Геоинформационный подход к изучению морфометрии рельефа: На примере Алтайского края

Актуальность темы

диссертации обусловлена рядом обстоятельств.

Во-первых, в морфометрии рельефа в настоящее время накопилось достаточно много вопросов, требующих оперативного решения. Особенно это касается теоретико-методологических вопросов. К ним, прежде всего, относится отсутствие четкого разграничения понятий картометрия и морфометрия, что требует уточнения существующих определений.

Во-вторых, следует учесть, что мы живем в век информатизации все сторон человеческой деятельности. Для географии характерно то, что ее информатизация тесно связана с математическими расчетами и их картографической визуализацией. Современная географическая информатика (геоинформатика) требует широкого и многогранного использования картографических моделей, основанных на автоматизации процессов их создания, с применением баз данных и знаний. Это направление A.M. Берлянт [1] назвал геоинформационным картографированием (ГК).

В работе акцентировано внимание на автоматизацию предлагаемых методик и технологий с целью создания электронных морфометрических карт рельефа земной поверхности. Автоматизированный труд картографа, владеющего современными средствами цифровой картографии по сравнению с традиционными ручным или полумеханическим, имеет ряд преимуществ:

• оперативность и экономия затрат труда;

• повышенная точность картографирования;

• возможность работы в интерактивном (диалоговом) режиме, позволяющем выполнять разностороннюю оценку ситуаций и быстро находить соответствующие решения;

• применение современных графических пакетов программ и улучшение качества изображения и дизайна;

• привлечение сложных математических приемов создания и использования карт (трехи четырехмерное картографическое моделирование, фрактальный и факторный анализы и др.);

• возможность создания и использования новых карт, позволяющих изучать явления в статике, динамике и взаимосвязях.

В-третьих — «всплеск» интереса к морфометрии и методам морфометриче-ского анализа рельефа земной поверхности, о чем свидетельствуют изданные за последние годы монографии и учебные пособия [2, 3, 4 и др.], а также защищенные диссертации [5, 6, 7, 8 и др.].

К настоящему времени разработано и используется множество различных методических подходов к созданию и практическому применению морфомет-рических карт рельефа для решения конкретных географических, картографических, экологических и других задач. Недостатки этих подходов: 1) высокая трудоемкость и большие затраты времени на вычислительные и картосостави-тельские работы- 2) неточность и некорректное использование некоторых понятий (морфоизографы, кривизна, извилистость и др.) — 3) изучение морфометри-ческих характеристик рельефа преимущественно в крупных масштабах (в то время как для регионов Сибири характерен повышенный интерес к мелкомасштабному обзорному картографированию) — 4) несмотря на общепризнанную непрерывность рельефа (вспомним горизонтали и изогипсы) до сих пор в морфометрии преобладают дискретные способы его картографического изображения (картограмма, количественный и качественный фоны), редко и не корректно используется изолинейный способ.

Отсюда, цель исследования состоит в разработке и апробации алгоритмизированной технологии ГК морфометрических характеристик рельефа земной поверхности на примере Алтайского края. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1. Изучение опыта создания численных и картографических моделей морфометрических показателей рельефа, анализ программных средств (Maplnfo Professional, ArcView, Statistica, MS Excel, CorelDraw, PhotoShop и др.).

2. Разработка алгоритмизированной технологической схемы, объединяющей операции сбора картометрической информации о рельефе, ее математической обработки и картографической визуализации результатов вычислений в виде серии морфометрических цифровых карт.

3. Обоснование правомерности получения и обработки данных по регулярной сети операционных ячеек.

4. Доказательство целесообразности использования картометрической информации, полученной не с топографических, а с более доступных мелкомасштабных карт.

5. Сравнительный анализ дискретных и континуальных способов картографического изображения морфометрических характеристик рельефа.

6. Разработка новых морфометрических показателей рельефа земной поверхности (кривизна, извилистость, термоугловой эффект и др.) и автоматизированное изготовление соответствующих карт.

7. Сравнительно-визуальный и корреляционно-регрессионный анализы полученных карт.

Территориальный объект и методы исследований. Территориальный объект исследований — рельеф Алтайского края. Его изучению посвящены работы многих ученых Сибири. К ним, прежде всего, следует отнести, Г .Я. Барышникова [9, 10, 11, 12, 13 и др.], A.M. Малолетко [14, 15, 16, 17 и др.], JI.K. Зятькову [18, 19, 20, 21, 22 и др.], B.C. Ревякина [23, 24, 25 и др.], Т.В. Байкало-ву [26, 27 и др.], О. Н. Барышникову [28, 29, 30 и др.], А. Г. Демина [31, 32, 33, 34 и др.], Б. Н. Лузгина [35, 36, 37, 38 и др.], JI.H. Пурдика [39, 40, 41 и др.], А .Я. Швецова [42, 43, 44 и др.]. Перечисленные работы содержат результаты полевых и дистанционных исследований рельефа Алтайского края. Рельеф в них рассматривается применительно к методам геоморфологии, сложившимся к началу 21 века. Разработанные и использованные методы и приемы оказались весьма эффективными и полезными. Они внесли большой вклад в развитие геоморфологии и палеогеографии, что учитывалось в диссертации, как важная и неотъемлемая часть в истории изучения объекта настоящих исследований.

