Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Моделирование ландшафтных комплексов горно-таежных территорий Прибайкалья

ВАК РФ 25.00.23, Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации по теме "Моделирование ландшафтных комплексов горно-таежных территорий Прибайкалья"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГЕОГРАФИИ

На правах рукописи

¥

ИСТОМИНА ЕЛЕНА АЛЕКСАНДРОВНА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛАНДШАФТНЫХ КОМПЛЕКСОВ ГОРНО-ТАЕЖНЫХ ТЕРРИТОРИЙ ПРИБАЙКАЛЬЯ

25.00.23 - физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов ^

П

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Иркутск - 2005

Работа выполнена в Институте географии Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель доктор географических наук

Черкашин Александр Константинович

Официальные оппоненты доктор географических наук, профессор

Семенов Юрий Михайлович

доктор биологических наук, профессор Моложников Владимир Николаевич

Ведущая организация Московский государственный университет

Защита состоится 15 июня 2005 г. в 15 ч. на заседании диссертационного совета Д-003.010.01 при Институте географии СО РАН по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 1, тел/fax. (3952) 42-27-17, e-mail: postman@irigs.irk.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института географии СО РАН

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим отправлять по указанному адресу ученому секретарю совета

Автореферат разослан «23» апреля 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат географических наук V___Рыжов Ю.В.

^ ' ^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Исследуя пространственные объекты-территории с разных позиций, география ставит перед собой цель - синтез разнокачественных знаний в целостное представление о территории, формирование системы знаний о географических комплексах. Комплексирование географических данных и знаний в информационный комплекс - это процесс моделирования природного комплекса разными методами, поэтому проблема моделирования геокомплексов является ведущей в ряду географических исследований.

Актуальность темы определяется необходимостью формализации основных понятий комплексного направления географической науки, разработки моделей и методов комплексирования - формирования целостного, единого образа географического объекта на основе данных и знаний о его частных свойствах. Решение этой задачи необходимо для объективизации ландшафтного картографирования путем использования географически обоснованных математических и дистанционных методов, а также геоинформационных технологий.

Основная цель работы - создать количественные модели ландшафтных структур как сложных систем и на их основе разработать методы автоматизированного дешифрирования ландшафтных выделов по космическим снимкам.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1) сформировать структурные и количественные модели ландшафтных комплексов как сложных систем;

2) разработать и реализовать методы количественного анализа космических снимков для выделения границ и определения типологической принадлежности ландшафтных комплексов разных иерархических уровней на различных снимках и территориях;

3) построить модели ландшафтных комплексов топологического уровня и на их основе создать ландшафтно-типологическую карту ключевого участка.

Объекты исследований - ландшафты Центрально-Хамар-Дабанского гор-но-таежно-гольцового, Олхинско-Иркутного горно-таежного темнохвойно-светлохвойного, Приморского среднегорно-таежного, Еланцинского холмисто-низкогорного подтаежно-остепненного и Усть-Селенгинского болотно-равнинного топорайонов (Михеев, 1990).

Исходными материалами послужили разносезонные космические снимки различного пространственного и спектрального разрешения, электронная топографическая основа и цифровая модель рельефа М 1:200000, карта «Ландшафты Юга Восточной Сибири» М 1:1500000, тематические карты различного содержания и литературные источники. Собраны натурные данные в ходе маршрутных исследований гольцовых, подгольцовых и горно-таежных темнохвой-ных ландшафтов бассейна р. Бабха (хр. Хамар-Дабан, июль 1999 г.), маршрутных и трансектных исследований горно-таежных темнохвойных ландшафтов Олхинского плато (июль 1999 г., август 2000 г.), маршрутных исследований подтаежных светлохвойных и лугово-болотных ландшафтов дельты р. Селенги (июль 2001 г.), маршрутных и трансектных исследований горно-таежных светлохвойных и горно-степных ландшафтр^д^^на^падо^Марта (Приморский хре-

|з ®*вЛ ИОГЕКА I

бет, июль 2002 г.), маршрутных и площадных исследований горно-таежных тем-нохвойных ландшафтов бассейна р. Урунтин (Приморский хребет, февраль-март 2003 г.).

Методы исследования. В ходе работы использованы методы комплексных физико-географических полевых исследований, статистического и математического анализа, геоинформационного моделирования и картографирования, автоматизированного дешифрирования космических снимков.

Теоретической основой работы послужили учение о географических комплексах ведущих ландшафтоведов Л.С.Берга, Н.А.Солнцева, А.Г.Исаченко, ДЛ.Арманда, А.Д.Арманда, Э.Неефа, принципы теории сложных систем-комплексов А.К.Черкашина.

Научная новизна:

- ландшафтные комплексы моделируются как структуры функционального подобия (соответствия, информационной связи) разнокачественных частей и характеристик географических объектов;

- впервые с использованием многозональной космической информации математически доказано существование функционального подобия различных функционально однородных участков (выделов фаций и их обобщений), т.е. наличие зависимости, переводящей элементы одного ландшафтного выдела в элементы другого;

- предложена новая модель ландшафтного комплекса в виде конгруэнции -сложной функции, которая позволяет сравнивать (сопоставлять) структуры и функции связи компонентов;

- впервые используется пространственный автокорреляционный анализ для выделения локальных конгруэнтных связей разноудаленных географических объектов и фиксации нарушения этих связей в виде границ ландшафтных комплексов;

- показано, что ранговые распределения элементов геоизображений ландшафтов Центрально-Хамар-Дабанского горно-таежно-гольцового топорайона относятся к одной конгруэнции, т.е. образуют единый структурно-функциональный комплекс с разными индексами среды, которые зависят от положения ландшафтов в структуре классификации геосистем Юга Восточной Сибири;

- для Олхинско-Иркутного горно-таежного темнохвойно-светлохвойного топорайона установлена конгруэнтная связь яркостных характеристик снимков и показателей состояния биогеоценозов разных стадий восстановления горной тайги, указывающая на подобие функциональных свойств природных комплексов и космических снимков.

