научная статья по теме АВТОМАТИЧЕСКОЕ ВЫДЕЛЕНИЕ ФОРМ И КОМПЛЕКСОВ РЕЛЬЕФА НА ОСНОВЕ МОРФОМЕТРИЧЕСКОГО ГИС-АНАЛИЗА (НА ПРИМЕРЕ ВЕНГЕРОВСКОГО РАЙОНА НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ) Геология

Текст научной статьи на тему «АВТОМАТИЧЕСКОЕ ВЫДЕЛЕНИЕ ФОРМ И КОМПЛЕКСОВ РЕЛЬЕФА НА ОСНОВЕ МОРФОМЕТРИЧЕСКОГО ГИС-АНАЛИЗА (НА ПРИМЕРЕ ВЕНГЕРОВСКОГО РАЙОНА НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ)»

comparative analysis of equilibrium beach profile calculation methods

A.L. KHoMCHANovsKY, E.A. FEDoRovA, An.A. LYGIN, A.sh. KHABIDov

Summary

This paper presents the results of evaluation of several methods commonly used in coastal engineering practice for equilibrium beach profile calculation. Three approaches were used to calculate the shape of equilibrium beach profile: the Bruun-Dean formula, the method prescribed by Coastal Structure Construction Code, and numerical modeling by SBEACH. The calculated profiles were compared with the real profile of the equilibrium sand beach. It is shown that the Bruun-Dean formula gives the best agreement with the reality.

УДК 551.4.03:528.067.4(571.14)

© 2014 г. Д.А. ЧупинА

автоматическое выделение форм и комплексов рельефа на основе морфометрического гис-анализа (на примере венгеровского района новосибирской области)1

Ин-т геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, Новосибирск; dasha.chupina@gmail.com

Постановка проблемы

Появление персональных компьютеров и бурный рост новейших технологий, доступных каждому специалисту в области наук о Земле, сделали рентабельным (по соотношению трудозатраты/результат) целый ряд задач, которые до этого не могли быть реализованы в полной мере из-за трудоемкости или необеспеченности технологическими возможностями. К таким задачам относится и та, которой посвящена эта статья: автоматическое геоморфологическое картографирование. В аспекте фактологического обеспечения, предпосылкой для решения этой задачи стало появление цифровых моделей рельефа (ЦМР) общего доступа через Интернет (SRTM и т. п.). В методическом отношении такой предпосылкой явилось возникновение разнообразных программных средств, ориентированных на работу с сеточными и растровыми форматами, в которых представлены ЦМР. В данной работе операции с сетками (формат GRID) осуществляются в программном пакете ArcGIS 9.3 компании ESRI, а операции с растрами (формат GeoTIFF) в системе обработки цифровых изображений ENVI 4.5, разработанной компанией ITT Visual Information Solutions. Для того чтобы охарактеризовать предлагаемый подход к геоморфологическому картографированию на основе технологий ГИС и ДЗ, прежде всего рассмотрим современные представления об объекте исследования.

В классической геоморфологии сложилось представление о триаде рельефа, т.е. рельеф воспринимается через три дополняющих друг друга характеристики: форма, генезис, возраст. При этом разными авторами этим трем признакам придается разное значение. Многие исследователи считают, что морфологические классификации играют вспомогательную роль, а основное значение следует придавать историко-генети-ческому подходу [1]. Соответственно, структура рельефа рассматривается ими в виде

1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 12-05-31101).

пространственно-временного многообразия, а возраст рельефа выводится из анализа коррелятных отложений. Иными словами: "без понимания происхождения и времени возникновения граней и форм рельефа не может быть геоморфологии как исторической науки" [1, с. 19].

Альтернативной точки зрения придерживается А.Н. Ласточкин. Разработанный им морфодинамический подход связан в первую очередь не с генезисом и возрастом рельефа, а, прежде всего, с геометрией природы, анализируемой на основе общей теории систем. Он базируется на математическом описании земной поверхности и на представлении о естественных границах делимости рельефа, в качестве которых выступают структурные линии (вогнутого перегиба, выпуклого перегиба, килевые, гребневые), характерные точки и т.п. Технологически данный подход сходен с построением карт пластики рельефа, что является достаточно популярной процедурой у почвоведов и ландшафтоведов [2]. Создаваемый в значительной мере для изучения геолого-геоморфологической основы ландшафтов, морфодинамичес-кий анализ нашел применение и для геоморфологического картографирования арктического шельфа [3], поисков железо-марганцевых конкреций на океаническом дне [4] и др.

Обоснованию перспектив совмещения достижений классической геоморфологии и возможностей новейших технологий посвящены, в частности, работы Ю.Г. Симонова [5]. В рамках подхода, названного им объяснительной морфометрией, необходимо раскрыть связь количественных характеристик рельефа с его происхождением на основе применения методологии синергетики, идей фрактальной геометрии, внедрения ГИС-технологий. Говоря о синергетике (или геосинергетике), он обращает внимание на то, что морфолитогенез является результатом взаимодействия трех факторов: зонально-географических, провинциально-геологических, фациально-генетических. Основой объяснительной морфометрии служит представление о том, что в своем облике рельеф хранит характерные черты образовавшего его процесса.