Представленная диссертационная работа базируется на теоретико-методологических основах современной картографии и морфометрии, заложенных крупными учеными-картографами и географами нашей страны и бывшего СССР — Р. А. Бабаевым, М. Е. Белецким, A.M. Берлянтом, Н. М. Волковым, И. В. Гармизом, Г. А. Гинзбургом, А. С. Девдариани, А. Г. Исаченко, В.П. Кара-киным, А. В. Кошкаревым, А. Н. Ласточкиным, В. Г. Линником, Д. В. Лисицким, А. И. Мартыненко, М. М. Мехбалиевым, О. Р. Мусиным, Е. М. Николаевской, Б. А. Новаковским, Р. Х. Пириевым, С. В. Прасоловым, Н. С. Рамм, К.А. Салище-вым, С. Н. Сербенюком, Ю. Г. Симоновым, А. И. Спиридоновым, B.C. Тикуно-вым, В. П. Философовым, И. С. Черваневым, В. А. Червяковым и др.

В рамках основного — картографического метода исследования в диссертации использовались ряд технических способов и приемов:

• сравнительно-визуальные;

• графические;

• картометрические;

• морфометрические;

• математико-статистические;

• геоинформационные.

Кроме этого, работа опиралась на личные исследования автора в период с 1998 по 2003 гг. и цифровые материалы, полученные в лаборатории информационно-картографического моделирования географического факультета АлтГУ. Все геоизображения созданы при помощи современных технических способов и приемов цифровой картографии.

Научная новизна в решении поставленных задач:

• Разработана и апробирована алгоритмизированная технологическая схема ГК морфометрических характеристик рельефа земной поверхности.

• На основе диалектического единства философских категорий дискретности и континуальности, а также соответствующих экспериментов доказана целесообразность изучения морфометрии рельефа с помощью изолинейных (континуальных) моделей.

• Разработана методика автоматизированного вычисления и картографирования новых морфометрических показателей, характеризующих энергию рельефа земной поверхности.

• Создана картографо-морфометрическая база данных, на основе которой выполнен корреляционно-регрессионный анализ предложенных показателей.

Практическая значимость исследований. Жизнедеятельность человека тесно связана с рельефом земной поверхности, поэтому его изучение имеет не только научное, но и практическое значение. Так, например, методами морфо-метрического анализа характеризуется как современный, так и древний рельеф, а также исследуются этапы его развития и прогнозируются многие геолого-географические процессы и явления (оползни, обвалы, овраги, селевые потоки и т. п.), причиняющие немалый ущерб народному хозяйству.

Результаты работы могут быть применены в различных отраслях хозяйственной деятельности: 1) мелиорация и строительство гидротехнических сооружений- 2) сельскохозяйственное освоение земель- 3) строительство дорог и линий связи- 4) планирование городов, поселков и других населенных пунктов- 5) организация почвенных, ботанических, геологических и др. съёмок, гидрогеологических изысканий и т. д.

Предложенная в работе технологическая схема носит научно-познавательный характер. Она выступает своеобразным организатором и координатором исследований, выполняемых в АлтГУ преподавателями, аспирантами и студентами по различным темам. Каждому исследователю предоставляется возможность, на основе глубокого предварительного изучения объекта и предмета, самостоятельно определить набор нужных количественных признаков, разработать программу их получения, математической обработки и создания соответствующих серии карт. Эти материалы являются основой для расширения общего банка данных, способного решать задачи как отраслевого, так и комплексно-географического характера [45].

Отмеченная выше схема позволяет оперативно получать электронные морфометрические карты, характеризующие реальный рельеф (земной поверхности) и абстрактный (карты полей плотности, метеорологические, геоэкологические и др.). Разработанные и созданные численные и картографические модели используются при изучении и оценке экологических ситуаций, антропогенных нагрузок, овражной эрозии, земельных угодий и др.

Полученные в ходе теоретических исследований и экспериментальных работ результаты на промежуточных этапах использовались в проекте гранта по фундаментальным исследованиям в области геодезии и картографии «Теория и методы оперативного информационного обеспечения регионов страны с помощью геоинформационного картографирования», учрежденного Министерством образования РФ и поддержанного МИИГАиК (№ 97−27−2.51−19, 1998 — 2000 гг.).

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе. Разработанные схемы, технология и алгоритмы применяются в четырех курсах, читаемых студентам на географическом факультете АлтГУ: «Количественные методы в географии», «Социально-экономическое картографирование», «География природных ресурсов» и «ГИС в экономической географии».

В первом курсе наши разработки используются при чтении лекций и проведении практических занятий, посвященных автоматизации картометрических и морфометрических работ [46]. Во втором — разработанные методические подходы и технические приемы апробируются на практических занятиях для составления социально-экономических компьютерных карт Алтайского края разной тематики (плотности населения, густоты дорожной сети, структуры сельскохозяйственных угодий, антропогенных нагрузок и др.). В третьем курсе студенты создают карты природно-ресурсного потенциала, интегральной балльной оценки природных ресурсов и разнообразия ландшафтов применяя технологию ГК морфометрии рельефа, предложенную в диссертации. В последнем курсе широко применяются разработанные программы, алгоритмы и методы ГК при автоматизированном создании и использовании цифровых карт административных районов Алтайского края.

Предлагаемые теоретические, методические и технические разработки могут быть полезны картографам, географам различных направлений, экологам, почвоведам, работникам сельского хозяйствастудентам-географам и картографам, магистрантам и аспирантам, интересующимся вопросами на стыке картографии, морфометрии, геоинформатики и количественных методов. На защиту выносятся следующие положения:

1. Алгоритмизированная технология ГК морфометрических характеристик рельефа требует выполнения вычислительных операций в строгой последовательности от сбора количественной информации к ее упорядочению, математической обработки и созданию серии численных и картографических (компьютерных) моделей.

2. На основе проведенных картометрических экспериментов доказана возможность использования в морфометрическом анализе не только крупномасштабных, но и мелкомасштабных карт.

3. Изолинейные модели, отличающиеся более высокой наглядностью, детальностью и возможностью широкого использования ГИС-технологий, наиболее перспективны при изучении морфометрии рельефа.

4. Морфометрические карты термического и термоуглового эффекта склонов рельефа, его горизонтальной кривизны и извилистости — это новые картографические модели, позволяющие решать задачи агроклиматологии, геоморфологии, картографии, экологии.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на: научных конференциях студентов, аспирантов и магистрантов (Барнаул, 1998, 1999), проводимых ежегодно в Алтайском государственном университете, Международной конференции «Интеркарто 4: ГИС для оптимизации природопользования в целях устойчивого развития территорий» (Барнаул, 1998), IV Международном научно-методическом семинаре по топографии и картографии (Харьков, 1999), Всероссийской научно-методической конференции «Новые информационные технологии в образовании» (Комсомольск-на-Амуре, 1999), V Международном научно-методическом семинаре по географии (Харьков, 2000), научно-методическом семинаре лаборатории информационно-картографического моделирования АлтГУ (Барнаул, 2000), II Всероссийской научной конференции по картографии, посвященной памяти А. А. Лютого (Москва, 2001), Международной научно-практической конференции «Геоинформационное картографирование государств и регионов» (Киев, 2001), XIV молодежной Всероссийской научной конференции (Иркутск, 2001), Первой Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле (Новосибирск, 2002), XII Международном научно-методическом семинаре по географии и картографии (Харьков, 2003).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 15 печатных работ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Основные результаты исследований:

• Обобщены и проанализированы: а) опыт вычисления и картографирования морфометрических показателей рельефаб) возможности совместного использования и комбинирования программных средств, созданных для мор-фометрического анализа рельефа (Mag, Surfer и др.), а также ГИС, статистических, картографических и графических пакетов, предназначенных для обработки цифровых материалов и оформления векторно-растровых изображений (Statistica, Maplnfo Professional, Arc View, CorelDraw, PhotoShop и ДР-).

• Разработана алгоритмизированная технологическая схема, объединяющая операции сбора картометрической информации о рельефе, ее математической обработки и картографической визуализации результатов вычислений в виде серии морфометрических цифровых карт.

• Обоснована правомерность получения и обработки данных по регулярной сети операционных ячеек.

• Доказана целесообразность использования картометрической информации, полученной не с топографических, а более доступных мелкомасштабных карт.

• Проведен сравнительный анализ дискретных и континуальных способов картографического изображения морфометрических характеристик рельефа на трех уровнях — 1) визуальном, 2) графическом и 3) математико-статистическом. Доказано, что изолинейная морфометрическая модель отличается более высокой наглядностью, детальностью, точностью и сопоставимостью.

Расширен набор морфометрических показателей, характеризующих кривизну рельефа.

Впервые разработаны интегральные показатели и построены карты, характеризующие теплообеспеченность земной поверхности в балльном и натуральном (угловом) выражениях.

Выполнен анализ корреляционных связей морфометрических и других показателей на качественном и количественном уровнях. Для этого вычислены корреляционные матрицы, отображающие все многообразие парных коэффициентов корреляции.

Анализ матриц показал, что зависимость традиционного (более простогоАН) и среднеквадратического отклонения (более сложного — 5Н) показателей вертикального расчленения рельефа от абсолютных высот (Н) практически одинакова {гШн = 0,83. г-д =0,84) (см. табл. П. 9.2).

Такое же высокое сходство корреляционной зависимости двух близких показателей — углов наклона и вертикального расчленения от абсолютных высот (гт =0,87. г-АН =0,83) позволяет сделать вывод о том, что они дублируют друг друга, поэтому следует отдавать предпочтение более значимому показателю — углу наклона (см. табл. П 9.3).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В ходе теоретических исследований и экспериментальных работ была достигнута главная цель диссертации — разработана и апробирована технология ГК морфометрических характеристик рельефа земной поверхности на примере Алтайского края.