Практическое значение и внедрение.

Исследования выполнялись по научным темам Института географии СО РАН, в рамках проектов РФФИ № 99-05-64075, № 01-05-06227мас, № 02-0565054, ROLL 116GR3/ISC-98, ГЭФ I010008-S3, Интеграционного проекта СО РАН №67-2000, договор-контракта с Администрацией Иркутской области.

Полученные результаты переданы для практического использования в информационно-аналитический комитет администрации Иркутской области, Мэрию Слюдянского района Иркутской области, Иркутский региональный Центр

геоинформационных технологий.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты исследования обсуждались на XIV и XV конференциях молодых географов Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 2001,2003); XI научном совещании географов Сибири и Дальнего Востока «География Азиатской России на рубеже веков» (Иркутск, 2000); VI международной конференции «Математические модели и информационные технологии» (Краснодар, 2001); научной конференции «Дистанционные исследования и картографирование структуры и динамики геосистем» (Иркутск, 2002); международной конференции «ИнтерКарто 6: ГИС для устойчивого развития территорий» (Апатиты, 2000); международной конференции «ИнтерКартов: ГИС для устойчивого развития территорий» (Хельсинки, Санкт-Петербург, 2002); международной конференции «Интеркарто 9: ГИС для устойчивого развития территории» (Новороссийск, Севастополь, 2003); всероссийской конференции «Математические и информационные технологии в энергетике, экономике, экологии» (Иркутск, 2003); всероссийской конференции «Дистанционное зондирование поверхности Земли и атмосферы» (Иркутск, 2003); всероссийской научно-методической конференции «Моделирование географических систем» (Иркутск, 2004).

Автором опубликовано 30 научных работ, из них 15 по теме диссертации.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она имеет общий объем 150 страниц, содержит 42 рисунка, 9 таблиц. Список используемой литературы включает 138 источников.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Однородные ландшафтные выделы, в границах которых связь компонентов представлена одной функциональной зависимостью, изменяющейся на границе выдела, функционально подобны, что указывает на существование однотипных для разных выделов связей компонентов ландшафтных комплексов, по-разному отображающихся в различных каналах космических снимков.

Модели ландшафтных комплексов строятся в рамках понятий и аксиом теории сложных систем (Черкашин, 1997), соответствующей комплексному подходу в географии, исследующему законы синтеза разнокачественных частей в единый территориальный объект.

Основные понятия описания ландшафтных комплексов - элементы, композиции, отображения и конфигурации.

Под частью ландшафтного комплекса (далееА",) понимается любая (/-я) композиций (набор) разнокачественных элементов ландшафтной сферы Земли: компонент ландшафта или сочетание компонентов, выдел фации, их комбинация и т.д. Связь различных частей комплекса рассматривается как отношение сравнения (функциональная связь) и задается отображением ^ X, -> X1 компози-

' Термин заимствован у ЭН«фа(1974)

ций - их функциональным подобием. Сравнение двух композиций Х,,Х1 - это новая композиция AXt/ =XjlX, (из множества АХ), которая показывает насколько отличается J-я композиция от /-й. Множество всех возможных отображений Ft¡ объединяется в F, а множество всех композиций X, - в X.

Формируется эталон подобия 1 — [0,1] - метризованное, линейно упорядоченное, непрерывное, ограниченное сверху и снизу множество точек (значений). Взаимно однозначное соответствие композиций, связей, сравнений и эталонов обозначается отношением (<-»), например, X <-> / означает, что любая композиция из множества X однозначно соответствует определенному значению из отрезка [0,1] (имеет значение из /): Х(1) = Х, - конкретная композиция из X с индексом /=/. Конфигураций - система подобия нескольких композиций (система функциональных связей частей ландшафтного целого): X, Х] Xt. Конфигурации также принадлежат множеству X и допускают сравнения. Через конфигурации раскрывается иерархия комплексов.

На основе этих понятий формулируются аксиомы теории сложных систем-комплексов (Черкашин, 1997; 2005), суть которых заключается в сравнении различных композиций и функций их взаимосвязи с эталоном порядка и друг с другом:

\)X<*I-,2)F<*¡-,2)&XIJ <-> Fy.

Из аксиом следует, что 1) любые композиции и конфигурации взаимосвязаны (имеет место всеобщая связь); 2) всякой композиции соответствует свойственная функция F.ol,, которая задает структуру X,. В итоге все композиции, их функции и значения образуют универсальную систему подобия:

ЛГ0 -> -». х„

II II

ЛЛ"0 -»/иг, АХ, ->■ -АХ„

II II. (1)

F0 F¡ F, ~Fn

II II

Ряды в (1) ограничены значениями снизу /с =0 и сверху /„ =1. Из (1) следует, что все композиции Х,еХ и функции F, е F линейно упорядочены и мет-ризуемы X, = Х(7), Fl = F(/,),7, e /, гре I,- индикатор-мера (индивидуальное значение, индекс) композиции X, и функции F,. Знание индексов конкретных композиций позволяет их идентифицировать. Существует непрерывное однопара-метрическое (по /;) преобразование композиции в композицию Jf(/;)

(структурное подобие, гомология) и функции в функцию (функ-

циональное подобие, гомотопия). Отсюда все структуры сложной системы гомологически и все ее функциональные связи гомотопически эквивалентны - от-

г Термин заимствован у Д Л Арманда (1983)

личаются только соответствующим этим структурам и связям значением индекса из отрезка [0,1] - гомолого-гомотопическим параметром.

