ОКЕАНОЛОГИЯ, 2015, том 55, № 2, с. 326-336
МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 551.465
О МЕТОДАХ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ РЕЛЬЕФА ДНА
(НА ПРИМЕРЕ БЕЛОГО МОРЯ)
© 2015 г. C. Л. Никифоров1, С. М. Кошель2, В. В. Фроль2, О. Е. Попов3, О. В. Левченко1
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва 2Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, географический факультет Москва 3Акустический институт РАН, Москва e-mail: nikiforov@ocean.ru Поступила в редакцию 25.11.2013 г., после доработки 06.02.2014 г.
Основой для создания цифровой модели рельефа (ЦМР) дна Белого моря являлись навигационные карты различного масштаба. Проводилось сканирование карт и обработка их растровых образов, векторизация изобат и создание атрибутивных таблиц, трансформирование векторных слоев из проекции карты в географические координаты, а также редактирование и сшивание листов, коррекция геометрии и атрибутов. При создании ЦМР важен выбор алгоритма, который позволил бы сохранить в модели выраженные в исходных изобатах формы рельефа дна с максимальной детальностью. Был использован оригинальный, разработанный и реализованный авторами алгоритм, основанный на быстром вычислении расстояний до двух ближайших изобат разного уровня. Его главная особенность — интерпретация изолиний как векторных линейных объектов. Сравнение глубин из построенной цифровой модели ЦМР дна с глубинами, измеренными при проведении эхолотных промеров в натурных условиях, показало их хорошее соответствие. Актуальными являются не только созданная цифровая модель рельефа дна, но и методические и методологические основы цифрового моделирования, включая новые классификационные подходы к описанию рельефа.
DOI: 10.7868/S0030157415020136
Цифровая модель рельефа (ЦМР), в том числе дна морских акваторий, является важнейшим компонентом базы пространственных данных геоинформационных систем (ГИС) различной направленности. Преимущество многослойной оболочки ГИС заключается в возможности формировать неограниченное число слоев, характеризующих те или иные свойства морского дна, ограничениями служат рациональность и оптимизация действий при решении поставленных задач, здравый смысл и операционная мощность вычислительной техники.
Данные о батиметрии морского дна необходимы для морской геологии и геоморфологии, а также картографии, палеогеографии, геоэкологии, гидроакустики и множества других прикладных направлений исследований, а именно:
проведения мониторинга и определения возможного изменения рельефа и структуры морского дна в условиях нарастающего антропогенного воздействия, включая разработку и эксплуатацию месторождений углеводородов;
планирования и организации морской деятельности в условиях возможного увеличения сроков навигации в Арктике;
использования данных о свойствах дна для проектно-строительных работ;
определения границ распространения на шельф многолетнемерзлых пород и последствий их вероятной деградации в условиях потепления; развития оперативной океанологии; разработки и эксплуатации гидроакустических средств подводного наблюдения, в том числе для прогноза их потенциальной дальности действия, а также при обработке гидроакустической информации.
Информация о морском дне необходима и при решении глобальных геополитических задач — например, определении внешней границы арктического континентального шельфа РФ, для чего, согласно требованиям Конвенции ООН по морскому праву, кроме всего прочего, необходимо создание модели рельефа дна [11].
Моделирование рельефа дна, с некоторой долей условности, можно разделить на два типа — создание генеральных моделей рельефа дна крупных акваторий в условиях резкого дефицита пространственно-координированных отметок глубины и моделирование рельефа дна небольших по площади участков с достаточным количеством данных. Генеральные модели рельефа дна должны являться основой для определения "ключевых" участков шельфа с детальным промером глубин для решения как фундаментальных, так и,
Таблица 1. Морфометрические характеристики рельефа шельфа
Морфометрические группы рельефа Структурно-геоморфологическая принадлежность Размер (наиболее типичный)
Мегарельеф Шельф в целом — крупнейший структурный элемент в планетарном плане Ширина — от берега до бровки — десятки, сотни и тысячи км
Макрорельеф Протяженные равнины, крупные структурные поднятия и депрессии, как правило, структурно обусловленные Протяженность — сотни км
Мезорельеф Экзогенные формы рельефа, реже структурные, формирование и развитие которых связано с особенностями палеогеографических и (или) современных процессов Протяженность менее сотни км, обычно десятки км
Микрорельеф Экзогенный рельеф, связанный с проявлением современных процессов (волновые знаки ряби, биотурбационные признаки и т.д.) Относительная высота (глубина), протяженность — метры и сантиметры
особенно, практических задач. При промышленном освоении шельфа они необходимы на стадии обоснования, планирования и определения георисков, разведки и строительства, а на стадии эксплуатации служат основой для проведения мониторинга, обеспечения мероприятий по отражению возможных угроз, включая природные и т.п. Данный подход наиболее адекватен для оптимизации материальных затрат, учитывая большую, а порой огромную, стоимость натурных изысканий. Необходимо учитывать и то, что именно генеральные модели сводят к минимуму возможные и неизбежные ошибки на всех стадиях изысканий и эксплуатации. Несмотря на логичность (по крайней мере, для авторов) предлагаемых решений, до настоящего времени данная последовательность действий не очевидна для многих производственных организаций и объединений.
Моделирование рельефа дна крупных акваторий всегда проводится в условиях дефицита данных гидрографического промера, а равномерной и детальной изученности рельефа дна не стоит ожидать и в ближайшем будущем. Поэтому, необходимо использовать имеющуюся геолого-геоморфологическую информацию. Однако при составлении цифровых карт рельефа дна редко учитывается его происхождение, структурная принадлежность, палеогеографические условия формирования и современные особенности развития, не привлекаются геофизические, геологические, геоморфологические и другие данные и не проводится их комплексный анализ. При компьютерной обработке данных, как правило, проводится механическая интерполяция глубин по регулярной (или по нерегулярной) сетке отметок.
По морфометрическим признакам, рельеф шельфа, с некоторой долей условности, можно разделить на следующие группы (табл. 1).
Рельеф шельфа каждого из арктических морей имеет собственную специфику, связанную как с
современными процессами, так и с историей развития. Наибольшее влияние на его эволюцию оказало последнее (вюрмское) оледенение. Оледенения оставили свои следы преимущественно на шельфе западной части Российской Арктики (включая Белое море), тогда как восточная его часть в ледниковые эпохи осушалась и дренировалась реками [10, 16, 19 и др.]. Благодаря деятельности покровных ледников существенные изменения претерпели первично тектонические и эрозионные формы рельефа, что привело к формированию фиордовых, фиардовых и шхерных берегов, а на шельфе — подводных фиордовых долин, окраинных желобов и т.д. Характерными признаками этих образований является наличие порогов, боковых и напорных морен, связанных с аккумулятивной и эрозионной деятельностью ледников.
В конце прошлого столетия на основе анализа ведущих рельефообразующих процессов была создана морфогенетическая классификация форм и типов рельефа [3], однако она имела высокую степень генерализации и в ней не были учтены региональные особенности формирования рельефа именно шельфа Арктики. Поэтому за основу взята более новая морфогенетическая классификация форм и типов рельефа, глобально модернизированная и детализованная специально для арктических морей [7, 8, 15, 17, 18 и др.]. В классификации учитывается сложное взаимодействие различных природных факторов, определяющих происхождение и морфологическую выраженность различных форм рельефа дна. При этом генезис рельефа шельфа определяется не отдельно взятым процессом, а является результатом взаимодействия современных и древних экзогенных процессов совместно с учетом структурно-геологической принадлежности. Используя данный подход, можно определить тенденцию изменения морфологии рельефа в будущем. В классификации оха-
рактеризован основной комплекс эндогенных (структурных) и экзогенных (или скульптурных) форм рельефа с учетом их специфических особенностей формирования и развития в полярной зоне. В основе всех крупных форм рельефа шельфа, так или иначе, лежит тектоническая структура, на которую впоследствии накладываются формы рельефа экзогенного происхождения. Геологическими структурами определяется положение крупных форм рельефа, таких как синклинальные подводные впадины, антиклинальные и брахиантиклинальные подводные возвышенности, равнины, флексурные уступы и т.п. Несмотря на то, что они все, в большей или меньшей степени, переработаны современными или (и) древними экзогенными процессами, доминантными являются или являлись именно эндогенные процессы. Формирование экзогенного рельефа, наоборот, связано с определяющим влиянием современных или древних субаквальных (субаэральных) процессов морфогенеза (климатические, гидрофизические и др.).
Основой для создания ЦМР дна Белого моря являлись навигационные карты различного масштаба. Следует отметить, что цель гидрографического промера (и, как результат, навигационные карты) направлена не на выявление морфометри-ческих геолого-геоморфологических особенностей рельефа дна, а на указание опасных участков именно для мореплавания — указание расположения мелей, отличительных глубин и других подводных объектов. При этом каждая из проводимых изобат имеет свое назначение, например: 2-х метровая ограничивает глубины опасные для плавания всех видов кораблей; 5-ти метровая — глубины не доступные для судов со средней осадкой; 10-ти метровая — для судов с большой осадкой; 10-20-ти метровая — глубины доступные для всех судов. Поэтому, данные промера в отрыве от гео
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.