ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА РЕЛЬЕФА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРИКЛАДНЫХ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Перспективы изучения рельефа цифровыми методами для решения прикладных геоэкологических задач природопользования имеют большое социально-экологическое значение для устойчивого развития территорий. Эффективным инструментом для повышения эффективности рационального природопользования в прикладных целях являются цифровые методы анализа рельефа. Выполнение анализа земной поверхности цифровыми методами предполагает уменьшение неопределённости в восприятии предмета анализа [9, с. 208]. По сравнению с общепринятым описанием рельефа, количественные методы изучения рельефа отвечают признакам «непрерывности, равнозначности и одномерности» полученной информации.  Высокая информативность переменных цифровых показателей рельефа (ЦПР) позволяет выполнять моделирование для решения различных прикладных геоэкологических задач.

В современном понятийно-терминологическом истолковании некоторых общенаучных и специальных терминов в разных источниках существуют различные представления в определении рельефа (Берлянт,1984). Преобладает два подходы к основополагающему определению этого термина. Базовым подходом к изучению рельефа и общепринятой трактовкой в определении предмета исследования являлся геометрический подход к исследованию форм рельефа. Рельеф рассматривается как совокупность форм земной поверхности и высотных отметок. В альтернативной трактовке рельефа при описании форм рельефа учитываются и слагающие его геологические образования. Авторы придерживался терминологии принятой в российской школе геоморфологии А.Н. Ласточкиным (2004) А.И. Спиридоновым (2004). Задачи изучения морфологии земной поверхности с применением цифровых (морфометрических) показателей позволяют решать прикладные задачи природопользования. Современная геоморфологическая наука оперирует примерно 200-ми ЦПР. Наиболее эффективным для решения прикладных геоэкологических задач является применение ЦПР в горных территориях для локализации форм рельефа.

В Краснодарском крае (Кубанский государственный университет) выполнены региональные исследования по описанию морфологической структуры рельефа бассейна р. Кубани: морфологический анализ с применением технологии цифрового моделирования в среде ГИС [7, с. 190-200; 8, с. 200; 10, с. 207; 11, с. 12]

Для бассейна реки Кубани построены карты основных ЦПР: углов наклона, экспозиция поверхности, горизонтальной и вертикальной расчленённости, плановой и профильной кривизны  поверхности, морфоизограф, на основе которых выполнен анализ особенностей территориального распределения ЦПР с оценкой статистик. Методами лазерного сканирования изучены рельеф и снежный покров Кавказа (Бойко, Погорелов и др. 2012).

В 2015 году в Кубанском государственном университете защищена магистерская диссертация по уточнению границ особо - охраняемой природной территории (ООПТ) – Горячеключевской заказника, в Краснодарском крае, на основе изучения ЦПР (Величко, Сизонов,2015).

В Саратовской области (Саратовский государственный университет) разработаны основы морфометрического анализа рельефа для поиска тектонических структур (Философов,1960). В дальнейшем, методика В.П. Философова, морфометрического изучения рельефа успешно применялась в прикладных целях, для поиска месторождений нефти и газа, при поисках россыпных месторождений и подземных вод.

Необходимость дальнейшего развития морфометрического метода, разработки теоретических основ анализа рельефа цифровыми методами отмечалось в ноябре 1965 год при проведении в Саратовском университете межвузовского совещания. Опыт применения и разработка приёмов морфометрических способов изучения рельефа нашли своё отражение на страницах  сборников «Морфометрический метод при геологических исследованиях»(1963 г.) », «Вопросы морфометрии» (выпуск 2, 1967г. и выпуск 3, 1971г.) опубликованных Саратовским государственным университетом.

В последние годы в Краснодарском крае активно создаются особо охраняемые природные территории (ООПТ) регионального и федерального значения [4, с. 322] Утверждена схема развития и размещения ООПТ постановлением главы администрации (губернатора) Краснодарского края от 21.07.2017 г. № 349. Общее количество созданных ООПТ на начало 2019 года составляет 376, планируемых к созданию-45. Большинство планируемых к созданию в Краснодарском крае ООПТ расположено в горном рельефе.

Существующая практика обоснования границ и функциональных зон ООПТ основана на целевых задачах ООПТ, сложившейся антропогенной деятельности и осуществляется фактически по границам земель различного назначения, существующих дорог, линейных объектов, фактического лесопользования. [5] Границы ООПТ приняты без учета количественных свойств земной поверхности, породного состава растительности и биологического разнообразия.