Конфигурация - индуктивная система, т.е. информация передается от одной композиции к другой через функциональные (информационные) связи (отображения). Всякая реальная конфигурация является фрагментом универсальной конфигурации (верхний ряд из (1)), т.е. собрана из конкретного набора частей, например, как ландшафт собирается из композиций - выделов фаций или урочищ. Отсюда следует определение комплекса - это любая конфигурация, удовлетворяющая отношениям подобия (1), т.е. комплекс - это линейно упорядоченная, ограниченная, метризуемая, индуктивная, гомолого-гомотопическая система (Истомина, Черкашин, 2005).

Подобие двух к-й (Fhl. Хк, -v Хщ) и /-й (. Х„ -» Xtj) конфигураций и их связей задается диаграммой

Fit I Z Г* . (2)

Х> —-SL-*Xy

Модель (2) реализует принцип гомологического и гомотопического подобия разнокачественных частей и функций, лежащих в основе комплексообразования.

Проверка принципов, положенных в основу моделей ландшафтных комплексов, производится с использованием материалов наземных наблюдений и многозональных космических снимков. Каждый канал съемки синтезирует определенный набор свойств компонентов ландшафта, и при сравнении снимков сопоставляются интегральные образы этих компонентов, что позволяет косвенно судить о типах связи частей (свойств компонентов) ландшафтных комплексов.

В качестве критерия наличия функциональных связей (подобия) растровых космоснимков используется определитель Якоби, который рассчитывается для групп соседних элементов (пикселов) снимков разных каналов (Кейко, Черкашин, 2001). Определитель Якоби D= 0, если связь между яркостью пикселов различных каналов присутствует и D?О, если связи нет, и отличие D от нуля тем больше, чем связь незначительней. На снимке условие D*О показывает наличие границы или разного рода нарушений. Таким образом, выделяются функционально однородные ареалы, в границах которых связь элементов различных каналов (свойств компонентов ландшафтных выделов) присутствует, тем самым доказывается наличие конфигураций: есть функционально однородные ареалы, значит в природе существуют конфигурации.

С помощью определителя Якоби сравнивались снимки (IRS, фотокамера Liss3, разрешение 25 м) разных каналов на территорию пади Марта Еланцин-ского холмисто-низкогорного подтаежно-остепненного топорайона (рис. 1, а). Выделяются точки наличия связи (белые области на рис. 1, б), которые формируют функционально однородные (по этой связи) выделы (ФОВ) и точки отсутствия связи (черные области на рис. 1, б), принадлежащие границам ФОВ, где тип связи одного выдела переходит в тип связи другого выдела (Истомина,

2002). Проявление ФОВ доказывает существование конфигураций (комплексов) разных компонентов .V,—> Хр где Ги- функции связи между X, и Х1 в границах ФОВ.

Затем сравнивались снимки участков разных ландшафтов (рис. 1, а, г): они накладывались друг на друга и обрабатывались по критерию Якоби. Наличие бельгх областей на обработанном снимке (рис. 1, д) доказывает существование

Рис 1 Вычисление значений определителя Якоби для сравнения различных снимков (пояснения в 1ексте) а,г - исходные снимки (М 1 100 ООО, зеленый канал) - горно-таежно-степной участок западнее пади Марта и степной участок восточнее пади Март, б -сравнение снимков ра)личньгх каналов участка а, в - сравнение снимков участка а, смещенных на один пиксел, д -сгавнение снимков айв

связей частей разных комплексов Ры ■ Xк, хк (см. (2)). Следовательно, существуют отображения конфигураций (2), когда связи частей разных комплексов переходят друг в друга Гкц -> .

Все это означает, что существует некоторая неизвестная функция подобия, которая, с одной стороны, сохраняется, а с другой, - преобразуется от места к месту по неизвестному правилу, т.е. это одна (однотипная с точностью до эквивалентных преобразований) функция, которую необходимо найти.

2. Математическая модель ландшафтного комплекса представляет собой конгруэнцию - сложную функцию связей характеристик разнокачественных частей ландшафта.

Для выяснения конкретного вида функций У и связи композиций (выделов) разных ландшафтных комплексов по критерию Якоби обрабатывались космические снимки (Ресурс Ф2М, фотокамера МК 4, разрешение 6 м) на территорию

Рис 2 Порядок снятия протоколов яркости участков кос-моснимка

заповедника «Байкальский» (Центрально-Хамар-Дабанский горно-таежно-гольцовый топорайон) с определением однородных областей (биогеоценозов

/=1,2,..6), соответствующих разным высотным поясам (гольцовому, подгольцовому и горно-таежному). Внутри каждой функционально однородной области снимались протоколы яркостных характеристик снимка для квадратных участков размером 20x20 пикселов в порядке непрерывного обхода фрагментов изображения (рис. 2), что позволяет представить значения одной строкой (1-9, см. рис. 2) и сравнивать строки различных выделов.

Сравнение непрерывных по пространству рядов значений яркости различных выделов Х\ (/=[2;6]) с первым Х\ представляет собой неоднозначную («каракулевую») зависимость (рис. 3), аналитический вид которой определить невозможно. Однако 3-4 соседних точки обычно укладываются на одной прямой, т.е. существует локальная линейная Рис 3 Каракулевая зависимость протоколов яркостных пяпаметпов-

значений снимка выделов гольцовой №) и подгольцовой " ™ '

(Х2) областей бассейна р Аносовка, ~ + Ьы

О - центр конгруэнции

130 XI

135 140 145 150

Таблица 1

(3)

где А=[1;397] - номер группы точек, а / - номер выдела; аи,6„- ко-

1 к, Ьх Я

2 99,0 129,9 -0,998

3 36,9 129,5 -0,984

4 26,4 129,6 -0,986

5 90,7 128,8 -0,987

6 209,6 130,1 -0,999

600 .400

И

-5 -200 ^)

-400 -600 -800 -1000 ^

ак2

Рис 4 Зависимость коэффициентов функции (3) для /=2

Коэффициенты аш,Ьы зависимостей (3) для разных к оказались линейно взаимосвязаны (рис.4):

Ьи=-к,аи+к01, (4)

следовательно, линейные уравнения (3) изменяются не случайным образом, а образуют конгруэнции - пучки линий с центрами [к¡; АьЛ (табл. 1) вида:

(5)

Линии пучка отличаются лишь коэффициентом аи, который можно считать гомото-

---, пическим параметром, выделяющим из

ю множества линий пучка конкретную ли-1., нию. Значение аи определяется влиянием

множества локальных географических факторов, поэтому функция (5) является сложной, часто нелинейной функцией, и по смыслу соответствует отображениям Рц композиций разных ландшафтных комплексов (2). Таким образом, «каракулевая» 9

функция (рис. 3) преобразуется в сложную функцию - конгруэнцию, в которой все линии гомотопически эквивалентны (переходят друг в друга поворотом вокруг центра пучка - калибровки). Сложная функция (5) - это искомая функция, обеспечивающая подобие различных компонентов и выделов разных ландшафтов за счет совмещения центров конгруэнций. Количественный анализ наземных и космических данных должен проводиться в классе этих однотипных функций, которые «распутывают» сложные зависимости и позволяют доказать существование связности характеристик ландшафтных комплексов, что невозможно сделать в классе обычных аналитических функций.

Аналогичные сложные конгруэнтные функции получены при анализе связи Рц\ Х,-> Хр где Х„ Х] - яркостные значения элементов снимков двух разных каналов в границах одного ФОВ. Доказывается существование такой же связи для яркостных характеристик элементов снимка (МК4) и наземных характеристик биогеоценозов, расположенных на трансекте в районе пади Бол. Баранчик (Олхинско-Иркутный горно-таежный темнохвойно-светлохвойный топорайон). Территория относится к горно-таежным темнохвойным ландшафтам, представленных в коренном состоянии пихтово-кедровыми травяно-зеленомошными лесами. На трансекте длиной 3 км через 10 метров (300 точек) фиксировались различные показатели элементарных ландшафтных комплексов (количественные характеристики древостоя, подроста, подлеска, наземного покрова и почвы) и по снимку для каждой точки определялись показатели яркости разных каналов. Локальный анализ связей этих показателей проводился по описанной выше линейной схеме (формулы (3)-(5), где Хл - значение яркости пикселов в инфракрасном канале съемки, X/- наземные характеристики ландшафтных комплексов).

Коррелированность коэффициентов (4) локально-линейных связей высокая (табл.2), следовательно, связи между характеристиками космического снимка и свойствами биогеоценозов изучаемого трансекта достоверно описывается сложной функцией (5), и эти связи по критериям данной функции существуют.

Особый интерес вызывает сравнение снимков территории, различающихся (смещенных) только на один пиксел. Критерий Якоби в данном случае воспроизводит четкую сетку границ (рис. 1, в), что указывает на существование связей территориальных объектов через пространство (диамерная связь), которая изучается с помощью автокорреляционного анализа на основе уравнений (3), где Х0 - характеристики базовой линии элементов на снимке, Хо/ - характеристики линии элементов, удаленных на расстояние / от базовой линии (трансекта). Эти линейные зависимости для разных / образуют конгруэнцию, которая нарушается на границе между выделами (одна сложная функция переходит в другую). Нарушения фиксируются по величине значения ат, вычисленного из конгруэнтной зависимости для соседних линий элементов (/=1): аш = (Х0, -ка)/(Х0 -к). Для разных участков территории Приморского хребта выделены подобные ком-

Таблица 2

Коэффициенты корреляции и линейной регрессии зависимости (5)___

X, к. ко/ Я

показатель мощности почвенного профиля 55,4 25,0 0,95

показатель сомкнутости крон верхнего яруса 75,7 25,0 0,82

плексные связи, указывающие на существование сложной пространственной организации данного горно-таежного комплекса.

Таким образом, повыдельные функции представляют собой конгруэнцию - пучок функциональных связей, проходящих через общий центр и параметризуемых индивидуальным коэффициентом (индексом). Отсюда все характеристики и связи функционально однородного выдела и выдел в целом представляют собой комплекс - подобие характеристик и связей. Таким образом, обосновывается, что конгруэнция связей есть модель ландшафтного комплекса. Существует ясный критерий наличия конгруэнции (комплексности) линейных связей: коррелированность коэффициентов линейных функций.

Конгруэнция является обобщенной (комплексной) формой функциональной зависимости между характеристиками объектов ландшафтных исследований, позволяющая учитывать (в индексах) вариабельность условий среды. Наличие конгруэнции связи указывает на однотипность связей в том смысле, что все они относятся к одной сложной зависимости, и область их проявления - функционально однородный ареал (ландшафтный выдел). Использование класса сложных функций при количественном анализе и выделении ландшафтных комплексов на много расширяет арсенал средств доказательства существования функционального подобия между различными пространственно-временными рядами при географических исследованиях.

Комплексная связь передается от одного выдела к другому, от отношений одних свойств к отношениям других: меняется лишь размерность переменных и центр расположения пучка линий в факторном пространстве. Разные конгруэнции при совмещении центров оказываются эквивалентными, т.е. образуют новый более сложный комплекс: центры конгруэнций, например, лежат на прямой-директрисе. Наличие директрисы конгруэнций позволяют отнести ландшафты к одному гиперкомплексу, что позволяет моделировать иерархию ландшафтных комплексов.

