ГЕОМОРФОЛОГИЯ
№ 3 июль-сентябрь 2008
МЕТОДИКА НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 551.4.012:551.435.36(-925.22)
© 2008 г. Н.В. ЛАВРЕНТЬЕВ, А.Л. ЧЕПАЛЫГА
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ РЕКОНСТРУКЦИЙ БЕРЕГОВЫХ ЛИНИЙ ХВАЛЫНСКОГО БАССЕЙНА (НА ПРИМЕРЕ ПРИКАСПИЙСКОЙ НИЗМЕННОСТИ)
Реконструкциями параметров хвалынской трансгрессии Каспия занимаются уже чуть более ста лет, с тех пор, когда Н.И. Андрусовым и П.А. Православлевым была выделена хвалынская трансгрессия Каспия [1, 2]. За это время были проведены полномасштабные исследования основных стадий осцилляций хвалынского бассейна, вычислены площади и реконструирована конфигурация древних береговых линий. Казалось бы, тема уже исчерпана и не вызывает вопросов. Однако появление ГИС-техно-логий, а также применение цифровой модели рельефа (ЦМР), позволяют дополнить и уточнить предыдущие исследования.
О важности применения сравнительного картографического метода писал О.К. Леонтьев [3], один из ведущих исследователей, изучавших геоморфологическую составляющую хвалынской трансгрессии. На базе современного развития ГИС-систем, эти идеи могут получить новое воплощение. Разумеется, для реконструкции древних береговых линий должен применяться весь комплекс методов. Однако в рамках нашей статьи мы ограничимся сравнительным картографическим методом. В качестве примера реконструкций древних береговых линий с использованием ГИС-технологий, мы взяли максимальную стадию позднехвалынской трансгрессии с отметкой 0 м абс.
Методика исследования
Нами была применена ЦМР, представляющая собой матрицу с Y-, X- и Z-координа-тами (широта, долгота, высота), по которым ГИС-программы строят поверхность (рельеф). Более подробная информация о цифровом моделировании рельефа представлена в статье К.А. Мальцева [4].
В нашей работе мы использовали ГИС-программу Global Mapper, которая отличается простым и в то же время функциональным интерфейсом. Здесь имеются все необходимые инструменты для проведения палеореконструкций береговых линий морских бассейнов.
Опыт использования ЦМР для подсчетов морфометрических показателей современного Каспийского моря представлен в работах М.В. Болгова и др. [5]. Данные о морфометрических зависимостях современных бассейнов для нас важны, так как являются исходными точками для подсчетов морфометрических показателей древних морских бассейнов. Также в статье М.В. Болгова и др. дана сравнительная характеристика традиционных методов получения морфометрических показателей и методов с использованием ЦМР.
В традиционной методике, в качестве основы для проведения реконструкций древних береговых линий, используются крупномасштабные топографические карты, в основном м-ба 1:100000, с шагом горизонталей 20 м. Эти методы достаточно трудоемки, а фиксированный шаг горизонталей затрудняет отображение нестандартных высотных уровней древних береговых линий. Обработка ЦМР ГИС-программами позволяет отображать рельеф по удобной пользователю высотной шкале; строить трехмерные карты с отмывкой, что делает более наглядным рельеф; легко считать площади и объемы древних морских бассейнов, проводить другие морфометрические измерения; на базе единой координатной основы привязывать отсканированный (растровый) картографический материал, в том числе палеореконструкции границ распространения хвалынской трансгрессии, изданные в разное время.
Мы использовали готовые ЦМР, главным образом SRTM [6], опубликованные на сайте NASA. Цифровая модель рельефа SRTM (Shuttle radar topographic mission) - результат проведенной в феврале 2000 г. с борта космического корабля "Шаттл" интер-ферометрической съемки поверхности Земли. В настоящее время на территорию Прикаспия доступны ЦМР SRTM 3 [6] с 3-секундным разрешением и более генерализованная версия ЦМР SRTM 30 [7], c 30-секундным разрешением.
Применение радиовысотных данных о рельефе - хорошая альтернатива топографической съемки, полученной традиционными методами. Возникает вопрос об оценке точности высотных данных SRTM. В статье Л.А. Муравьева [8] представлена сравнительная характеристика SRTM с более точными данными топографической съемки местности м-ба 1:5000. По мнению автора, неточность отображения высотных данных SRTM по сравнению с топографической съемкой м-ба 1:5000 является следствием "гуляющих" плановых координат (X и Y) с амплитудой 30 м, особенно хорошо высотные искажения видны на крутых склонах речных долин и оврагов, где корректная плановая привязка высотных данных особенно актуальна.
Использование SRTM 3, для палеореконструкций, начиная с м-бов 1:50000 и 1:100000, можно считать корректным, так как отклонение плановых координат в среднем на 30 м отображается в м-бе 1:100000 как 0.03 мм, в м-бе 1:50000 - 0.06 мм. В качестве примера представлена ЦМР участка долины р. Яшкуль (рис. 1), оцифрованная нами по данным топографических карт м-ба 1:200000 с шагом горизонталей 20 м, а также для сравнения показана SRTM 3, где мы также задали шаг горизонталей через 20 м. На этом примере хорошо видно, что данные, полученные в ходе радарной съемки SRTM 3, являются более полными, и не противоречат отечественной топографической основе, что делает возможным использование SRTM 3 для реконструкций м-бов 1:50000 и 1:100000. Вопрос применения SRTM 3 для более крупномасштабных реконструкций должен решаться в каждом случае индивидуально, в зависимости от поставленной задачи, с учетом отклонения плановых координат в среднем на 30 м. Также необходимо учитывать особенности применения SRTM 3 на территории лесной зоны, поскольку радарная съемка может отображать высоту деревьев, а не реальной поверхности Земли. Например, на территории степной зоны хорошо видны очертания лесных полос. В нашем случае объект исследования - Прикаспийская низменность - плоская, безводная, полупустынная равнина.
В качестве основной ЦМР нами была использована генерализованная SRTM 30, разрешение которой в 10 раз меньше, чем у SRTM 3, что делает возможным применение SRTM 30 для палеореконструкций, начиная с м-ба 1:1000000. Этот масштаб нам подходит в наибольшей степени, так как большинство палеореконструкций хвалынской трансгрессии являются мелкомасштабными. Вторая причина применения "грубой" SRTM 30 заключалась в том, что при визуализации SRTM 3 морфоскульптуру Прикаспийской низменности "забьет" микрорельеф низменности. Однако, при визуализации SRTM 30, за счет генерализации координатных точек ЦМР микрорельеф низменности будет нивелирован, что даст нам возможность увидеть морфоскульптуру Северного Прикаспия. Правильность генерализации изогипс SRTM 30, к которым приурочены
3* 67
KM
30 4
25-
20-
15-
10-
0
KM
30
25 20 15 10 5 0
SRTM 3
5 10 15 20 25 30 35 40 45 ЦРМ, созданная на основе топокарты 1 : 200000
50 км
Т-1-1-г
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 км
Высоты
20 40 60
100 120 140 160 180 200 м
Рис. 1. Сравнение рельефа участка долины р. Яшкуль по данным 8ЯТМ 3 и данным ЦМР, созданной на топографической основе м-ба 1:200000
основные уровни хвалынской трансгрессии, была проверена по данным более подробной БЯТМ 3.
Визуализация древних береговых форм Прикаспийской низменности
по данным SRTM 30
Понятие визуализация (visualization) в ГИС-системах, компьютерной графике понимается как проектирование и генерация изображений, в том числе геоизображений, картографических изображений и иной графики на устройствах отображения (пре-
5
0
0
0
Рис. 2. Визулизация морфологии рельефа Прикаспийской низменности по данным 8ЯТМ 30
имущественно на экране дисплея) на основе исходных цифровых данных и правил и алгоритмов их преобразования [9].
В данном случае визуализация ЦМР приведена в растровом представлении [9], с отмывкой рельефа, что делает его более наглядным. На рис. 2 представлена визуализация рельефа Прикаспийской низменности по данным БЯТМ 30.
Прикаспийская низменность на северо-западе ограничена долиной Волги и Приволжской возвышенностью. С запада ее окружают возвышенности Ергени и Ставропольская, разделенные Манычской впадиной. Северную часть низменности обрамляют увалистые равнины Сыртового Заволжья, которые обрываются крутыми склонами Общего Сырта. На востоке за р. Урал низменность ограничена Подуральским плато, на юго-востоке чинками Устюрта.
Поверхность низменности наклонена в сторону моря, абсолютные отметки, составляющие у окраин низменности 45-50 м, снижаются к югу до -28 м [10]. На уровне 49 параллели низменность простирается с запада на восток почти на 700 км. Протяженность вдоль 50 меридиана около 480 км. Для рельефа низменности характерен небольшой перепад высот с уклоном менее 0.000154 с севера на юг. Это говорит о том, что применение традиционной м-ба 1:100000 топографической основы имеет ограничения из-за шага горизонталей 20 м. Поэтому для выявления древних береговых форм, не попадающих в 20-метровое разрешение традиционной топоосновы, оптимально применять цифровую модель рельефа БЯТМ 30, которая имеет 30-секундное разрешение, равное примерно 1 координатной точке (широта, долгота, высота) на километр, что позволяет более эффективно, в условиях плоского рельефа Прикаспийской низменности, выявлять морфоскульптуру рельефа низменности. Возможность применения более подробной БЯТМ 3 оговорена выше.
Используя БЯТМ 30, нами были заданы высотные уровни, которые соответствуют основным осцилляциям хвалынской трансгрессии. Наиболее выраженной оказалась изогипса +50 м. Очень хорошо фиксируется и нулевая изогипса (рис. 3 и 4). По ней
44°
48°
52°
56°
Рис. 3. Реконструкции береговой линии позднехвалынского бассейна (0 м абс.) по данным разных авторов Для всех частей рисунка: 1 - территория ниже 0 м абс. (по данным 8ЯТМ 30); береговая линия позднехвалынского бассейна: 2 - по [13], 3 - по [11], 4 - по [14], 5 - по карте четвертичных (неоплейстоценовых) отложений и элементов палеогеографии Каспийского региона [15], 6 - по [16]; 7 - изолиния 0 м абс. М-б 1:15000000 [17, с. 192]
Рис. 4. Предполагаемая береговая линия позднехвалынского бассейна
1 - предполагаемая береговая линия позднехвалынского бассейна, 2 - территория ниже 0 м абс. (по данным SRTM 30), 3 - Камыш-Самарские озера
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.