Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Компьютерное картографирование для решения задач морфометрического анализа рельефа земной поверхности

ВАК РФ 25.00.33, Картография

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Прасолов, Сергей Вячеславович

МОРФОМЕТРИЧЕСКОГО КАРТОГРАФИРОВАНИЯ.

§3.1. Исследование особенностей и точности методов построения ЦМР.

§ 3.2. Производные морфометрические карты.

§ 3.3. Статистическая обработка данных, полученных по ЦМР.

§ 3.4. Возможности применения методики для решения прикладных задач.

§ 3.4.1. Картографическое обеспечение решения геоэкологических задач морфометрическими методами.

§ 3.4.2. Анализ рельефа как фактора ландшафтной дифференциации.

§ 3.4.3. Анализ рельефа в ходе системного картографирования территории Щелковского ПХГ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Компьютерное картографирование для решения задач морфометрического анализа рельефа земной поверхности"

Актуальность темы диссертации. Изучение морфологии и морфометрии рельефа снова становится одной из главных задач ряда современных географических наук. Это связано с тем, что такие характеристики рельефа, как распределение по территории абсолютных высот, относительных превышений, уклонов, вертикальная и горизонтальная расчлененность, а также некоторые другие, являются объектом специальных фундаментальных исследований. Кроме того, эти свойства рельефа земли обычно учитываются при подготовке территории для строительства различных инженерных сооружений (жилых и промышленных зданий, железных и шоссейных дорог, системы канализации и водоснабжения и многих других). Они также используются для решения задач создания защиты от неблагоприятных и опасных явлений, при создании проектов мелиорации, защиты земель от почвенной эрозии, при оценке миграции токсичных веществ и многих других проектов.

Получение этих характеристик всегда было связано с большими трудозатратами. Картография, как наука, всегда или, по крайней мере, достаточно давно активно участвует в обеспечении решения морфометрических задач, разрабатывая приемы картометрии, предлагая различного рода количественные показатели рельефа, применяемые при создании новых типов карт.

Существует множество различных методик и подходов, разработанных для решения локальных морфометрических задач, т.е. задач, решаемых для конкретной территории. До настоящего времени недостаточно обобщен этот опыт и не выработана оптимальная логическая схема решения морфометрических задач как отдельного класса вне конкретной территориальной привязки с применением средств автоматизации.

При морфометрическом анализе рельефа, как правило, приходится иметь дело с многочисленными числовыми данными - результатами измерений различных характеристик рельефа, причем объем измерений возрастает в геометрической прогрессии по мере увеличения территориального охвата или подробности.

Проблема сопряжения всего информационного объема может быть решена при использовании геоинформационных технологий, которые дают возможность свести все материалы в единую систему, и обладают большой наглядностью. Но при этом возникают новые задачи собственно картографического характера, которые также требуют решения. Прежде всего, необходимо оценить современное состояние этой области картографии, точнее определить цели и задачи морфометрического картографирования, наметить пути рационального использования новых технологий и разработать методику их использования. Этим и определяется актуальность данного исследования.

Цель исследования состоит в разработке и практической реализации оптимальной методики компьютерного морфометрического анализа рельефа для решения научных и практических задач.

В соответствии с целью исследования в работе поставлены следующие основные задачи:

• проанализировать и обобщить опыт геоинформационного картографирования в целях решения морфометрических задач, изучить возможности использования и совмещения различных программных средств;

• выявить особенности постановки морфометрических задач, разработать классификацию и определить алгоритмы их решения;

• разработать методику создания и содержание серий компьютерных морфометрических карт на основе современных геоинформационных технологий;

• апробировать разработанную методику на примере создания серии карт для участка Алтайского горного массива;

• исследовать возможности применения разработанной методики для решения различных прикладных задач.

Методика исследования. Исследование опиралось на достижения в области геоинформационного картографирования С.Н. Сербенюка, A.M. Берлянта, Б.А. Новаковского, B.C. Тикунова, А. В. Кошкарева, И.К. Лурье, О.Р. Мусина и других, а также на научно-методологические принципы и идеи морфометрического картографирования, заложенные Н.М. Волковым, Ю.Г. Симоновым, A.M. Берлянтом, А.И. Спиридоновым, A.C. Девдариани, Р.Х. Пириевым и др. В основу работы положены личные исследования автора в период с 1995 по 2001 гг., материалы, полученные в лаборатории цифровой картографии и фотограмметрии кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, а также многочисленные публикации по исследуемой проблеме. Все картографические изображения созданы на основе методов и приемов геоинформационного картографирования.

Научная новизна исследований. В результате проведенных работ на основе обобщения опубликованных и авторских материалов впервые:

• разработана методика компьютерного морфометрического картографирования рельефа; обоснованы последовательность и содержание этапов, состав, содержание и методы составления серии карт;

• проведена классификация задач морфометрических исследований с позиции их автоматизации, предложены схемы их решения;

• проведен сравнительный анализ статистических исследований морфометрических характеристик территории в зависимости от способа ее районирования;

• составлена серия компьютерных морфометрических карт на участки территории Алтайского и Хибинского горных массивов и района Щелковского подземного хранилища газа.

Практическая ценность исследований. На основе разработанной методики компьютерного морфометрического картографирования рельефа земной поверхности автоматизированным путем впервые получен ряд производных карт рельефа, например, комплексная карта уклонов и экспозиций, базисных поверхностей и толщин дренируемого слоя водотоками различных порядков, бассейновой структуры территории и др. Методика позволяет решать задачи морфометрического анализа абстрактного рельефа, весьма полезных при комплексных геоэкологических исследованиях. Это подтверждается результатами, полученными при оценке воздействия на окружающую среду Щелковского подземного хранилища газа, исследованиями ландшафтной дифференциации Хибин, а также экологическими исследованиями для составления карты ограничения сбора полезных дикорастущих растений в Хибинах.

Все практические результаты исследований нашли применение в курсах: «Использование ЭВМ в геоморфологии» для студентов - геоморфологов, «Цифровая картография» и «Цифровая фотограмметрия» для студентов -картографов и геоинформатиков; «Аэрокосмические методы в географических исследованиях» для студентов - географов и геоэкологов, обучающихся на географических факультетах (МГУ, ЧФ МГУ и др.).

Предварительные результаты проведенных работ легли в основу проекта «Теоретическое и экспериментальное обоснование создания-использования цифровых моделей рельефа реальных и абстрактных геополей на основе геоинформационных технологий», поддержанного фондом РФФИ (грант № 0005-64547, 2000-2002 гг.). Опубликовано учебное пособие (в соавторстве) «Цифровая картография: цифровые модели и электронные карты». - М.: изд-во МГУ, 2000.- 116 с.

Результаты проведенных исследований могут быть полезны органам управления и специалистам, занимающимся комплексными исследованиями территорий, обоснованием и проведением проектных и строительных работ, организацией сетей мониторинга, а также специалистам, работающим в смежных областях науки и практической деятельности; студентам, аспирантам и молодым ученым, интересующимся применением морфометрических методов для решения различных прикладных задач.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы. Работа содержит: 150 страниц машинописного текста, 105 иллюстраций, в том числе 43 цветные компьютерные карты, 4 таблицы. Библиография включает 104 наименования.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Прасолов, Сергей Вячеславович, Москва

1. Анисимов В.И. Основы морфометрического анализа рельефа. - Грозный, 1987,91 с.

2. Базы данных: достижения и перспективы на пороге столетия. Под ред. Ави Зильбершаца. - http://osp.ru/dbms/1996/03/source/103.html

3. Берлянт А. М. Географические информационные системы в науках о Земле // Соросовский образовательный журнал, 1999, № 5 (42), с. 66-73.

4. Берлянт A.M. Картографический метод исследований. М.: Изд-во МГУ, 1978,254 с.

5. Берлянт A.M. Морфометрические исследования рельефа в СССР: состояние, проблемы, перспективы. // Геоморфология, N 2, 1984, с. 15.

6. Берлянт А. М. Геоиконика. М.: «Астрея», 1996. - 206 с.

7. Берлянт A.M., Кошкарев A.B., Тикунов B.C. Картография и геоинформатика // Итоги науки и техники. Картография. Т. 14. М.: ВИНИТИ, 1991, с. 38-51

8. Беручашвили Н.Л., Жучкова В.К. Методы комплексных физико-географических исследований. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1997.

9. Богачкин Б.М. История тектонического развития Горного Алтая в кайнозое. М.: Наука, 1981. - 132 с.

10. Борсук O.A., Спасская И.И. Математические методы в геоморфологии. В сб.: "Теория и общие вопросы географии", т.1 (Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР)". М., 1974, с. 65-153.

11. Вахтин В. Опыт определения математических характеристик рельефа ЦЧО.//Геодезист, 1931, N11-12.

12. Волков Н.М. Принципы и методы картометрии. М.: изд-во АН СССР, 1950.

13. Воскресенский С.С. Геоморфология СССР. М.: Высшая школа, 1968. -327 с.

14. Геворкян Ф.С. О комплексных морфометрических показателях для характеристики эрозионного расчленения в горных районах // Геоморфология, 1972, №3, с. 44-48

15. Граур А.В. Математическая картография. Л.: ЛГУ, 1956.

16. Гуревич Б.Л., Саушкин Ю.Г. Математический метод в географии // Вестник Моск. ун-та, сер. География, 1966, № 1

17. Девдариани А.С. Математические методы. Итоги науки. Геоморфология, вып. 1, Изд. ВИНИТИ АН СССР, 1966.

18. Девдариани А.С. Математический анализ в геоморфологии. М.: Недра, 1967.

19. Жуков В.Т., Новаковский Б.А., Чумаченко А.Н. Компьютерное геоэкологическое картографирование. М.: Научный мир, 1999. - 128 с.

20. Звонкова Т.Г. Прикладная геоморфология. М.: Высшая школа, 1970. 272 с.

21. Исаченко А.Г. Физико-географическое картирование. Л., 1960.

22. Коновалова Н. В., Капралов Е. Г. Введение в ГИС. Петрозаводск: Изд-во ПГУ, 1995,- 148 с.

23. Кошкарев А. В., КаракинВ.П. Региональные геоинформационные системы. М.: Наука, 1987. - 128 с.

24. Кошкарев А. В., ТикуновВ.С. Геоинформатика. М.: Изд-во Картгеоцентр-Геодезиздат, 1993 -216 с.

25. Краткий обзор основных ГИС на российском рынке. -http://www.gis.cctpu.edu.ru/koi/obzor.htm

26. Кружалин В.И. Эколого-геоморфологический анализ территории // Вестник МГУ, 1997, № 4, с. 11-15

27. Кузьмин Е.С., Зайцев О.В., Кузьмина Е.В. Комплекс программ для проведения статистических расчетов Statistic 2.1 -http://globus.smolensk.ru/user/sgma/iournal/6-7.htm

28. Ладыжинский Г.М. Системы управления базами данных коротко о главном. - http://osp.rU/courses/index.html#dbms

29. Ландшафты Московской области и их современное состояние / Под ред. И.И. Мамай. Смоленск: Изд-во СГУ, 1997.

30. Леонтьев В.А., Мартыненко А.И. Система электронных карт: научные основы, методы и технология // Геодезия и картография, 1996, № 7, с. 48-51

31. Леонтьев O.K., Рычагов Г.И. Общая геоморфология. М.: Высш.школа, 1979,287с.

32. Лурье И. К. Геоинформатика. Учебные геоинформационные системы: учебн.-метод, пособие. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1997. - 115 с.

33. Лурье И.К. Основы геоинформационного картографирования: учебное пособие. М.: изд-во Моск. ун-та, 2000. - 143 с.

34. Мартыненко А.И. Автоматизация в создании и применении карт. В сб. «Картография: Итоги науки и техники». - М., 1988. - т. 13. - 172 с.

35. Мусин O.P., Новаковский Б.А., Сербенюк С.Н. Фотограмметрические принципы сочетания дистанционного зондирования и трехмерного карторграфирования // Вестник МГУ, сер. 5. География, 1986, № 6, с. 56-64

36. Мусин О. Р., Сербенюк С. Н. Цифровые модели "рельефа" континуальных и дискретных географических полей // Банки географических данных для тематического картографирования (под ред. К. А. Салищева) М.: Изд-во МГУ, 1987.-с. 156-170.

37. Мягков С.М. Аккумулятивные лавинные формы рельефа в Хибинах и пути их использования для определения границ лавиноопасных зон. В книге «Снег и лавины Хибин», 1967.

38. Николаевская Е.М. Картографические работы в полевых географических исследованиях природы. М., 1964.

39. Новаковский Б.А., Труфанов А.А., Прасолов C.B., Соколова А.И. Геоэкология и геоинформатика : цифровые модели и компьютерные карты // Тез. докл. научн. конф. «Актуальные проблемы геоэкологии и геоинформатики», Москва, 30-31 января 1996, с. 15-17

40. Новаковский Б.А., Прасолова А.И., Прасолов C.B. Цифровая картография: цифровые модели и электронные карты. М.: изд-во МГУ, 2000. - 116 с.

41. Новаковский Б. А., Труфанов А. А., Прасолов С. В., Прасолова А. И. Цифровые и электронные геоэкологические карты: получение и использование // Геоинформатика, январь-февраль 1997а, с. 33-41.

42. Новаковский Б.А. Цифровые карты // Земля и Вселенная, 1993, № 1, с. 107-109

43. Новаковский Б.А. Фотограмметрия и дистанционные методы изучения Земли: картографо-фотограмметрическое моделирование: Учеб. Пособие. М.: изд. Моск. ун-та, 1997. - 208 с.

44. Новаковский Б. А., Сыроватская М. В., Тульская Н. И. Использование компьютерных технологий в экологическом картографировании // Геоинформатика, 19976, № 2, с. 36-41.

45. Околов В.Ф. Роль радиационного баланса и турбулентного обмена в процессе снеготаяния в Хибинских горах. В книге «Снег и лавины Хибин», 1967.

46. Петров К. М. Общая экология: взаимодействие общества и природы. Учебное пособие для вузов. СПб.: Химия, 1997. - 352 с.

47. Пириев Р.Х., Ахлиманов P.M. О картографо-математическом анализе типологической структуры ландшафтов. Изв. АН СССР. Сер. наук о Земле, 1978, №6.

48. Пириев Р.Х. Методы морфометрического анализа рельефа. АН Аз. ССР, Ин-т географии. Баку: Элм, 1986. - 117с.

49. Природные условия Хибинского учебного полигона: Учебное пособие по практикам студентов-географов в Хибинах/ Под ред. С.М.Мягкова. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986.

50. Руководство по выбору ГИС. http://sgu.ssu.runnet.ru/gis/win/surg.html

51. Рынок программных средств. -http://infoart.irkutsk.ru/it/press/swm/1595/latest.htm

52. РябцеваК.М. Физико-географический очерк Хибинских тундр: Методическое руководство к проведению полевой практики. М„ 1969.

53. Садовничий В. А., Мусин О. Р., Новаковский Б. А. Моделирование поверхности Фобоса. В кн.: Избранные вопросы математики, механики и их приложений. М.: Изд-во МГУ, 1999, с. 411-437.

54. Салищев К.А. Картоведение. М.: Изд-во МГУ, 1976, 437 с.

55. Салищев К.А. Картоведение, 2-е изд. М.: изд-во МГУ, 1982. - 408 с.

56. СербенюкС.Н. Картография и геоинформатика их взаимодействие. -М.: Изд-во МГУ, 1990,- 153 с.

57. Сербенюк С. Н., Кошель С. М., Мусин О. Р. Методы моделирования геополей по данным в нерегулярно расположенных точках // Геодезия и картография, 1990 год, №11, с. 31-35.

58. Симонов Ю.Г. Географическое соседство и методы его измерения // Вестник МГУ, сер. География, 1970, № 4.

59. Симонов Ю.Г. Проблемы регионального географического прогноза: Состояние, теория и методы. М.: Наука, 1982, 264 с.

60. Симонов Ю.Г. Морфометрический анализ (методическое пособие для слушателей ФПК). М.: Изд-во МГУ, 1985, 30с.

61. Симонов Ю.Г. Морфометрический анализ рельефа. Москва-Смоленск : Изд-во СГУ, 1998, 272 с.

62. Симонов Ю. Г. Объяснительная морфометрия рельефа. М.: ГЕОС, 1999. -263 с.

63. Симонов Ю.Г., Кружалин В.И., Симонова Т.Ю. Геоинформационное обеспечение эколого-геоморфологического картографирования // Тез. докл.конф. «Актуальные проблемы геоэкологии и геоинформатики», 30-31 янв. 1996 г. М.: Изд-во МГУ, с. 14-15

64. Симонов Ю. Г., Кошель С. М., Кружалин В. И., Новаковский Б. А., Прасолов С. В. Использование ГИС-технологий и цифровых моделей рельефа при решении геоэкологических задач // Экология и промышленность России, апрель 1998, с. 41-45.

65. Соболевский П.К. Современная горная геометрия. // "Соц. Реконструкция и наука", 1932, N7, с. 42-78

66. Спиридонов А.И. Геоморфологическое картографирование. М.: Недра, 1975.

67. Справочник по картографии // БерлянтА. М., ГедыминА. В., Кельнер Ю. Г. и др. М.: Недра, 1988.

68. Тикунов B.C. Географические информационные системы в картографии // Экологическое картографирование на современном этапе. Кн.1. Л., 1991. - с. 14-17

69. Трофимов В.Т., Жуков В.Т. Оперативное компьютерное картографирование // Тезисы докл. науч. конф. "Актуальные проблемы геоэкологии и геоинформатики" 30-31 янв. 1996, с. 3-4

70. Трофимов А. М. ПанасюкМ. В. Геоинформационные системы и проблемы управления окружающей средой. Казань : Изд-во Казанского ун-та, 1984.- 142 с.

71. Труфанов A.A., Новаковский Б.А., Савельев А.Ф., Прасолов C.B., Прасолова А.И. Экологическое состояние Ногинского района Московской области // Экология и промышленность России, декабрь 1996, с. 28-32

72. Ульянов В.А. Основные этапы развития малых долин северо-западного Алтая и расселение человека (на примере бассейна р. Ануй) // Диссерт. на соиск. учен. степ. канд. геогр. наук. -М., 1999. -218 с.

73. Философов В.П. Краткое руководство по морфометрическому методу поисков тектонических структур. Саратов: Изд.Саратов.ун-та, 1960, 94с.

74. Флоринский И.В. Международный опыт использования цифровых моделей рельефа при автоматизированном анализе данных дистанционного зондирования// Геодезия и картография, 1995, № 12.

75. Фридланд Аллан Дж. S-Plus инструмент анализа данных -http://www.osp.ru/cw/1997/30/apps/01.htm

76. Худяков Г.П., Знаменщиков Г.И. Карта и картограмма показателя интенсивности эрозионных процессов. Вопросы картографии, Новосибирск, 1963.

77. Ченцов В.Н. Морфометрические показатели на геоморфологической карте мелкого масштаба. М.: Тр. ин-та географии АН СССР, 1948, вып. 39, с. 291-306.

78. Черванев И.Г. Структурный анализ рельефа: Автореферат дис. на соискание учен, степени докт.геогр.наук. Харьков, 1978, 32 с.

79. Чичагов В.П., Девдариани A.C. Морфометрия в работах А.Болига (Франция) и А.Стралера (США). // Вопр.геогр., вып.63, 1963, с. 153-158.

80. Шайтура С. В. Геоинформационные системы и методы их создания. -Калуга: издательство Н. Бочкаревой, 1998. 252 с.

81. Щукин И.С. Общая геоморфология. М.: Изд-во МГУ, 1960, 615 с.

82. Якименко Э.Л. Построение карты интенсивности эрозионного расчленения с целью изучения характера проявления новейших движений. В кн. «Структурно-геоморфологические исследования в Сибири», вып. 1. -Новосибирск: Наука, 1970.-е. 105-110

83. Якименко Э.Л. Морфометрия рельефа и геология, Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1990, 201 с.

84. Ackermann F. Automatic generation of digital elevation models, 16 pp. presented at OEEPE Commision B, DTM Accuracy Meeting, Southampton, 1993

85. Band L. E. Topographic partition of watersheds with digital elevation models. Water Resources Research, 1986, 22(1), pp. 15-24

86. Carter J. The effect of data precision on the calculation of slope and aspect using gridded DEMs, Cartographies 1992, 29 (1), pp.22-34

87. Chang K. and Tsai, B. The effect of DEM resolution on slope and aspect mapping, Cartography and Geographic Information Systems, 1991, 18, pp.69-77

88. Dikau R. The application of a digital relief model to landform analysis in geomorphology. in Three dimensional applications in GIS, Raper, J. ed., Taylor and Francis, London, 1991, pp.51-77

89. Evans I.S. An integrated system of terrain analysis and slope mapping. Final report on grant DA-ERO-591-73-G0040, University of Durham, England, 1979

90. Geomorphology Lab at the university of Iowa. -http://www.geomorphology.uiowa.edu/

91. Hakanson L. The length of closed geomorphic lines, Mathematical Geology, 1978, 10, pp.141-167

92. Kidner D.B., Jones C.B., Knight D.G. and Smith D.H. Digital terrain models for radio path profiles. Proceedings of the 4th International Symposium on Spatial Data Handling, Zurich, 1990, pp.240

93. Li Z. Theoretical models of the accuracy of digital terrain models: An evaluation and some observations, Photogrammetric Record 14 (82), 1993, pp.651-659

94. Moore I.D., Grayson R.B. and Ladson A.R Digital terrain modelling: A review of hydrological, geomorphological and biological applications, Hydrological Processes 5. 1991, pp.3-30

95. Morris D.G. and Flavin R.W. A digital terrain model for hydrology, 4th International Sysmposium on Spatial Data Handling, Zurich, 1984, pp.250-262

96. Slaymaker H.O. (ed) Morphometric analysis of maps, British Geomorphological Research Group, Occasional Paper, 1968, pp.31-40

97. Tarboton, D. G., (1997), "A New Method for the Determination of Flow Directions and Contributing Areas in Grid Digital Elevation Models," Water Resources Research, 33(2): 309-319.

98. Tarboton, D. G. and U. Shankar, (1998), "The Identification and Mapping of Flow Networks from Digital Elevation Data," Invited Presentation at AGU Fall Meeting, San Francisco, December 6 to 10

99. Wood J. and Fisher P. Assessing interpolation accuracy in elevation models, IEEE Computer Graphics and Applications, 13 (2), 1993, pp.48-56

100. Wood J. The geomorphological characterisation of Digital Elevation Models. http://www.geog.le.ac.uk/jwo/research/demchar/thesis150