3. Ранговые распределения элементов ландшафтных выделов являются частными моделями ландшафтных комплексов, структурно подобны друг другу и различаются по индивидуальным параметрам, на основе которых осуществляется типизация выделов и создание крупномасштабной ландшафтной карты.

Методы вычисления определителя Якоби и автокорреляционного анализа позволяют объективно сегментировать космическое геоизображение через выделение границ функционально-однородных ареалов. Это дает возможность далее исследовать внутренние структуры и функции ФОВ. Количественная теория сложных систем предлагает в качестве частных моделей ландшафтных комплексов рассматривать сравнения ранговых распределений3 элементов геоизображений (композиций X,) и соответствующих им территориальных образований.

Для проверки гипотезы на снимке (МК-4) выделялись контуры групп фаций с карты «Ландшафты Юга Восточной Сибири» (1977). Для каждого контура

' Распределение элементов системы в порядке убывания частоты их встречаемости

И

(г'-й группы фаций) средствами ГИС ArcView определялось распределение пикселов по значениям яркости [0,255] и строились ранговые распределения Р,(х) встречаемости пикселов (х - номер ранга). Для х<60 зависимости Р, (х) в полулогарифмическом масштабе ап-~4 ~ ' ~1 проксимировались линейным

2ГГ'"-.. 30 40 50 60 уравнением (рис.5): "4-51 to P,(x) = -klx + Cl (8),

• *2 гДе Л<0) = ехр(С,) - встречае-

S 5 ^.......' * 11 мость элемента первого ранга

......,<nWI«ix::s:::i:uit; ■ 123 (главного элемента). Коэффициенты к, и С, для разных групп фаций линейно зависимы: -б J ■ С, = 40.044, - 5.02,Л = 0.98. (9) ж Это означает, что уравнения (8) Рис 5 Зависимость логарифма встречаемости элемен- образуют конгруэнцию (см. рис. тов геоизображений (пикселов) от их рангового эначе- 5) с центром (40 04' -5 02) И ГО-ния в границах отображений выделов различных групп ' , фаций (2,11 и 123 - номера групп фаций соответствуют мсшогическим параметром к„ Т.е. карте «Ландшафты юга Восточной Сибири) на снимке ранговые распределения элементов геоизображений различных групп фаций непрерывным образом при изменении к, переходят друг в друга, выстраиваются в гомологический ряд, образуют гомологический комплекс.

Наблюдается линейная связь коэффициентов kt с порядковым номером п групп фаций в легенде карты «Ландшафты юга Восточной Сибири» (к,(и) = 0.0005л+0 0094,« = 0 86), отражающей уровни вертикальной структуры ландшафтов северного макросклона хр. Хамар-Дабан (от гольцовых к темно-хвойным горно-таежным ландшафтам). Так параметры ранговых распределений (гомологические коэффициенты) отражают закономерности формирования вертикальной поясности и могут использоваться для определения типологической принадлежности каждого выдела.

Этот вывод применен при автоматизированном крупномасштабном картографировании ландшафтов ключевого участка (падь Марта). С помощью предлагаемых методов выделения границ ФОВ на снимках, дополненных обработкой цифровых карт рельефа (определение крутизны и экспозиции склонов), территория дифференцировалась на однородные выделы. Для каждого ФОВ рассчитывалось ранговое распределение пикселов различной яркости по встречаемости и определялось яркостное значение первого (главного) элемента рангового распределения. Для анализа использовались два наиболее информативных и наименее коррелированных канала разных снимков (Landsat, красный канал и Liss, зеленый канал). Таким образом, каждый выдел соответствовал точке в ор-динационном пространстве яркостных значений главных элементов этих снимков (рис. 6). Размещение выделов в этом пространстве для каждого класса фаций ограничено сторонами треугольника. Группа коренных фаций (точка 1) тяготеет к центру треугольной области, серийные фации - к правому нижнему углу, мнимокоренные - к двум другим углам, что объясняется соответствием крайних

значений признаков (области 5, 7) серийным фациям, а коренным - близкие к центру области. На данной территории степень серийности геосистем в основном определяется влиянием литоморфного фактора, что приводит к разрежению растительного покрова и увеличению значений яркости на снимке, поэтому серийные фации располагаются в пространстве яркостных значений справа и вверху. Натурное определение принадлежности части выделов-ключей к разным фациям (см. рис.6, точки 1-7) позволило определить их положение в ординаци-онном пространстве (см. рис. 6, области 1-8) и обеспечить автоматическое распознавание по снимкам методом параллелепипедной классификации. Каждому выделу сопоставлен тип фации и построена ландшафтная карта ключевого участка на уровне фаций в масштабе 1:25000 (рис. 7).

При создании карты ГИС технологии позволили оптимально организовать полевые исследования, создавать пространственную базу данных, содержащую ра огородную информацию, характеризующую ландшафтные комплексы территории, и на ее основе сформировать и использовать алгоритмы автоматизированного выделения границ ландшафтных комплексов и их типизации.

Территория ключевого участка расположена на границе ареалов степного и таежного типов природной среды (Ландшафты..., 1977) и представлена на карте 31 фацией, относящимся к 4-м классам фаций 2-х типов природной среды (см. табл. 3). Фации первого класса приурочены к выпуклым формам рельефа и южным и юго-восточным склонам, получающим большое количество солнечной радиации, второго - к вогнутым формам рельефа, где дольше сохраняется

Рис 6 Распределение выделов субксеролитоморфных фа- снежный покров, третьего - К ХО-

ций в пространстве яркостных значений отдельных кана- рОШО увлажненным И ХОЛОДНЫМ

лов снимков Ьа!^ и и» точки 1-7 -номера фаций северным и северо-западным (соответствуют номерам втабл 2), а- область значений, г

б - все вылелы, области 1 -8 на графике - области СКЛОНЗМ И четвертого - К ЮГО-определения фаций (номера соответствуют номерам фаций ВОСТОЧНЫМ И ЮЖНЫМ склонам.

втабл 2> Легенда карты строится по

морфологическим и факторально-динамическим критериям, основанным на принципах организации инвариант-вариантных структур (Сочава, 1978, Краук-лис, 1979, Михеев, Ряшин, 1970; Черкашин, 2005). По степени серийности (воздействия видоизменяющих факторов) внутри каждого класса выделяются по 3 группы фаций - коренные, мнимокоренные и серийные.

яркостные значения снимка Ьапс18а1 (красный канал)

22

МИ 23

■1 15 | Ж 24

9 ■к * В Ш 25

« 1 10 17 | ЯН 21

ш» 11 мк 18 | Я 28

12 т 19 29

Ш1 13 Ш' 20 ПН 30

14 щи 21 31

2 километры !

Рис 7 Фра1 меш каргы <(Геокомтексы ключевого участка фации» 0 реки, 1-31 - номера фаций (соответствуют номерам в габл. 3)

Таблица 3.

Фации ключевого участка

Ыфацни пп Группа фаций Фация

Свита северных внетропических континентальных типов природной среды

Класс североазиатских континентальных типов природной среды

Аридная группа типов природной среды

Центральноазиатский степной тип природной среды

Класс горных западнозабайкальских даурского типа геомов

Группа горно-степных Прибайкальских геомов

Горный степной геом

Класс субксеролтоморфных (степных) фаций

1 Межсклоновых понижений и пологих склонов сосновые Сосновые редкостойные разнотравно-злаковые с горными каштановыми выщелоченными слабоэродированнмми почвами межсклоновых понижений в местах скопления мелкозема (П)

2 редкостойные (К) Степные разнотравно-ковыльные с фрагментарных™ горными темно-каштановыми карбонатными слабоэродированными почвами пологих склонов с редким участием сосны (Р)

3 Ксерофитные разнотравно-ковыльные с горными каштановыми выщелоченными короткопрофильными слабоэродированными почвами выровненных поверхностей и пологих склонов (П)

4 Пологих склонов и шлейфов крупнодерновинно-злаковые (М) Сосновые редкостойные остепненные овсянницево-ковыльные с горными темно-каштановыми выщелоченными слабоэродированными почвами с выходами горных пород нижних частей склонов и падей (Р)

5 Степные злаково-ковыльные с горными каштановыми выщелоченными короткопрофильными маломощными слабоэродированными с выходами горных пород (10-25%) почвами на пологих склонах южной экспозиции (О)

6 Каменистые овсяницевые с горными каштановыми выщелоченными короткопрофильными слабозадерноваиными почвами с выходами коренных пород (10-25%) острых водораздельных поверхностей и верхних частей склонов с островными скальными обнажениями (О)

7 Острых водораздельных поверхностей и крутых склонов каменистые преимущественно овсяницевые (С) Каменистые лишайниково-овсяницевые с горными каштановыми выщелоченными короткопрофильными слабосмытыми слабоэродированными почвами с обширными выходами коренных пород (15-20%) на крутых северных и северо-восточных, а также обращенных к Байкалу склонах (П)

8 Каменистые лишайниковые с островными горными каштановыми выщелоченными короткопрофильными слабосмытыми слабоэродированными почвами с выходами коренных пород на выпуклых крутых склонах (Р)

Класс сублитогидроморфных (лугово-степных) фаций

9 Днищ падей (подгорные) крупнозлаковые ковыльно- житняковые логово-степные Степные ковыльно-житняковые с горными темно-серыми лесными мощными намытыми навеянными почвами днищ сухих падей (О)

10 Луговые разнотравно-злаковые луговые с горными луговыми выщелоченными мощными намытыми почвами микропонижений и широких падей (П)

И Склонов травянистые луговые (М) Луговые разнотравно-вострецовые остепненные с горными каштановыми карбонатными среднемощными малоэродированными почвами с кустарниковыми зарослями нижних частей склонов (О)

12 Луговые разнотравно-осоковые с горными луговыми выщелоченными маломощными почвами верховий и выпуклых частей падей (П)

13 Межсклоновых понижений Лугово-озерные с луговыми карбонатными мощными почвами межсклоновых понижений (О)

14 лугово-болотные (С) Ячменные луговые с горными болотными мощными пере гнойно-торфянистыми суглинистыми засоленными почвами межсклоновых понижений (Р - влияние галофитного фактора)

ОДации пл Группа фаций Фация

Группа аркто-бореалькых типов природной среды

Таежный тип природной среды

Тип южно-сибирских таежных геомов

Класс южно-сябирсхях южно-таежных геомов

Группа южно-сибирских горно-таежных геомов

Горно-таежный геом сосновых лесов (подгорных шлейфов и возвышенностей)

Класс сублитоморфных экспозиционных фаций (сосново-лиственничных лесов)

15 Широких водораздельных поверхностей и пологих склонов с сосной со смешанным подлеском сосново-лиственничные (восстановление через луговые сообщества с возобновлением лиственницы, а также через лесные сообщества с участием осины и березы) (К) Сосновые и лиственнично-сосновые с участием осины рододендровые с горными темно-серыми лесными мощными почвами широких водораздельных поверхностей и террас (О)

16 Сосново-лиственничные с участием осины разнотравные с горными тем но-серыми лесными мощными почвами пологих склонов северной и северо-восточной экспозиции (П)

17 Сосново-лиственничные с участием березы разнотравно-вейниковые с темно-серыми лесными почвами на пологих склонах северной экспозиции (Р)

18 Покатых и крутых склонов северной и северо-восточной экспозиции лиственничные (восстановление через осину) (М) Лиственничные с участием осины злаковые с горными дерновыми лесными среднемощными почвами на крутых склонах северной и северовосточной экспозиции (О)

19 Лиственничные с сосной кустарниково-мертвопокровные с горными серыми лесными среднемощными почвами на покатых склонах северной и северо-восточной экспозиции (П)

20 Крутых и обрывистых склонов и острых водоразделов редколесные с выходами горных пород горно-степные (С) Редкостойно-лиственничные разнотравно-злаковые с горными каменистыми серыми лесными слабомощными почвами с выходами горных пород на крутых склоных, преимущественно восточной экспозиции (О)

21 Ленско-типчаковые горно-степные на обрывистых, обращенных к Байкалу склонах и острых водоразделах со слаборазвитыми сильнокаменистыми серыми лесными почвами с обширными выходами горных пород (П)

Класс сублигоксероморфных фаций (сосновых лесов)

22 Пологих склонов сосновые с кустарниковым подлеском (восстановление через остеп-ненные луговые сообщества с возобновлением сосны) (К) Сосновые с кустарниковым подлеском разнотравно-злаковые с горными темно-серыми лесными мощными почвами на широких межсклоновых понижениях и пологих склонах (О)

23 Сосновые с кустарниковым подлеском с участием акации осоково-злаковые с горными дерновыми лесными мощными почвами на пологих склонах южной экспозиции (Р- влияние кссроморфного фактора)

24 Покатых и крутых склонов южной экспозиции сосновые травянистые (восстановление через сосну) (М) Сосновые мертвопокровные с горными серыми лесными среднемощными почвами на покатых склонах преимущественно южной экспозиции (П)

25 Сосновые разнотравно-вейниковые с горными слабодерновыми лесными среднемощными почвами на покатых склонах вогнутых форм рельефа (Р- влияние гнароморфного фактора)

27 Сосновые разнотравно-злаковые с горными серыми лесными средне-мощными почвами верхних частей покатых склонов (О)

28 Сосновые зеленомошные с подлеском из спиреи с горными серыми лесными среднемощными почвами на покатых склонах северо-восточной экспозиции (Р экспозиционным фактором)

29 Сосновые глаково-разнотравные с горными серыми лесными маломощными почвами на крутых склонах южной экспозиции (Р)

30 31 Крутых и обрывистых склонов и острых водоразделов редколесные горно-степные с выходами горных пород горно-степные (С) Сосновые редкостойные горно-степные злаковые с горными дерновыми лесными почвами на крутых и обрывистых склонах (О)

Горно-степные овсяницево-каменисгые с горно-каменистыми маломощными почвами с выходами горных пород, накипными лишайниками на обрывистых склонах и острых водоразделах (О)

Обозначения К - коренная, М - мнимокоренная, С - серийная группы фаций; фапии О -

оптимального, П - промежуточного и Р - редуцированного развития

Внутри групп фации дифференцируются по степени изменчивости (редуцированности) на оптимальные (в наибольшей степени соответствующие содержанию группы фаций), промежуточные и редуцированные. В описании групп фаций в легенде делается акцент на рельефе и характерных особенностях растительности, а описание фаций осуществляется по схеме: растительное сообщество, вид почвы, элемент рельефа (Крауклис, 1979).

Определение доли площадей, приходящихся на склоны различной экспозиции и крутизны в границах ареалов различных классов фаций позволило выделить ведущую роль орографических и климатических факторов в дифференциации ландшафтных комплексов ключевого участка.

Построенные ранговые распределения встречаемости пикселов различной яркости снимка Ьап<15а1 в пределах ареала каждой фации в полулогарифмическом масштабе описываются линейными зависимостями, образующими конгруэнцию (см. (8) и (9)). Каждая линия в пучке соответствует определенной фации и характеризуется коэффициентом к,. Зависимость к, от номера фации в легенде / (при перестановке фаций класса сосновых лесов (номера 22-31) в начало ряда) представляет собой множество упорядоченных точек, образующих своеобразную «экологическую нишу» в пространстве структурной ординации (рис. 8). Порядок расположения фаций в легенде (номер) отражает положение фации в структуре классификации.

При переходе от коренных фаций класса сосновых лесов к серийным и далее от коренных степных фаций к серийным (г: 22-31 ;1-8) коэффициент к, имеет тенденцию к снижению. Коэффициенты степных фаций близки к значениям ко-о.'бт , | , , , , , , , , эффициентов горно-степных

(серийных) фаций класса фаций сосновых лесов.

Затем тенденция изменяется и для класса луговых фаций и класса фаций сосново-лиственничных лесов

коэффициент при переходе от коренных фаций к серийным возрастает (г: 9-19). Для группы горно-степных фаций класса сосново-лиственничных лесов (г: 20-21) тенденция снижения коэффициента сохраняется.

Таким образом, моделью ландшафтного комплекса становятся ранговые распределения элементов геоизображения в его границах. Параметры такой модели индивидуальны для каждого выдела и позволяют определить его ланд-шафтно-типологическую принадлежность.

22 24 27 29 31 1 2

10 12 14 16 18 20

Рис 8 Зависимость коэффициента к, от номера фации в легенде ((см табл 3)

выводы

1. Существование подобия компонентов различных функционально однородных выделов, а также функций связи этих компонентов, подтверждает наличие в природе ландшафтных комплексов как линейно упорядоченных, ограниченных, метризуемых, индуктивных, гомолого-гомотопических сложных систем.

2. Сложная зависимость частей и характеристик ландшафтного комплекса описываются конгруэнцией - функцией, содержащей множество переходящих друг в друга линейных зависимостей, пересекающихся в одной точке, каждая из которых описывает локальную область связи и характеризуется индивидуальным параметром - индексом подсистемы.

3. Установленная конгруэнтная связь яркостных характеристик снимков и наземных показателей состояния биогеоценозов разных стадий восстановления горной тайги для Олхинско-Иркутного горно-таежного темнохвойно-светлохвойного топорайона указывает на функциональное подобие свойств ландшафтных комплексов и характеристик космических снимков.

4. Существует конгруэнция автокорреляционных зависимостей разноудаленных элементов космических снимков, отражающая структуру ландшафтов и нарушающаяся на границе функционально однородных выделов, что позволяет с применением снимков разрешения 25-30 м дифференцировать территорию ключевого участка Еланцинского холмисто-низкогорного подтаежно-остепненного топорайона на уровне классов фаций, а при разрешении 6-10 м - на уровне фаций.

5. Ранговые распределения элементов космических геоизображений по встречаемости для однородных ландшафтных выделов различного иерархического уровня Центрально-Хамар-Дабанского горно-таежно-гольцового и Еланцинского холмисто-низкогорного подтаежно-остепненного топорайонов относятся к одной конгруэнции (комплексу) и характеризуются индивидуальными параметрами, отражающими типологическую принадлежность выделов, что используется для ландшафтно-типологического картографирования территории.

6. Распределение фаций одного класса в пространстве первых ранговых номеров яркостных характеристик снимков различных каналов ограничивается треугольной областью, разделение которой на подобласти позволяет дифференцировать выделы, принадлежащие к разным фациям.

7. Дифференциация ландшафтных комплексов ключевого участка по классам фаций определяется климатическими и орографическими факторами: экспозицией и крутизной склонов, распределением влаги и снежного покрова.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Экологически ориентированное планирование землепользования в Байкальском регионе. Район дельты р. Селенги. - Иркутск: Изд-во Института географии СО РАН, 2002. - 149 с. (соавторы А.К. Черкашин, J1.M. Корытный, Т.И. Коновалова и др.).

2. Геоинформационная система управления территорией. - Иркутск: Изд-во Института географии СО РАН, 2002. - 151 с. (соавторы А.К. Черкашин, А.Д.Китов, И.В Бычков и др.).

3. Математические модели географического комплекса и их применение для анализа космической информации// Известия Российской академии наук, серия географическая. - M.: Наука, 2005, №2, С. 103-113. (соавтор А.К.Черкашин).

4. Реализация функции оценки охотничье-промысловых животных при разработке проектов освоения территории// Охрана и рациональное использование животных и растительных ресурсов. - Иркутск: ИГСА,- 2000,- Ч. iL- С. 116-124 (соавторы А.Д.Китов, П П.Наумов, А.К.Черкашин).

5 Применение математических методов и ГИС-технологий при функциональном зонировании территории // Экология ландшафта и планирование землепользования -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000 - С 67-71 (соавтор А.К.Черкашин).

6. Полисистемное моделирование географических объектов как сложных систем // Географические идеи и концепции как инструмент познания окружающего мира. -Иркутск: Институт географии СО РАН. - Иркутск 2001 - С. 11-13.

7 Исследование и моделирование ландшафтных комплексов с использованием ГИС-технологий // География Азиатской России. XI научное совещание географов Сибири и Д.Востока. - Иркутск: Изд-во Института географии СО РАН, 2001. - С.204-205 (соавтор А.К.Черкашин).

8. Многоуровневая система формирования биологического разнообразия таежных экосистем Байкальской природной территории // Современные проблемы байкапове-дения. - Иркутск: Изд-во Иркутского ун-та, 2001 - С. 62-77 (соавторы Латышева А В., Филиппская C.B.).

9. Гомотопические свойства космических изображений и подходы к моделированию географических комплексов // Дистанционные исследования и картографирование структуры и динамики геосистем. - Иркутск: Изд-во Института географии СО РАН, 2002.-С. 41-46.

Ю.ГИС-технологии при создании крупномасштабных ландшафтных карт // География: новые методы и перспективы развития. - Иркутск: Изд-во Института географии СО РАН, 2003. - С. 180-181.

11. Обоснование гомологической эквивалентности ландшафтных структур по космическим снимкам // Математические и информационные технологии в энергетике, экономике, экологии. Часть 2. Труды всероссийской конференции (Ольхой, 19-26 июля 2003). - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2003. - С. 95-98.

12. ГИС-технологии подготовки и проведения полевых исследований для создания ландшафтных карт на основе космических снимков // Дистанционное зондирование поверхности земли и атмосферы. - Иркутск: Издательский отдел ИСЗФ СО РАН, 2003а. - С. 19 (соавторы С.В.Солодянкина, А.К.Черкашин).

13. Топология пространства ординации растительного покрова в координатах яр-костных характеристик многозональных снимков // Дистанционное зондирование по-

»-83 09

верхности земли и атмосферы - Иркутск: Издательский отдел ИСЗФ СО РАН, 2003. -С. 21 (соавторы С.В.Солодянкина, А.К.Черкашин).

14. Автокорреляционный анализ локально-конгруэнтных свойств космических геоизображений горно-таежных территорий Прибайкалья // Дистанционное зондирование поверхности земли и атмосферы. - Иркутск: Издательский отдел ИСЗФ СО РАН, 2003. - С. 20 (соавтор А.К.Черкашин).

15.Пространственно-временная структура поля взаимодействия ландшафтных комплексов // Моделирование географических систем. - Иркутск' Изд-во Института географии СО РАН, 2004. - С. 134-137 (соавтор А.К.Черкашин).

РНБ Русский фонд

2006г4

Подписано к печати 20.04.2005 г. 0&ьем1лл Тираж 100 экз. Заказ№311 Издательство Института географии СО РАН 664033, г. Иркутск, ул Улан-Баторская, 1