Первый опыт применения ЦПР для уточнения границ ООПТ (на примере зоологического заказника) в Краснодарском крае был опубликован авторами в 2015 году ( Величко и др. 2015 г.) Осуществлен сравнительный анализ цифровых показателей рельефа (ЦПР), растительности и ареалов биологического разнообразия. Методами цифрового моделирования уточнены границы ООПТ (рис.1).

Информационный материал по моделированию ЦПР получен в результате компьютерной обработки топографических карт различного масштаба. Для решения задачи уточнения границы заказника использовались среднемасштабные топографические карты. Составлены карты основных информативных ЦПР для целей организации ООПТ:

1. Карта гипсометрических показателей территории является основной. Составляется по высотным интервалам исследуемой территории для выявления характерных высотных ступеней. По данным гипсометрической карты высотных ступеней могут составляться гипсометрические кривые и гистограммы.

2. Карты густоты горизонтального расчленения. Основной и  наиболее простой способ построения такой карты сводится к определению длины эрозионной сети L на единицу площади Р:L/P. Показатели интенсивности расчленения наносят на карту внутри квадратов, по которым велся подсчет длины эрозионной сети, и затем в соответствии с выбранной шкалой квадраты закрашиваются или заштриховываются. Существует метод построения изолиний равных значений методом перекрытия «скользящего окна». Интерпретация карты широко применяется для целей землепользования и территориального планирования.

3. Карты глубины расчленения. Один из способов составления подобного рода карт заключается в следующем: на топографической основе проводят границы элементарных бассейнов, а затем в каждом из них определяют амплитуду между самой высокой и самой низкой точками. Согласно полученным цифровым показателям и шкале условных знаков площади бассейнов закрашиваются или заштриховываются и также обычно по правилу: чем больше глубина расчленения, тем темнее окраска или гуще штриховка.

4. Карта общего показателя расчленения рельефа. Составление карты основано на подсчете по условным квадратам сумм длин горизонталей. Затем через центры квадратов, имеющих одинаковую сумму длин горизонталей, проводятся соответствующие изолинии.

5. Карты крутизны земной поверхности. Показателями крутизны земной поверхности могут быть угол наклона и отвлеченная величина. Построение карты углов наклона заключается в следующем. В соответствии с выработанной легендой и шкалой заложения на топографической карте проводят границы участков с соответствующими углами наклона земной поверхности. После выполнения этой работы карта раскрашивается или заштриховывается по указанному выше правилу.

Уклон: Вычисляют угол наклона поверхности для каждой ячейки в градусах (алгоритм основан на вычислении первой производной). Сведения об углах наклона применяются для оценки склоновых процессов и необходимы для выполнения инженерно-геологических изысканий в т.ч. для расчета дренажа, эрозии почв, пространственного распределения элементов ландшафта.

Экспозиция: Расположение склонов относительно стран света. На морфометрических картах обычно отражается по восьми румбам (начиная с 0 градусов на север, против часовой стрелки). Учет экспозиции склона представляет практический интерес для выявления участков с разномасштабными процессами инсоляции, циркуляции и гравитации. Экспозиция опосредованно влияет на экзогенные процессы, почвообразование и растительность. В результате анализа экспозиции склонов территории зоологического заказника выделены участки рельефа с более сухими (прогретыми) склонами благоприятные для зон «покоя» (склоны юго-восточных и южных румбов) охраняемых видов диких животных.

Для улучшения точности геостатистической обработки полученных значений ЦПР применялся метод Кригинга.

Кригинг ― это улучшенный геостатистический метод, который позволяет строить предполагаемую поверхность из набора точек с z-значениями, который также в отличие от других методов интерполяции предполагает интерактивное исследование пространственного поведения явления, представленного z-значениями, до выбора вами оптимального метода оценки для построения результирующей поверхности [12, с. 60-72].

Кригинг относится к геостатистическим методам интерполяции, которые основываются на статистических моделях, включающих анализ автокорреляции (статистических отношений между измеренными точками). В результате этого геостатистические методы не только имеют возможность создавать поверхность прогнозируемых значений, а также предоставляют некоторые измерения достоверности или точности прогнозируемых значений. При кригинге предполагается, что расстояние или направление между опорными точками отражает пространственную корреляцию, которая может использоваться для объяснения изменения на поверхности. Инструмент Кригинг (Kriging) использует математическую функции для определенного количества точек или всех точек в пределах заданного радиуса, чтобы определить выходное значение для всех направлений. Кригинг - пошаговый процесс; он включает поисковый статистический анализ данных, моделирование вариограммы, создание поверхности и (дополнительно) изучение поверхности дисперсии. Кригинг лучше всего подходит, если вы знаете, что есть пространственно кореллированное расстояние или направленное смещение в данных. Он обычно используется в почвоведении, геологии и анализе рельефа.

Формула кригинга. Кригинг (Kriging) взвешивает окружающие измеряемые значения, чтобы получить предсказание для неизмеренного местоположения. Основная формула для этих двух инструментов интерполяции формируется как взвешенная сумма данных:

где:

Z(s_i) = измеряемое значение в местоположении i

λ_i = неизвестный вес для измеряемого значения в местоположении i

s₀ = местоположение прогноза

N = количество измеряемых значений

При использовании метода кригинга, весы основаны не только на расстоянии между измеряемыми точками и местоположениями прогнозов, но также на общем пространственном расположении измеряемых точек. Чтобы использовать пространственное расположение в весах, нужно определить количество пространственной автокорреляции. Таким образом, в обычном кригинге вес λ_i зависит от установленной модели для измеряемых точек, от расстояния до местоположения прогноза и от пространственных отношений между измеряемыми значениями вокруг местоположения прогноза. В следующих разделах обсуждается, как используется формула общего кригинга для создания карты прогнозируемой поверхности и карты точности прогнозов.

Рисунок 1. Уточнение границ ООПТ (заказника) по материалам моделирования цифровых показателей рельефа

Установлено, что существующая на отдельных участках граница ООПТ принята необоснованно и не учитывает морфологические особенности рельефа. В западной и юго-западной частях ООПТ (рис.1) положение границы заказника не обеспечивает природоохранные задачи и функции охраняемой территории. Уточнённая граница ООПТ определена по границам аномальных значений ЦПР.

Применение ЦПР для решения прикладных геоэкологических задач значительно повышает достоверность определения границ и функциональных зон ООПТ.

Список литературы:

1. Берлянт, A.M. Морфометрические исследования рельефа в СССР: состояние, проблемы, перспективы. // Геоморфология, N 2, 1984,-228 с.
2. Бойко, Е.С. Погорелов А.В.Применение лазерного сканирования в исследованиях рельефа и снежного покрова. Морфометрический аспект.- Новосибирск: Гео, 2012. – 147 с.
3. Величко С.В. Сизонов С.О. Геоинформационные методы изучения особо охраняемых природных территорий на примере государственного природного зоологического заказника «Горячеключевской» (Краснодарский край»). Географические исследования Краснодарского края. Сб. научных тр. Вып.9. с.213-219. Краснодар,2015 г. С.376.
4. Доклад «О состоянии природопользования и об охране окружающей среды Краснодарского края в 2013 году». Министерство природных ресурсов краснодарского края. Краснодар 2016 г. - 322 с.
5. Кудахтин, А.Н. Трепет С.А..К вопросу оптимизации площади и конфигураций особо охраняемых территорий Западного Кавказа //80 лет Кавказскому заповеднику – путь от Великокняжеской охоты до Всемирного природного наследия. Сочи, 2003.
6. Погорелов, А.В. Моделирование и анализ структуры рельефа и рельефоидов горных поверхностей (по данным лидарной сьемки) / А.В. Погорелов, Е.С. Бойко, И.Г. Ризаев //Интер Карто/ИнтерГИС15: Устойчивое развитие горных территорий: теория ГИС и практический опыт: материалы Междунар. Конф. – Пермь-Гент,2009.-Т.2.-С.420-433.
7. Погорелов, А.В. Высота местности как фактор структуры лесной растительности / А.В. Погорелов, С.Ю. Шевела // Геология, география и глобальная энергия.- 2013. – Вып.№ 1(48).- С.190-200.
8. Погорелов, А.В. Геоинформационный метод в практике региональных физико–географических исследований. / А.В.Погорелов [и др].- Кисловодск: Северокавказское изд.-во МИЛ,2007. – C 200.
9. Погорелов, А.В. Думит Ж.А. Рельеф бассейна р. Кубани: Морфологический анализ.- М., ГЕОС, 2009. - 208 с.
10. Погорелов, А.В. Ризаев И.Г. Шевела С.Ю. Лес и горный рельеф.- Краснодар, 2014. – 207 с.
11. Погорелов, А. В., Липилин Д. А. О дешифрировании объектов землепользования по космическим снимкам на территории Краснодарского края // Современные научные исследования. Выпуск 1. - Концепт. - 2013. - ART 53600. - 12 с.
12. Heine, G. W. "A Controlled Study of Some Two-Dimensional Interpolation Methods." COGS Computer Contributions 3 (no. 2): 60–72. 1986.