Существует много точек зрения по поводу акцентирования того или иного компонента триады. Предлагаемый нами подход ориентирован на классические геоморфологические представления о значимости не только морфологических, но и историко-генетических характеристик рельефа. Вместе с тем в нем используются возможности геоинформационных технологий. Суть предлагаемого метода сводится к применению ГИС и ДЗ для распознавания форм и морфокомплексов, отличающихся спецификой и длительностью своего образования.

Методика исследования

Выделению морфокомплексов предшествует этап проработки данных государственного геологического картирования, литературных и фондовых источников о происхождении и возрасте рельефа изучаемой территории. В случае необходимости, проводятся экспедиционные исследования. На основе анализа этих данных выявляется набор морфокомплексов, наиболее распространенных в пределах рассматриваемой территории, что является необходимым условием для автоматического картографирования. Таким образом, предлагаемый подход ориентирован на распознавание и автоматическое оконтуривание форм и типов рельефа с определенными генетическими и возрастными характеристиками, а не на формализованное выделение форм земной поверхности и их сочетаний вне историко-генетического контекста. Методика реализована на основе применения достаточно популярных среди геологов и географов программных пакетов ENVI и ArcGIS, что обеспечивает ее тиражируемость.

Для выделения морфокомплексов на основе морфометрических показателей нами использовались два способа, представленных на технологической схеме (рис. 1). Каждый из них может быть реализован автономно, но они могут и дополнять друг друга. Сначала необходимо выбрать (или построить) цифровую модель рельефа. Для сред-

Цифровая модель рельефа (ЦМР)

И

to

s

е а и

Определение диаметра скользящего окна такого, чтобы в него попадали типовые сочетания элементов форм рельефа

~лг

Построение морфометрических показателей

ИИ

Выделение форм рельефа на основе статистического анализа морфометрических показателей

Определение диаметра скользящего окна, отражающего густоту типовых сочетаний форм рельефа

ИИ

Построение плотностных схем по формам земной поверхности

ИИ

Оверлейные операции для выделения районов с разным площадным соотношением типовых форм

Определение диаметра скользящего окна такого; чтобы в него попадали типовые сочетания форм рельефа

ТГ

Построение морфометрических показателей

Нормировка морфометрических показателей на максимумы, конвертация в растр и подгрузка в виде каналов в программный пакет ЕМУ1

Подбор эталонных полигонов

Построение дихотомической схемы последовательности разграничения разных морфокомплексов и их группировок

ж

разным наборам показателей с последовательным построением масок

ии

Построение схемы морфокомплексов исследуемой территории

Рис. 1. Технологическая схема выделения морфокомплексов

немасштабного картографирования целесообразно использовать цифровую модель рельефа SRTM открытого доступа с исходным размером ячейки для 55-56° широты примерно 90 х 60 м. Для построения морфометрических показателей исходная сетка ЦМР была генерализована в программе ENVI 4.5 до разрешения 100 х 100 м, в связи с тем, что программный пакет ArcGIS работает только с равносторонней ячейкой. Для этого на языке программирования IDL был написан модуль, позволяющий переконвертировать цифровую модель рельефа из формата GeoTiff в формат ASCII. Затем с помощью функции Rasterize point data, используя линейную интерполяцию, была получена цифровая модель рельефа с размером ячейки 100 х 100 м.

Морфометрические показатели рассчитываются в модуле Spatial Analyst с использованием процедуры Neighborhood Statistics. В качестве входных параметров было указано следующее: тип статистики - среднее/диапазон, окрестность - круг, радиус (для первого способа - 10 км, для второго - 5 км), размер ячейки - 100 м. На основе таких абсолютных морфометрических показателей как: высоты, углы и азимуты падения склонов (субмеридиональная и субширотная проекции) - были рассчитаны 4 показателя средних и 4 показателя их диапазонов (максимальное значение минус минимальное).

Рассмотрим подробнее первый способ выделения морфокомплексов - по удельному площадному соотношению типовых форм. Изначально необходимо подобрать размер скользящего окна так, чтобы в него попадали основные элементы форм земной поверхности (грани и ребра). Это позволяет на основе анализа сочетания элементов выделять формы. Далее подбирается размер окна, отражающий густоту распространения тех или иных форм на исследуемой территории. Размер окна должен быть такой, чтобы на порядок превышать средний размер типичных форм. В подобранном окне строятся карты плотности каждой из форм в сеточном формате. Нормировав эти плотностные карты на 100% заполнения окна, получаем карты плотности форм с из-

вестным процентом их удельной площади в окне. Наложение плотностных схем друг на друга дает представление о типах рельефа, где доминируют те или иные формы. В местах, где соседствует несколько разных форм, получаем контуры комплексного рельефа. Технологически сопряженный анализ плотностных карт осуществляется с помощью оверлейных операций. Результатом является итоговая схема типов рельефа, состав

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком