласточкина, предусматривающей познание любых объектов, идущее от морфологии к динамике или от формы к содержанию.

Во втором разделе рассматривается геоморфологическая и гидрографическая изученность бассейна р. Кубани. Геоморфологические исследования бассейна в настоящее время в основном ограничены орографическими и морфографически-

ми описаниями земной поверхности, логичным продолжением которых должны быть морфометрические исследования. Только в этом случае морфология рельефа может быть раскрыта с определенной полнотой.

Описание исходных данных исследования (материалов съемки SRTM и данных воздушного лазерного сканирования) представлено в третьем разделе. Для исследуемой территории максимальное доступное разрешение семиглобальной ЦМР SRTM равно три арксекунды, что для бассейна р. Кубани составляет около 65x90 м соответственно по долготе и широте. Для удобства расчетов данные радарной съемки преобразованы в регулярную сеть, состоящую из квадратных ячеек. Заданное разрешение ЦМР, построенной по материалам лазерного сканирования, составило 1 м. Соответственно, разрешение и точность используемых ЦМР отвечают масштабному ряду исследований: региональный, субрегиональный и локальный уровни.

В четвертом разделе характеризуется программное обеспечение.

Пятый раздел главы посвящен геоинформационным методам в практике морфометрического анализа. В работе реализованы как общие приемы геоинформатики, так и специализированные - направленные на решение задач морфометрического анализа на основе ЦМР. Важными элементами ГИС-технологий, включенными в исследование на разных стадиях морфометрического анализа, явились координатное описание и преобразование проекций, многообразные операции с векторными данными, включая картометрические расчеты и проверку топологии. Особое значение имели процедуры с растровыми слоями, в том числе анализ растровых данных, построение, трансформация и анализ структуры статистических поверхностей. Специализированные приемы геоинформатики относились к манипуляциям с ЦМР и получению производных карт морфометрических показателей. Еще одна группа методов ГИС относилась к формализации и алгоритмизации процесса картографирования морфометрических показателей. В этом смысле полезным оказался модуль ArcGIS Model Builder. В созданную ГИС «Рельеф бассейна р. Кубани» вошли все исходные данные, а также построенные карты, алгоритмы расчетов и многие сопутствующие атрибутивные и графические материалы. ГИС открыта для последующего пополнения и модернизации всей совокупности сведений о морфологии земной поверхности речного бассейна.

Глава 2. Моделирование структурных линий земной поверхности

Тальвеги (килевые линии, русла, ложбины стока), образующие эрозионную сеть, и водоразделы (гребневые линии) относятся к основным структурным линиям земной поверхности. Манипуляции со структурными линиями позволяют получить серию производных морфометрических показателей и представляющих их карт. Моделирование тальвегов и водоразделов поверхности речного бассейна отвечает необходимости установления основных структурных элементов морфологии, посредством и на основе которых могут быть изучены «горизонтальные» и «вертикальные» связи между геокомпонентами речной системы. Методы автоматизированного генерирования эрозионной сети и водоразделов стали доступны с середины 1980-х годов и реализованы в различных ГИС и пользовательских приложени-

ях. Моделирование выполнялось нами в ArcGIS и приложении ArcHydro model (ESRI Inc., США).

В первом разделе главы рассмотрена эрозионная сеть бассейна. Эрозионная сеть является саморазвивающейся системой, а о важности морфометрических показателей для оценок функционирования речной системы свидетельствует наличие прямой и обратной связи между динамикой стока и особенностями речной сети. Эрозионная сеть является характерным фрактальным объектом, обладая свойством масштабной инвариантности. Применительно к топографической поверхности эрозионная сеть представляет собой тальвеги с иерархической соподчиненностью разнопорядковых элементов. В морфометрических расчетах с участием эрозионной сети для определения порядка водотока обычно принимается способ Стралера -Философова.

Для автоматизации процедуры моделирования в модуле ArcGIS Model Builder нами был создан алгоритм расчетов. В соответствии с полученной моделью (рис. 1) с заданным разрешением исходной ЦМР в бассейне р. Кубани выделены водотоки до 11-го порядка, суммарная длина которых равна 790,6 тыс.км. При этом на элементы эрозионной сети 1 -го порядка приходится около 69% суммарной длины, а на суммарную длину тальвегов 1 -2 порядков - более 86% общей длины (табл. 1).

Эрозионная сеть порядок тальвегов

Рисунок 1 - Векторная модель эрозионной сети бассейна р. Кубани

Таблица 1- Сведения об эрозионной сети в бассейне р. Кубани

Порядок тальвегов Количество тальвегов N Суммарная длина L Средняя длина тальвегов, км

км LN* %

1 2573126 547391 13,2 69,24 0,21

2 323715 135996 11,8 17,20 0,42

3 66899 54852 10,9 6,94 0,82

4 14194 26582 10,2 3,36 1,87

5 3026 12999 9,5 1,64 4,30

6 842 6279 8,7 0,79 7,46

7 181 3224 8,1 0,41 17,81

8 43 2003 7,6 0,25 46,58

9 9 624 6,4 0,08 69,33

10 2 373 5,9 0,05 186,50

11 1 260 5,6 0,03 260,00

Всего: 790583 100

*LN - прологарифмированная величина L

Установлены эмпирические региональные связи между порядком тальвегов и их длиной (индекс структуры длин или Length Ratio) и соотношение водотоков разного порядка (индекс структуры бифуркации или Bifurcation Ratio). Распределение длин разнопорядковых тальвегов и связь между количеством элементов эрозионной сети и порядком тальвегов подчиняются обратному экспоненциальному закону.

Второй раздел посвящен водоразделам и водосборам. Выделение водоразделов и водосборов (частных бассейнов) играет важную роль в разного рода вещественно-энергетических, в том числе водно-балансовых расчетах. Наш опыт моделирования границ водосборов (рис. 2) свидетельствует о целесообразности сочетания автоматической классификации, существенно снижающей трудоемкость построения водоразделов при вполне удовлетворительной точности для горной части бассейна, с ручной коррекцией модели в плоской части бассейна р. Кубани.

При проведении границ водосборов применялся принцип соблюдения однородности географических условий формирования стока. Таким образом были выделены участки, имеющие разную соподчиненность внутренних водосборов (фрактальных образований), но отличающиеся гомогенностью гидрологических условий. Маленькие водосборы рек Шундук, Супе, Колтюбе и др., оставлены как самостоятельные, поскольку очевидна их независимость формирования водного баланса. Расхождение результатов расчетов в сравнении со справочными данными для площади бассейна р. Кубани составило 0,31%, но по отдельным водосборам достигло 9-16%. Кроме причин расхождений в картометрических расчетах методического характера, следует иметь в виду обстоятельства, связанные с изменениями гидрографической сети за последние десятилетия, главным образом, в районе Краснодарского водохранилища. Выполненное моделирование структурных линий поверхности и проведенные расчеты указывают на очевидные преимущества ГИС-картографирования и моделирования в сравнении с традиционными приемами получения гидрографических характеристик.

Рисунок 2 - Частные водосборы в бассейне р. Кубани

В третьем разделе данной главы представлены расчеты фрактальной размерности О элементов эрозионной сети. В контексте анализа структуры эрозионной сети нами решалась задача оценки характерной фрактальной размерности разнопорядковых тальвегов. Мы исходили из того, что морфология элементов эрозионной сети зависит от стадии их формирования (возраста) и совокупности геоморфологических свойств соответствующих им поверхностей. Согласно расчетам водотоки в бассейне р. Кубани характеризуются фрактальной размерностью от 1,18 до 1,00. Диапазон изменения средних величин £> составляет 1,102... 1,033. Вариации значений фрактальной размерности в пространстве бассейна неслучайны: отметим уменьшение средней величины фрактальной размерности с понижением порядка тальвегов. Большая извилистость и угловатость свойственна более молодым водотокам в бассейне р. Кубани.

Глава 3. Морфометрия рельефа бассейна р. Кубани

К морфометрическим показателям рельефа, оказывающим главное влияние на многие природные и социально-хозяйственные явления и процессы, в геоморфологии принято относить 1) абсолютную высоту, 2) углы наклонов, 3) экспозицию. 4) горизонтальную и вертикальную расчлененность рельефа. Геометрия земной поверхности определяет объемы и направление вещественного переноса, включая поверхностный сток, а также характер развития экзогенных процессов в целом. Вкупе приведенные морфометрические переменные воздействуют на морфологию и функционирование ландшафтов. Показатели глубины и густоты расчленения. крутизны поверхности оказывают непосредственное влияние на тип использования земель.

Первый раздел посвящен гипсометрическому анализу бассейна, позволяющему в дальнейшем перейти к содержательному описанию высотно-зависимых географических феноменов. Средняя высота земной поверхности в бассейне р. Кубани равна 631 м при довольно значительном среднеквадратическом отклонении от средней (760 м). Кубань - в большей степени равнинная река: 61,4% проекционной площади расположено на отметках ниже 500 м, 78% - на отметках ниже 1000 м, на высотах более 2000 м (условное высокогорье) расположено всего 8,6% площади бассейна (табл. 2).

Таблица 2 - Гипсометрические показатели бассейна р. Кубани

Высотный интервал,м Площадь Нарастание площади с высотой

км2 % км2 %

Ниже 5 6164,3 10,61 6164,3 10,61

5-25 2623,6 4,52 8787,8 15,13

25-50 2834,3 4,88 11622,1 20,01

50-100 4571,7 7,87 16193,8 27,88

100-250 9099,2 15,67 25293,0 43,55

250-500 10361,7 17,84 35654,8 61,39

500-750 6307,2 10,86 41961,9 72,25

750-1000 3369,4 5,80 45331,4 78,05

1000-1500 4469,3 7,69 49800,6 85,74

1500-2000 3269,3 5,67 53093,5 91,41

2000-3000 4321,1 7,44 57414,6 98,85

3000-4000 657,6 1,13 58072,3 99,98

Выше 4000 9,9 0,02 58082,1 100

Сравнение абсолютных показателей высотного распределения площади затруднено масштабной несоразмерностью исследуемых диапазонов высот и площадей. В этом случае прибегают к приему удаления эффекта масштаба посредством применения относительных (безразмерных) показателей высоты и площади. Гипсографическая кривая строится по данным относительных высоты (z/Z) и площади (s/S). Построенные таким образом кривые дают возможность анализировать гипсометрические особенности территорий независимо от их размеров и амплитуды высот. Безразмерная гипсографическая кривая бассейна р. Кубани, которая аппроксимируется обратноэкспоненциальной функцией, отнюдь не является типичной для внутренних водосборов (рис. 3), что свидетельствует о территориальных пределах ее применимости.

Сведения об углах наклона поверхности, рассматриваемые во втором разделе, необходимы при оценке комплекса склоновых процессов. На практике это одна из наиболее важных переменных в расчетах дренажа, эрозии почвы, миграции вещества, а также пространственного распределения ряда компонентов ландшафта. Уклон и экспозиция в произвольной точке растровой ЦМР рассчитываются с использованием соседних ячеек в окне 3*3 (метод Kernel). В приложениях ArcGIS для этих целей применяется алгоритм Хорна.

Рисунок 3 - Гипсографические кривые водосборов бассейна р.Кубани, построенные по данным относительных высот (r/Z) и площадей (s/S). Утолщенная линия - кривая бассейна

р.Кубани

Согласно построенной карте углов наклона поверхности в бассейне р. Кубани поверхности крутизной до 10° занимают 76,3% или 44,3 тыс. км2 (табл. 3). С увеличением крутизны склонов занимаемая ими площадь закономерно уменьшается, так, на поверхности крутизной более 40° приходится всего 0,8%.

Таблица 3 - Распределение суммарных площадей в бассейне р. Кубани по крутизне

склонов

Угол наклона, град менее 5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 30-40 более 40

Площадь, км2 22746 21550 4289 2851 2238 1846 2112 450

Площадь, % 39,2 37,1 7,4 4,9 3,9 3,2 3,6 0,8

Средний угол наклона поверхности для всего бассейна р. Кубани составляет 6,8° при стандартном отклонении 9,6° и положительной асимметрии (5=1,86). Левосторонняя асимметрия в распределении показателей крутизны свидетельствует о преобладании поверхностей на территории бассейна с углом наклона ниже среднего.

Учет экспозиции склонов, рассмотренный в третьем разделе, представляет интерес при анализе влияния направленных лито-, гидро-, геохимических, аэродинамических потоков на ландшафтную дифференциацию, а также на морфологические свойства земной поверхности. При анализе распределения поверхности по экспозиции учитывались 8 румбов, а также площади, приходящиеся на горизонтальные участки. Без учета горизонтальных поверхностей преобладают склоны, обращенные на север (северные, северо-западные и северо-восточные), составляющие почти половину общей площади (46,3%). Склоны с противоположной ориентацией (южные, юго-западные, юго-восточные) имеет гораздо более скромную общую площадь 28,2%.

В четверном разделе анализировались показатели горизонтальной Нь и вертикальной ./ расчлененности рельефа. Построение карты густоты горизонтального расчленения рельефа преследовало экспериментальную задачу оценки Н^ при разной генерализации эрозионной сети, а именно, расчет производился для тальвегов 1-11 порядков (//м-п) и 4-11 порядков (Я,,4.„). Шаг регулярной сетки составил 4 км.

Таблица 4 - Статистические параметры густоты горизонтального расчленения рельефа бассейне р. Кубани. В числителе - показатель Яи.1Ь в знаменателе -

Ны-и

Характеристика* Величина Характеристика Величина

N 4179 S -0,23/0,38

//min 9,8 / 0 км/км2 Е 1,76 / 3,49 км/км2

//max 18,4 / 2,5 км/км2 1 Quartile 12,0/0,7 км/км2

Mean 13,8/0,9 км/км2 Med 14,2 / 0,9 км/км2

a 1,8/0,3 км/км2 3 Quartile 15,3 /1,0 км/км2

*N - количество учетных квадратов; Ятт, Нпш, Mean - соответственно наименьшее, наибольшее и среднее значение Hl, о, S, Е, Med - соответственно стандартное отклонение, коэффициент асимметрии, коэффициент эксцесса и медиана, 1 Quartile и 3 Quartile -квартили, характеризующие в распределении значений кривизны совокупные доли 25 и 75%.

Принципиально важным для интерпретации густоты горизонтального расчленения как производной ЦМР является радикальное изменение пространственной структуры самого показателя /Д с изменением степени генерализации эрозионной сети - максимальные значения HL для тальвегов 4-11-го порядков смещаются на равнинную часть бассейна и приурочены к речным долинам высоких порядков. Степень детализации эрозионной сети не только влияет на информативность карт производных морфометрических показателей, но и требует учета фактора генерализации при трактовке этих показателей в силу фрактальных свойств эрозионной сети.

Вертикальное расчленение J в бассейне варьирует от 0 до 2200 м с заметным преобладанием относительно невысоких величин J. Половина суммарной площади бассейна имеет значения J< 130 м, а 75% площади -J< 445 м. Наименьшие величины густоты вертикального расчленения J < 12 м присущи всей дельтовой части Кубани от Ангелинского ерика до русла Кубани. В высокогорной части водосбора от верховий р. Белой на западе до бассейна р. Уллукам на востоке вертикальное расчленение повсеместно превышает 1000 м. Максимальные величины J> 1500 м отмечаются локально в верховьях Белой (массив Чугуш), в верховьях рек Аксаут, Теберда и Учкулан.

Рассмотренные параметры и кривизна земной поверхности представляют собой комплементарные геоморфометрические переменные. Оценке кривизны земной поверхности посвящен пятый раздел главы. Кривизну земной поверхности можно характеризовать с применением направления градиента ее наклона: профиль пая кривизна kv измеряется в направлении градиента (т.е. по нормали к горизонталям), плановая кривизна kh - перпендикулярно градиенту. Расчеты выполнялись посредством алгоритмов, предложенных Зевенбергеном и Торном (Zevenbergen, Thorne, 1987).

Представление об изменчивости исследуемой морфометрической переменной в бассейне р. Кубани в виде стандартных статистических показателей дает табл. 5.

Таблица 5 - Статистические показатели значений кривизны поверхности в бассей

не р.Кубани*

Кривизна М'т Мах а 1 ОиагШе 3 ОиагШе 5 Е

Плановая кривизна кН -3,19 3,88 0,088 -0,01 0,01 0,787 24

Профильная кривизна ку -5,92 5,24 0,096 -0,01 0,01 0,092 130

Общая кривизна к -7,65 9,12 0,151 -0,02 0,02 0,728 52

* Обозначение показателей см. в табл. 4.

Величины стандартных отклонений, а также квартили свидетельствуют об относительно небольшой изменчивости кривизны и о преобладании в целом ее невысоких значений, что объяснимо в связи с представительностью плоских поверхностей в бассейне р. Кубани. Коэффициенты асимметрии 5 положительны, что показывает наличие левосторонней асимметрии в распределении кривизны. Однако левосторонняя асимметрия гораздо больше выражена у плановой кривизны, иначе говоря, вогнутые в плане формы рельефа на исследуемой территории доминируют. Это означает, что в целом на земной поверхности в линиях тока процессы конвергенции господствуют над дивергенцией, т.е. водно-эрозионные процессы имеют благоприятные морфологические условия. Профильная кривизна к\> имеет распределение, близкое к нормальному, что следует трактовать как соразмерное представительство выпуклых и вогнутых в профиле форм. Обращают на себя внимание высокие значения коэффициентов эксцесса (табл. 5), что говорит о феноменально высокой повторяемости значений кривизны в очень узком диапазоне вблизи моды. В наибольшей мере это свойственно профильной кривизне.

Глава 4. Морфометрия частных водосборов

Согласно логике бассейнового подхода непрерывная земная поверхность, характеризуемая комплексом морфометрических переменных, «дискретизируется» элементарными водосборами, которые выступают некими морфологически однородными множествами и представляют субрегиональный уровень анализа. Данный уровень способен отразить внутрибассейновую дифференциацию характеристик рельефа, раскрыв относительное морфологическое единство (целостность) подчиненных водосборов путем параметризации их морфометрических показателей.

В первом разделе рассмотрены гипсометрические свойства водосборов по данным построения безразмерных гипсографических кривых. Установлено, что в фазовом пространстве гипсографических кривых в бассейне р. Кубани выделяется 3 основных типа: 1) вогнутый (хорошо аппроксимируется обратноэкспоненциаль-ной функцией у=аеЬх); 2) близкий к линейному; 3) вогнуто-выпуклый - с меняющимся направлением выпуклости (рис. 3). Типу 1 (как и бассейну р. Кубани в целом) присуще экспоненциально быстрое увеличение относительной площади с небольшим прирастанием относительной высоты. К типу 1 относится многочисленная группа водосборов, находящихся на Прикубанской наклонной равнине, либо преимущественно в низко- и среднегорье. Типу 2 свойственно пропорциональное распределение площади с высотой, что свидетельствует об отсутствии выдержанных в пространстве одновысотных уровенных поверхностей (ярусов рельефа). К этому типу относятся компактно расположенные горные водосборы: Малая Лаба,

Большая Лаба, Большой Зеленчук, Малый Зеленчук, Теберда, Даут. Тип 3 объединяет водосборы в среднем течении и верховьях Кубани. Этой группе свойственна характерная форма гипсографической кривой, отражающая незначительную долю площади с экстремальными высотами в водосборах.

Второй раздел является ключевым в данной главе и посвящен расширенному анализу характеристик морфологической структуры рельефа водосборов.

В пределах бассейна р. Кубани эрозионная сеть имеет неодинаковые показатели, отражающие пространственные закономерности бассейновой морфологической структуры. Полученные сведения о длине разнопорядковых тальвегов иллюстрируют известную закономерность сокращения их длины с уменьшением порядка, которая в разных водосборах выполняется с разным отношением (индексом структуры бифуркации ВК). Другая закономерность - обратноэкспоненциальное уменьшение количества тальвегов с уменьшением их порядка - также остается неизменной при различии внутрирегиональных параметров зависимости. Показатели бифуркации в частных бассейнах изменяются в диапазоне значений ВЯ=3,63-^-5,34. Наименьшие значения свойственны придельтовой части Кубани, где естественный риск наводнений в связи с морфологией земной поверхности максимален.

Амплитуда плановой кривизны внутри отдельных водосборов составляет 0,13...7,07, что свидетельствует о высокой мезомасштабной неоднородности Ш. Стандартное отклонение, показывающее рассеяние величин плановой кривизны, изменяется на территориях равнинных, с одной стороны, и горных, с другой стороны, водосборов на порядок: от 0,007...0,010 (Закубанские плавни, Псенафа, Нижняя Кубань, Гиага и др.) до 0,2 (высокогорные бассейны (Теберда, Уллукам, Даут, Учкулан). Величина коэффициента асимметрии 5 варьирует от -0,5.. .-0,4 (Чамлык, Фарс, Курджипс, Марта) до 0,6...0,7 (Уллукам, Учкулан, Мал. Зеленчук, Бол. Зеленчук). При 5<0 в водосборах преобладают локальные формы с характерным рассеивающим типом поверхностных потоков. Здесь процессы плоскостного смыва имеют большее развитие, чем линейная эрозия. К водосборам с левосторонней асимметрией плановой кривизны (5>0) относятся практически все горные бассейны. Здесь наиболее распространены вогнутые формы с отрицательной кривизной, из чего следует доминирование линейной поверхностной эрозии.

Изменчивость профильной кривизны поверхности водосборов, оцениваемая стандартным отклонением, лежит в пределах от 0,009...0,013 (Дельта Кубани и прилегающие равнинные водосборы, Средний Зеленчук и др.) до 0,19...0,25 (верховья Кубани восточнее Теберды). Коэффициент асимметрии Б для массивов 1а> в водосборах Кубани имеет пределы от -0,91...-0,7 (Малый Зеленчук, Чамлык, Средний Зеленчук, Фарс) до 0,88...0,52 (Супе, Даут, Учкулан, Уллукам). В группе водосборов с отрицательным коэффициентом асимметрии профильной кривизны хорошо выражены процессы ускорения поверхностных потоков на выпуклых формах рельефа с Ь>0. В водосборах, где 5>0, формы рельефа с относительно низкими отрицательными показателями профильной кривизны (вогнутые в профиле) имеют широкую представительность.

Внутри некоторых частных бассейнов коэффициенты эксцесса кривизн Е остаются относительно высокими, что говорит об островершинном характере плотности вероятности по сравнению с нормальным распределением. В большей мере это свойственно профильной кривизне. Например, в распределении профильной кривизны Е достигает значений 79-51 в бассейнах Белой, Малого и Большого Зеленчука, Теберды.

Задача дискретного моделирования рельефа в частных водосборах решалась посредством выделении его структурных элементов - морфологически однообразных неделимых частей рельефа, форма которых описывается простыми математическими выражениями по данным о кривизне земной поверхности. При дискретном моделирования применена известная геометрическую типизацию форм поверхности по признаку кривизны. В зависимости от выпуклой, вогнутой и прямолинейной (выдержанной по простиранию/линейчатой) геометрической формы поверхность может быть синтезирована комбинацией из 9 базовых элементарных форм (Dikau, 1989). По данным построенной карты распределения элементарных форм получены сведения об их пространственной структуре в границах частных водосборов.

Наиболее изменчива элементарная форма, образованная комбинацией плановой и профильной кривизны со значениями khr=0 и kv=Q, т.е. прямолинейная. Ее площадь в водосборах колеблется от 100% (Закубанские плавни и др.) до 28% (Да-ут, Учкулан). В водосборах с плоской поверхностью, где представительность выпуклых и вогнутых форм приближается к 0, «морфологическая энтропия» достигает максимума. По мере усложнения морфологии рельефа возрастает доля элементарных форм, представленных выпуклыми или вогнутыми поверхностями. По признаку схожести пропорций в распределении элементарных форм поверхности произведена типизация водосборов. Выделенные типы в целом подчиняются компактной территориальной группировке, что доказывает неслучайность пространственной структуры первичных элементов рельефа и их сочетаний в водосборах.

Гидрологическая интерпретация местной кривизны земной поверхности расширена за счет построения карты участков транзита, аккумуляции и диссипации (рассеяния) вещества в процессе переноса поверхностными и приповерхностными потоками. Процессы локальной аккумуляции и диссипации имеют в целом дисперсное распределение, причем в равнинной части преобладает транзит вещества. Участки с выраженным развитием аккумуляции тяготеют к тальвегам. Относительная суммарная площадь участков транзита в водосборах колеблется от 100 до 82%, достигая максимальных величин на территориях с небольшими уклонами поверхности и наименьших - в горных водосборах с разнообразной морфологией.

Морфология поверхности водосборов исследована посредством деления земной поверхности на морфологически однородные ингредиенты, что определяется А.Н. Ласточкиным как элементаризация. Нами использован метод идентификации морфологических элементов, заключающийся в установлении взаимного положения центральной ячейки по отношению к ее соседям (Peucker, Douglas, 1974; Evans, 1979). Распознавание первичных морфологических элементов выполняется для окна размером 3x3 ячейки. В результате выделены морфологические элементы: всесторонне вогнутый или впадина (pit), килевая линия или тальвег (channel), вогнутый перегиб (concave break), седловина (pass), выпуклый перегиб (convex break), гребневая линия или водораздел (ridge), всесторонне выпуклый или пик (peak).

Из выделенных морфологических элементов в бассейне р.Кубани по занимаемой площади преобладают седловинообразные формы (23,1%), за которыми следуют гребневые линии (22,3%) и тальвеги (21,5%). Сопутствующую роль играют выпуклые и вогнутые склоны, повсеместно «обрамляющие» гребневые и килевые линии. Наибольшую общую площадь (29,8%) в бассейне р. Кубани занимают именно склоны, образованные из морфологических элементов вогнутый и выпуклый перегибы. Весьма незначительна доля площади «точечных» форм - пиков (1,5%) и впадин (1,8%).

На низменных водосборах площади, занятые линейными морфологическими элементами, наибольшие (табл. 6). Так, на морфоэлементы, представленные килевыми и гребневыми линиями, в низовьях Кубани приходится соответственно 2826% и 29-26% площади водосборов. В высокогорных бассейнах (Уллукам, Учку-лан, Теберда, Даут) их доля равна соответственно 15-16% и 14-17%. Особенно велики в водосборах вариации морфологических элементов, приходящихся на вогнутые и выпуклые перегибы склонов - от 1% до 25% и выше. В низменных бассейнах эти элементы наименее представительны в виду невыраженности поверхностей склонов, в то время как в горных водосборах достигают 30-39% (вогнутые склоны) и 26-29% (выпуклые склоны) общей площади.

Таблица 6 - Суммарные площади (в % к общей площади водосбора) морфологических элементов в некоторых водосборах бассейна р. Кубани

ш* Водосборы Морфологические элементы

рк с!1аппе1 сопсауе Ьгеак раБв сопуех Ьгеак пс^е реак

2 Адагум 1,2 20,8 15,2 27,0 13,8 21,0 1,0

4 Абин 1,1 22,3 19,1 18,4 15,9 22,2 1,0

6 Афипс 0,9 21,7 21,4 17,0 16,5 21,7 0,9

10 Псекупс 0,9 21,8 20,9 16,6 16,8 22,2 0,8

15 Пшеха 0,4 18,8 23,6 15,2 21,9 19,7 0,4

16 Курджипс 0,3 18,5 22,4 17,0 22,1 19,4 0,3

17 Белая 0,9 19,7 21,3 16,3 20,4 20,7 0,8

20 Фарс 0,9 19,8 13,7 26,6 16,5 21,5 0,9

22 Чамлык 1,2 21,5 8,6 35,2 9,4 23,0 1,1

27 Малая Лаба 0,1 17,3 30,7 8,5 25,9 17,3 0,2

28 Большая Лаба 0,1 17,1 30,7 9,2 25,5 17,1 0,2

34 Теберда 0,1 15,7 36,0 5,4 27,7 15,0 0,1

37 Учкулан 0,1 15,5 39,3 4,6 26,7 13,7 0,1

38 Уллукам 0,0 15,1 38,2 4,8 27,5 14,2 0,1

* Номера водосборов даны по рис. 2

Элементаризация земной поверхности в бассейне, выполненная по предложенной методике, показала, что, несмотря дискретное моделирование на пределе разрешения ЦМР, парциальные элементы закономерно образуют в пространстве рельефа некие морфологически однородные структуры более высокого порядка. Поэтому процедура элементаризации в этом смысле оправдывает свое предназначение - установление пространственных связей между простейшими элементами.

В этой же главе выполнены расчеты фрактальной размерности О земной поверхности. Величины £> рассчитывались как а) интегральные значения для водосборов и б) континуальная характеристика поверхности всего бассейна р. Кубани. Установлено, что фрактальная размерность поверхности частных водосборов изменяется от 2,01 до 2,20. Хорошо выражена закономерность уменьшения О в водосборах, представленных аккумулятивными аллювиальными равнинами. Поверхность низменных плоских водосборов (Закубанские плавни, Нижняя Кубань) и современной дельты Кубани имеет фрактальную размерность (2,02...2,04), близкую к топологической. В горных бассейнах фрактальная размерность, как правило, превышает 2,13. Однако принадлежность к высокогорью недостаточна для априорного заключения о характере масштабной инвариантности исследуемой поверхности.

Как континуальный показатель фрактальная размерность поверхности в бассейне р. Кубани варьирует от 2,00 (плоская элементарная поверхность) до 2,78 (рис. 4). Отчетливо видны ключевые закономерности пространственных изменений £>: на равнинных территориях диапазон фрактальной размерности невысок - повсеместно она близка к своему нижнему топологическому пределу 2, а на участках с горным рельефом размах фрактальной размерности достигает максимума.

Рисунок 4 - Фрактальная размерность земной поверхности в горной части бассейна р. Кубани (район Лагонакского нагорья)

Полученные сведения о фрактальной размерности поверхности свидетельствует об информативности £> с позиции морфодинамического анализа и субстанциональной интерпретации.

Глава 5. Морфология микрорельефа

Полноценное описание морфологической структуры земной поверхности, необходимое для последующей интерпретации разномасштабных географических феноменов, предполагает исследование рельефа с разным пространственным разрешением. В главе анализируются производные высокоточной ЦМР (разрешение 1 м), которые позволяют изучать морфологические свойства земной поверхности, отвечающие масштабу микрорельефа. На примере экспериментального полигона реализована методика структурного анализа рельефа, предусматривающая построение его высокоточной модели, расчета и картографирования комплекса мор-фометрических показателей.

В первом разделе главы характеризуются исходные данные, параметры лазерного сканирования и экспериментальный участок съемки. В качестве района исследований выбраны верховья р. Пшехи, примыкающие к склонам массивов Пше-ха-Су и Фишт. При выборе участка руководствовались его геоморфологической и ландшафтной репрезентативностью. Площадь полигона равна 7,61 км2, диапазон

абсолютных высот 1053-2153 м. Массив данных представлен 80 млн. точек лазерного сканирования, а также цифровыми аэрофотоснимками высокого разрешения.

Во втором разделе рассмотрены основные морфометрические показатели рельефа. В результате реклассификации с использованием слоев крутизны и фрактальной размерности поверхности на полигоне выделены 4 типа поверхности, соответствующие определенным склоновым процессам: 1) склоны обвально-осыпного сноса (созданы разрывными дислокациями) общей площадью 0,39 км2, 2) склоны обвально-осыпного накопления площадью 1,60 км2, 3) оползневые склоны площадью 0,32 км2, 4) эрозионно-денудационные склоны суммарной площадью 5,30 км2. Приведем карты крутизны склонов и фрактальной размерности поверхности, послужившие критериями ее дискретизации (рис. 5).

Рисунок 5 - Крутизна склонов (а) и фрактальная размерность (б) поверхности как критерии формального выделения однородных участков при реклассификации. Описание склоновых процессов выделенных участков дается в тексте

Установлено, что разным типам склонов свойственны существенно различающиеся величины крутизны, что свидетельствует об оправданности включения этой переменной в качестве критерия дискретизации горной поверхности. Наибольший средний уклон отмечается у склонов обвально-осыпного сноса (44,8°), наименьший - у склонов обвально-насыпного накопления (19,5°). Наиболее представительные эрозионно-денудационные склоны имеют среднюю крутизну, близкую к средним величинам для всего экспериментального полигона. Горизонтальные поверхности имеют пренебрежимо малую площадь.

Эксперименты моделирования сети тальвегов в условиях микрорельефа показали следующее. При заданном разрешении ЦМР созданная модель сети имеет

10 порядков, причем густота элементов низших порядков (1-4), отнесенные к артефактам, при фактически сложной морфологии поверхности ограничивается только пространственным разрешением модели. С учетом тальвегов 5-10 порядков горизонтальная расчлененность микрорельефа #1.5-10 варьирует в диапазоне значений 073 км/км2, приобретая реалистичные черты. Увеличение горизонтальной расчлененности рельефа с ростом порядков тальвегов подчиняется экспоненциальному закону.

Пространственная структура и амплитуда значений горизонтальной расчлененности для сетки учетных квадратов 100x100 м и 200*200 м практически идентичны. Налицо неоднородность распределения /45-10, определяемая преобладающими склоновыми процессами. Эксперимент с изменением шага учетной сетки (100 и 200 м) показал и сопоставимость расчетов интенсивности горизонтального расчленения рельефа по основным статистическим показателям. Средние величины М.5-Ю в обоих случаях оказались равны 29 км/км2, среднее квадратическое отклонение уменьшается с увеличением шага сетки.

Распределение статистических показателей густоты горизонтального расчленения зависимо от склонов разных типов и заметно отличается от статистик, полученных для всего участка. Наименьшая средняя горизонтальная расчлененность (24 км/км2) свойственна поверхностям наиболее крутых склонов - обвально-осыпного сноса, наибольшая (31-34 км/км2) - склонам обвально-осыпного накопления и оползневым склонам.

Третий раздел посвящен анализу кривизны земной поверхности и морфологическим элементам экспериментального полигона.

Амплитуда плановой кривизны внутри рассматриваемой территории составляет -0,91... 1,30 (табл. 7), что отражает микромасштабную неоднородность кЪ. Стандартное отклонение, показывающее рассеяние величин плановой кривизны, равно 0,07, однако существенно различно на разных типах склонов. Максимум изменчивости к!г (<т=0,18) отмечается на крутых склонах обвально-осыпного сноса (участок 1), минимум (о=0,04) - на склонах обвально-осыпного накопления (участок 2).

Таблица 7 - Статистические показатели распределения плановой кривизны кИ *

Участок Статистические показатели

Мт Мах Меап а £ Е ОиагШе I Мес! ОиагШе 3

0 -0,91 1,30 0,00 0,07 0,75 31 -0,03 0,00 0,03

1 -0,91 1,30 0,004 0,18 1,1 12,3 -0,07 -0,009 0,07

2 -0,32 0,37 0,000 0,04 0,1 9,7 -0,02 0,000 0,02

3 -0,25 0,27 0,000 0,07 0,0 4,6 -0,04 0,001 0,03

4 -0,55 0,80 0,001 0,07 -0,4 12,9 -0,03 0,002 0,03

♦Обозначение показателей см. в табл. 4. Здесь и далее весь полигон обозначен цифрой 0, а нумерация выделенных в его границах участков дана согласно рис. 5.

Величина коэффициента асимметрии 5 варьирует от -0,4 до 1,1. Наибольшая асимметрия в частотном распределении свойственна поверхности склонов обвально-осыпного сноса. Левосторонняя (положительная) асимметрия означает преобладание вогнутых форм с отрицательной плановой кривизной, явно выраженное на участке 1. Здесь особенно значим концентрирующий тип поверхностных потоков, усиливающий линейную эрозию. На поверхности с преобладанием денудационных процессов (участок 4) коэффициент асимметрии отрицательный. Это означает некоторое преобладание выпуклых микроформ рельефа с большими значениями плановой кривизны и с характерным для таких микроформ рассеивающим типом по-

верхностных потоков. На денудационных склонах процессы плоскостной эрозии имеют большее развитие, чем процессы линейной эрозии, что отражается в морфо-метрических показателях.

С усложнением морфологии поверхности растет вариабельность абсолютных значений профильной кривизны, а вместе с ними и размах Ь>. Максимум пространственной изменчивости Ь?, значительно превышающей аналогичный показатель на других участках, отмечен на участке 1 с обвально-осыпными склонами. Своего экстремального размаха Ь> достигает там же, в то время как другие типы склонов имеют относительно скромный диапазон значений км около -1,47...0,52. Исключение составляют денудационные склоны, где наблюдается абсолютный максимум ку (4,24).

Результаты выделения элементарных геометрических форм на поверхности экспериментального полигона по сочетанию плановой и профильной кривизн показали следующее. На изучаемом полигоне доминируют всесторонне выпуклые и всесторонне вогнутые формы микрорельефа. Схожие пропорции элементарных геометрических форм отмечаются на трех рассматриваемых типах склонов: об-вально-осыпного накопления, оползневых и денудационных склонах. Иначе дело обстоит со склонами обвально-осыпного сноса. Крутые склоны обвально-осыпного сноса отличает гораздо более высокая представительность прямолинейных форм с £у=0. Здесь выпуклые в плане и прямолинейные в профиле формы занимают 16,1% площади поверхности по сравнению с 1,1% для всего полигона. Таким формам свойственны процессы дивергенции. Увеличение доли этих форм связано с сокращением площади вогнутых по профилю и выпуклых в плане форм.

Следующий шаг в морфологическом анализе микрорельефа и оценки его структуры - построение карты морфологических элементов или «элементарных ячеек» поверхности. При построении карты (рис. 6) и количественной оценки распределения морфологических элементов (табл. 8) реализованы приемы, описанные в главе 4. Морфологические элементы поверхности образуют сопряженные линейные структуры, подчиненные распределению инвариантов рельефа. Наличие по-разному ориентированных линейных структур усиливает анизотропию рельефа.

Рисунок 6 - Распределение морфологических элементов на поверхности полигона

Специфические черты в морфологии микрорельефа разных склонов обнаружены путем сравнения со средними показателями для экспериментального полигона в целом. Вогнутый и выпуклый перегибы поверхности, а также седловинообраз-ные элементы являются самыми заметными морфологическими «ячейками» земной поверхности с суммарной площадью 79,1%. Почти вся оставшаяся площадь приходится на гребневые линии и тальвеги (20,8%). Пики и впадины занимают очень скромную территорию. Но на разных типах склонов обнаруживается неодинаковое представительство рассматриваемых морфологических элементов.

Таблица 8 - Распределение морфологических элементов*

Типы морфологических элементов

Участок сопса\е сопуех

рИ сЬапле1 Ьгеак раэБ Ьгеак п<1$е реак

0 0,004 0.78 1,89 2,12 2,01 0.81 0,004

0,05 10,2 24,9 27,8 26,4 10,6 0,06

1 0,000 0.031 0,142 0,064 0,124 0,031 0.000

0,0003 7,9 36,3 16,3 31,6 8,0 0,02

0.001 0,134 0,322 0,693 0,317 0,136 0,001

0,05 8,3 20,1 43,2 19,8 8,5 0,05

3 0,000 0,036 0,085 0,078 0.089 0,038 0,000

0,04 10,9 26,1 24,0 27,3 11,6 0,05

0,002 0,525 1,333 1.484 1.410 0,541 0,003

0,05 9,9 25,2 28,0 26,6 10,2 0,05

"Единицы измерения площади - км (числитель) и % (знаменатель)

В заключение анализа морфологии микрорельефа выполнены расчеты его анизотропии, априори присущей распределению морфометрических переменных в условиях горного рельефа. Предлагаемый способ оценки показателей анизотропии основан на построении семивариограмм при расчетах площадной автокорреляции. В качестве исследуемого поля нами выбрана кривизна земной поверхности. Как выяснилось, анизотропия в параметрах радиуса корреляции и направления (азимута) проявляет себя неодинаково не только в зависимости от типов склонов, но и от вида кривизны. Фактор анизотропии в поле профильной кривизны колеблется от 1 (денудационные склоны) до 1,61 (склоны обвально-осыпного накопления). При разрешении модели рельефа 1 м в поле переменной профильной кривизны радиус пространственной корреляции изменяется в пределах 3,6...5,9 м. Для плановой кривизны фактор анизотропии изменяется от 1 до 1,52. При этом направление усиления корреляции на всем пространстве данных участков в целом сохраняется.

Заключение

Главный итог проведенных исследований - разностороннее и разноуровневое описание морфологической структуры земной поверхности в бассейне р. Кубани, составляющими которого стали: определение и реализация приемов расчета морфометрических характеристик, выделение и фиксация морфологических элементов и форм на соответствующих картах, установление их пространственных соотношений, статистический анализ распределения морфометрических переменных,

выделенных элементов и форм. Выполненное исследование является первым региональным опытом комплексных морфометрических расчетов с применением технологии цифрового моделирования в среде ГИС. Наиболее значимы в научно-методическом смысле следующие результаты:

1. Проведен гипсометрический анализ поверхности бассейна р. Кубани, включающий построение и типизацию частных гипсографических кривых, оценку статистических параметров распределения высот и их содержательную интерпретацию.

2. По результатам создания моделей структурных линий земной поверхности установлены региональные эмпирические связи между порядком тальвегов и их длиной и соотношение водотоков разного порядка; выделены водоразделы и частные водосборы, рассчитана фрактальная размерность элементов эрозионной сети.

3. Для бассейна р. Кубани построены карты основных морфометрических характеристик (угол наклона, экспозиция поверхности, горизонтальная и вертикальная расчлененность, плановая и профильная кривизна поверхности, морфоизо-графы), на основе которых выполнены эксперименты с переменным разрешением ЦМР и анализ особенностей территориального распределения с оценкой статистик.

5. По данным лазерного сканирования построена высокоточная ЦМР экспериментального горного полигона (площадь 7,61 км2, диапазон высот 1053-2153 м) и выполнен анализа морфологии земной поверхности, что соответствует низшему иерархическому уровню рассмотрения рельефа. Получены сведения о морфологических свойствах микрорельефа в виде карт морфометрических показателей и морфологических элементов, их статистических оценок. С помощью процедуры реклассификации растровых моделей фрактальной размерности и крутизны поверхности осуществлено районирование (элементаризация) территории на морфологически однородные участки и установлена связь между локальными склоновыми процессами и статистиками морфометрических переменных.

6. В результате исследования кривизны земной поверхности получила эмпирическое подтверждение анизотропия микрорельефа. Установлено, что количественное выражение анизотропии (радиус корреляции в пространстве переменной) зависит от выбранных морфометрических показателей и характера склоновых процессов.

Проведенные морфологические исследования расширяют возможности последующих генетических, исторических, геодинамических и прочих истолкований. Для нас особенно важной является дальнейшая реализация сведений о морфологии

земной поверхности как системообразующем факторе при раскрытии многоуровневой структуры геополей и «каркаса» ландшафтов.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Думит Ж.А. К вопросу об ошибках цифрового моделирования рельефа (морфо-метрический аспект) // Сб. науч. тр. «Географические исследования Краснодарского края», вып. 2. Краснодар, 2007, с. 49-53.

2. Погорелов A.B., Думит Ж.А. Морфометрия рельефа бассейна реки Кубани: некоторые результаты цифрового моделирования // Сб. науч. тр. «Географические исследования Краснодарского края». Вып. 2. Краснодар: Кубан. гос. ун-т, 2007, с. 7-23.

3. Думит Ж. А. Использование спутниковых снимков для построения морфомет-рических карт рельефа (по данным бассейна р.Кубани) // Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий: Материалы XX межреспубликанской научно-практической конференции. - Краснодар: Кубанский госуниверситет, 2007, с. 91-92.

4. Doumit J.A. Analyse morphologique du terrain de soulagement montagneux a l'aide des technologies de SIG // Al-Topographe, № 12, Ordre des GEO-TOPOGRAPHES Libanais, Sept 2007, p.73-75.

5. Погорелов A.B., Думит Ж.А. Выделение и классификация дискретных морфологических элементов по данным цифровой модели рельефа // Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий: Материалы XXI межреспубликанской научно-практической конференции. - Краснодар: Кубанский госуниверситет, 2008, с. 107-109.

6. Погорелов A.B., Думит Ж.А. Гипсометрический анализ поверхности бассейна р. Кубани // Сб. науч. тр. «Географические исследования Краснодарского края». Вып. 3. Краснодар: Кубан. гос. ун-т, 2008, с. 7-23.

7. Думит Ж.А., Погорелов A.B. О кривизне земной поверхности в бассейне р. Кубани // Географические исследования Краснодарского края // Сб. науч. тр. «Географические исследования Краснодарского края». Вып. 3. Краснодар: Кубан. гос. ун-т, 2008, с. 36-44.

8. Погорелов A.B., Думит Ж.А., Куркина Е.В. О расчете некоторых морфометри-ческих показателей земной поверхности в бассейне р. Кубани по данным спутниковых снимков // Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета, 2008, №4 (17), с. 10-16.

9. Думит Ж.А. Использование цифровых моделей рельефа: прикладной аспект // Вестник Краснодарского регионального отделения Русского географического общества, Краснодар, вып. 5, 2008, с. 178-183.

Ю.Антипцева Ю.О., Думит Ж.А. Морфометрический анализ рельефа с использованием ГИС-технологий при оценке рекреационного потенциала Лагонакского нагорья (Северо-Западный Кавказ). Геоморфология, 2009, №1, с. 45-50.

11. Pogorelov A.V., Doumit J.A Quantitative terrain analysis of curvature parameters from digital elevation models // Al-Topographe, № 13, Ordre des GEO-TOPOGRAPHES Libanais, 2009, p.70-73.

12. Doumit J.A. Method of watershed delineation using GIS technologies // Al-Topographe, № 13, Ordre des GEO-TOPOGRAPHES Libanais, 2009, p.63-66.

Статьи № 8 и JO опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

ДУМИТ ЖАН АЛЬБЕРТ

ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ РЕЛЬЕФА БАССЕЙНА Р. КУБАНИ НА ОСНОВЕ ЦИФРОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Подписано в печать 16.03.2009. Формат 60x84 1/16. Бумага тип. № 1. Тираж 100 экз. Заказ № 629от 1703.09

Кубанский государственный университет 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149

350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, Центр "Универсервис", тел. 21-99-551

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Думит Жан Альберт

Введение.

1. Информационно-методическая база исследования.

1.1. Понятийно-терминологический аппарат исследования.

1.2. Изученность бассейна р. Кубани.

1.3.Исходные данные исследования.

1.4.Программное обеспечение.

1.5.Геоинформационные методы в практике морфометрического анализаЗ

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.1 Кубани.

3.1. Гипсометрический анализ.

3.2. Угол наклона поверхности.

3.3. Экспозиция склонов.

3.4. Горизонтальная и вертикальная расчлененность.

3.5. Кривизна земной поверхности.99*

4. Морфометрия частных водосборов.

4.1. Гипсометрия.

4.2. Анализ 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 Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование морфологической структуры рельефа бассейна р. Кубани на основе цифрового моделирования"

Обоснование и актуальность исследования. Многообразные морфо-метрические 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 определенную территориальную организацию. В проекциях разноуровневых структур рельефа земной поверхности прослеживается и полиструктурный рисунок ландшафт тов.

Уровень познания морфологических свойств земной поверхности и картографическая изученность 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 элементарных 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, очевидной 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 организации 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 преодолению хаотического начала в модельных представлениях рельефа.

- 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 пространственное распределение показателей кривизны земной поверхности с последующей дискретизацией поверхности - выделением структурных элементов в виде морфологически однообразных неделимых частей рельефа;

- 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.

Shuttle Radar Topographic Mission), произведенной с борта американского челнока «Shuttle», а для микромасштабного уровня — материалы воздушного лазерного сканирования. Для исследуемой территории разрешение семигло-бальной ЦМР SRTM равно 3 арксекунды или примерно 64x90 м соответственно по долготе и широте, что отвечает уровню 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 собственно 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. Ша-рый 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 «geomorphometry» (геомор-фометрия), «quantitative morphology» (количественная 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. Уфимцев, Ю.Г. Симонов, И.Н. Степанов, 6

П.А. Шарый и др.) и зарубежной (R.E Horton, J. Krcho, Т.К. Peucker, D.H. Douglas, L.W. Zevenbergen, C. R. Thorne, I.S. Evans, R. Dikau, Li Z.L., I.D. Moor, C.M. 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 специализированные 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 снижает трудоемкость исследований. Преобразование технических форматов выполнялось в программе Global Mapper (США).

- 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 структурных линий земной поверхности, карт морфометрических показателей (угол наклона поверхности, экспозиция склонов; горизонтальная и вертикальная расчлененность, кривизна земной поверхности, 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;

- описание морфологии микрорельефа экспериментального участка посредством 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 разрешения 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.

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 дифферен9 циацшо компонентов ландшафтной среды. Полученные сведения о морфологии поверхности частных водосборов способствуют 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 практические региональные изыскания в широком спектре наук о Земле, включая геологию и тектонику.

Работа выполнена на основе личных исследований автора в 2005-2008 гг., а также данных, собранных в результате творческого сотрудничества с ЗАО «ИнжГеоГИС» и ООО «ИнжГео» (Краснодар). По материалам диссертации опубликовано 12 работ. Основные 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 «Научный 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.

Заключение Диссертация по теме "Геоморфология и эволюционная география", Думит Жан Альберт

Заключение

Главным итогом проведенных исследований стало разностороннее и разноуровневое описание морфологической структуры земной поверхности в бассейне р. Кубани, составляющими которого стали: определение и реализация приемов расчета морфометрических характеристик, выделение и фиксация морфологических элементов и форм на соответствующих картах, установление их пространственных соотношений, статистический анализ распределения морфометрических переменных, выделенных элементов и форм. Выполненное исследование является первым региональным опытом комплексных морфометрических расчетов с применением технологии цифрового моделирования в среде ГИС. Наиболее значимы в научно-методическом смысле следующие результаты:

2. По результатам создания моделей структурных линий земной поверхности установлены региональные эмпирические связи между порядком тальвегов и их длиной (индекс структуры длин) и соотношение водотоков разного порядка (индекс структуры бифуркации); выделены водоразделы и частные водосборы, рассчитана фрактальная размерность элементов эрозионной сети.

3. Для бассейна р. Кубани построены карты основных морфометрических характеристик (угол наклона, экспозиция поверхности, горизонтальная и вертикальная расчлененность, плановая и профильная кривизна поверхности, морфоизографы), на основе которых выполнены эксперименты с переменным разрешением цифровых моделей и анализ особенностей территориального распределения с оценкой статистик.

4. В соответствии с бассейновым подходом, в котором частный водосбор служит операционной территориальной единицей, рассчитаны гипсометрические и морфометрические характеристики водосборов. Полученные сведения о характере распределения элементов эрозионной сети, кривизны поверхности, элементарных геометрических форм, морфологических элементов, фрактальной размерности поверхности позволяют судить о морфологической структуре рельефа водосборов как территориальных образованиях с полузамкнутым вещественным обменом. Одновременно посредством осреднения морфометрических характеристик раскрыта внутрибассейновая морфологическая структура земной поверхности, элементом дискретизации которой выступает водосбор.

5. Благодаря инновационным технологиям лазерного сканирования открылись широкие возможности анализа морфологии земной поверхности на микроуровне (микрорельеф), реализованные в настоящем исследовании. Подобный анализ соответствует низшему иерархическому уровню рассмотрения рельефа. По ЦМР экспериментального горного полигона (площадь 7,61 км2, диапазон высот 1053-2153 м) получены данные о морфологических свойствах микрорельефа в виде карт морфометрических показателей и морфологических элементов, их статистических оценок. С помощью процедуры реклассификации растровых моделей фрактальной размерности и крутизны поверхности осуществлено районирование (элементаризация) территории на морфологически однородные участки и установлена связь между локальными склоновыми процессами и статистиками морфометрических переменных.

6. По данным исследования кривизны земной поверхности на микроуровне получила эмпирическое подтверждение анизотропия микрорельефа. Установлено, что количественное выражение анизотропии (радиус корреляции в пространстве переменной) зависит от выбранных морфометрических показателей и характера склоновых процессов.

Известно, что морфологические исследования служат исходным этапом в познании рельефа, расширяя возможности последующих генетических, ис

206 торических, геодинамических и прочих истолкований. Для нас особенно важной является дальнейшая реализация сведений о морфологии земной поверхности как системообразующем факторе при раскрытии многоуровневой структуры геополей и «каркаса» ландшафтов.

Основные научные результаты опубликованы в следующих работах: В рекомендованных ВАК журналах:

1. Погорелов А.В., Думит Ж.А., Куркина Е.В. О расчете некоторых морфометрических показателей земной поверхности в бассейне р. Кубани по данным спутниковых снимков // Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета, 2008, (17), с. 10-16.

2. Антипцева Ю.О., Думит Ж.А. Морфометрический анализ рельефа с использованием ГИС-технологий при оценке рекреационого потенциала Лагонакского нагорья (Северо-Западный Кавказ) // Геоморфология, 2009, №1,с. 45-50'.

Кроме того, по теме диссертации опубликованы работы:

1. Думит Ж.А. К вопросу об ошибках цифрового моделирования рельефа (морфометрический аспект) // Сб. науч. тр. «Географические исследования Краснодарского края», вып. 2. Краснодар, 2007. С. 49-53.

2. Погорелов А.В., Думит Ж.А. Морфометрия рельефа бассейна реки Кубани: некоторые результаты цифрового моделирования // Сб. науч. тр. «Географические исследования Краснодарского края», вып. 2. Краснодар, 2007. С. 7-23.

3. Думит Ж. А. Использование спутниковых снимков для построения морфометрических карт рельефа (по данным бассейна р.Кубани) // Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий: Материалы XX межреспубликанской научно-практической конференции. - Краснодар: Кубанский госуниверситет, 2007. С.91-92.

4. Doumit J.A. Analyse morphologique du terrain de soulagement montagneux a 1'aide des technologies de SIG // Al-Topographe, № 12, Ordre des GEO-TOPOGRAPHES Libanais, 2007, p.73-75.

6. Погорелов А.В., Думит Ж.А. Гипсометрический анализ поверхности бассейна р. Кубани // Географические исследования Краснодарского края: сб. научн. тр. Вып. 3. Краснодар: Кубан. гос. ун-т, 2008, с. 7-23.

7. Думит Ж.А., Погорелов А.В. О кривизне земной поверхности в бассейне р. Кубани // Географические исследования Краснодарского края: сб. научн. тр. Вып. 3. Краснодар: Кубан. гос. ун-т, 2008, с. 36-44.

8. Думит Ж.А. Использование цифровых моделей рельефа: прикладной аспект // Вестник Краснодарского регионального отделения Русского географического общества, Краснодар, вып. 5, 2008, с. 178-183.

9. Pogorelov А.V., Doumit J.A Quantitative terrain analysis of curvature parameters from digital elevation models// Al-Topographe, № 13, Ordre des GEO-TOPOGRAPHES Libanais, 2009, p.70-73.

10. Doumit J.A. Method of watershed delineation using GIS technologies// Al-Topographe, № 13, Ordre des GEO-TOPOGRAPHES Libanais, 2009, p.63-66.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Думит Жан Альберт, Краснодар

1. Антипов А.Н., Корытный JI.M. Географические асикты гидрологических исследований. Новосибирск: Наука, 1981, 175 с.

2. Апостолов Л.Я. Географический очерк Кубанской области // Сб. материалов для описания местности и племен Кавказа. Вып. 23, Тифлис, 1897, с. 1-305.

3. Баранов Ю.Б., Берлянт A.M., Капралов Е.Г., Кошкарев А.В., Серапинас Б.Б., Филиппов Ю.А. Геоинформатика. Толковый словарь основных терминов. М., ГИС-Ассоциация, 1999, 204 с.

4. Борисов В.И. Реки Кубани. Краснодар, Книж. Изд., 1978, 79 с.

5. Борисов В.И., Капитонов Е.И. Река Кубань. Краснодар, Книж. Изд., 1954, 75 с.

6. Берлянт A.M. Картографический словарь. М.: Научный мир, 2005, 424 с.

7. Берлянт A.M., Мусин О.Р., Собчук Т.В. Картографическая генерализация и теория фракталов. М., 1998, 136 с.

8. Бойко Е.С., Погорелов А.В. Оперативная оценка снегонакопления по данным воздушного лазерного сканирования // Геопрофи, №1, 2008, с. 48-50.

9. Водные ресурсы. Природные и производительные силыСеверного Кавказа / Отв. ред. А.М. Никаноров. Ростов н/Д, Изд. РГУ, 1981, 248 с.

10. Волков В.В., Кудинова Т.М. Построение достоверных геоморфологических карт стереофотограмметрическим методом / Информация и космос, №4, 2004, с. 32-36.

11. И. Гвоздецкий Н.А. Основные проблемы физической географии. М: Высшая школа, 1979, 222 с.

12. Гвоздецкий Н.А. Физическая география Кавказа. Вып. 1. М.: Изд. МГУ, 1954, 208 с.

13. Географические исследования Сибири. Т. 4. Полисистемное тематическое картографирование / Под ред. А.К. Черкашина. — Новосибирск, Академическое изд-во «Гео», 2007, 418 с.

14. География, общество, окружающая среда. Том УП: Картография, геоинформатика и аэрокосмическое зондировании / Под ред. проф. A.M. Берлянта и проф. Ю.Ф. Книжникова. М., «Издательский дом «Городец», 2004, 624 с.

15. Геоморфология: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Под. ред. А.Н. Ласточкина и Д.В. Лопатина. М.: Издательский центр «Академия», 2005, 528 с.

16. Геообработка в ArcGIS. Перевод ДАТА+. ESRI, 2004, 358 с.

17. Геоэкологическое моделирование для целей управления природопользованием в условиях изменений природной среды и климата / Под ред. П.М. Хомякова. М.: Эдиториал УРСС, 2002, 400 с.

18. Герсеванов М.Н. Очерк гидрографии Кавказского края. Спб.: Типография Мин. путей сообщения, 1886, 119 с.

19. Думитрашко Н.В. Кавказ. В кн.: Геоморфология СССР: Горные страны европейской части СССР и Кавказ. М., 1974.

20. Ефремов Ю.В., Ильичев Ю.Г., Панов В.Д. Морфометрия и морфология основных хребтов Большого Кавказа // Геоморфология гор и равнин: взаимосвязи и взаимодействие. Краснодар, 1998, с. 357-359.

21. Ефремов Ю.В., Ильичев Ю.Г., Панов В.Д., Панова С.В., Погорелов А.В., Шереметьев В.М. Хребты Большого Кавказа и их влияние на климат. Краснодар, Просвещение-Юг, 2001, 144 с.

22. Ефремов Ю.В., Чередниченко Л.И. Современное рельефообразование в бассейне р. Кубань. Краснодар, 1998, 111 с.

23. Ефремов Ю.К. Опыт морфографической классификации элементов и простых форм рельефа//Вопросы географии, №11, 1949, с. 47-64.

24. Зотов С.И. Бассейново-ландшафтная концепция природопользования // Изв. РАН. Сер. геогр. №6, 1992, с. 55-65.

25. Коломыц Э.Г. Полиморфизм ландшафтно-зональных систем. Пущино, 1998,312 с.

26. Корытный Л.М. О возможностях использования закономерностей строения речных долин в прогнозах стока / Информационная основа прогноза природных процессов. Новосибирск: Наука, 1980, с. 101-106.

27. Костенко Н.П. Геоморфология. М.: МГУ, 1985, 309 с.

28. Кошкарев А.В. Цифровое моделирование рельефа / В кн. Морфология рельефа. -М., Научный мир, 2004, с. 103-122.

29. Крауклис А.А. Проблемы экспериментального ландшафтоведения. — Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 1979, 233 с.

30. Курбатова Л.С., Тимофеев Д.А. К познанию морфологической структуры рельефа: опыт картометрического анализа данных о расчлененности рельефа // Геоморфология, №3, 1996, с. 62-71.

31. Лазаревич И.К. Гипсометрическая карта как частная геоморфологическая карта / Геоморфология, №2, 1991.

32. Ласточкин А.Н. Основные составляющие морфологических исследований в геоморфологических и смежных науках / В кн. Морфология рельефа. М., Научный мир, 2004, с. 24-46.33,34,35.36,37,38,39,40,41,42.

Информация о работе

Думит Жан Альберт
кандидата географических наук
Краснодар, 2009
ВАК 25.00.25

Диссертация

Исследование морфологической структуры рельефа бассейна р. Кубани на основе цифрового моделирования - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы