ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2015, № 4, с. 365-376
МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 551.435.83:528.8.044.204
ИССЛЕДОВАНИЕ КАРСТОВОГО РЕЛЬЕФА ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ПЛАТО ЛАГО-НАКИ МЕТОДАМИ ВЫСОТНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ (LIDAR) И ДЕШИФРИРОВАНИЯ АЭРОФОТОСНИМКОВ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
© 2015 г. Т. В. Орлов, С. А. Садков
Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН, Уланский пер., д.13, стр.2, Москва, 101000 Россия. E-mail: dist@geoenv.ru
Поступила в редакцию 25.09.2014 г.
В условиях высокой залесенности использование высотного лазерного сканирования (LIDAR) дает возможность получения данных высокой точности о текущем состоянии форм рельефа. На основе облака точек LIDAR созданы растровые цифровые модели рельефа (ЦМР) 2-х ключевых участков плато Лаго-наки (Краснодарский край и Республика Адыгея). Проведена оценка распространения на территории плато карстовых понижений с помощью аэрофотоснимков и ЦМР, построенной по данным LIDAR. Апробированы различные методы анализа карстового рельефа с использованием открытого программного обеспечения SAGA-GIS (растеризация данных лазерного сканирования и расчет морфометрических индексов) и ImageJ (преобразования Фурье и двумерный частотный фильтр). Исследовано состояние карстового рельефа территории методами математической морфологии ландшафтов.
Ключевые слова: карст, LIDAR, цифровая модель рельефа, морфометрия рельефа, математическая морфология ландшафтов, ImageJ.
ВВЕДЕНИЕ
Лазерная локация - быстро развивающаяся новейшая отрасль цифровой фотограмметрии, широко применяемая в различных науках о Земле, в том числе при решении задач инженерного проектирования, земле- и лесоустройства, экологического мониторинга и др. Использование лазерного сканера (или лидара) позволяет в короткие сроки получать большие объемы геоданных с абсолютной точностью сантиметрового порядка как по горизонтали, так и по вертикали. Дополнительные преимущества метода состоят в получении готовых данных в электронном формате, удобном для последующей компьютерной обработки и интеграции с геоданными из других источников. Определенные ограничения на возможности метода накладывают дискретный характер получаемых данных, сильная зависимость их точности от высоты съемки и состояния атмосферы [5].
Весьма ценными данные лазерного сканирования оказываются при выявлении быстро
развивающихся карстовых форм рельефа на залесенных территориях при слабо нарушенном лесном пологе. В отличие от стереотопографиче-ского метода, лидар не зависит ни от прозрачности крон, ни от высотной структуры древостоя. С другой стороны, преимущества перед полевыми геодезическими работами в скорости измерений делают метод оптимальным для мониторинга активизации потенциально быстро развивающихся карстовых процессов.
Высокая точность получаемых при лазерном сканировании данных о рельефе позволяет наряду с пространственным расположением карстовых форм рельефа получить информацию об их морфометрии: глубинах, конфигурации склонов и днища, наличии провалов на дне воронок.
Исследование морфометрических характеристик рельефа может быть проведено как непосредственно по существующей модели рельефа, так и по виртуальной модели, полученной в результате фильтрации высоких частот растровой ЦМР.
ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ
Район исследования - восточная часть плато Лаго-наки (граница Краснодарского края и Республики Адыгея). Собственно, плато располагается на северном макросклоне Западного Кавказа, от предгорий с абсолютными высотами порядка 800-1000 м над уровнем моря до горы Фишт (рис. 1).
Рельеф территории по большей части представляет собой ряд платообразных поверхностей, имеющих северный уклон различной крутизны, ограниченных обрывами и долинами горных рек. На поверхностях плато развиваются карстовые формы рельефа: провалы, воронки, блюдца.
В качестве ключевых выбраны 2 участка плато на северо-восточной и северо-западной оконечностях плато. Они имеют высокую залесенность
(до 95%), что затрудняет картирование поражения этих территорий карстовым процессом. Склоны покрыты (до 1200-1600 м) преимущественно буковыми лесами (из бука восточного, часто с грабом кавказским) на горно-лесных бурых и дерново-карбонатных почвах [4].
Северо-восточный участок охватывает залесенное подножие плато Лаго-наки на территории Краснодарского края, расчлененное речными долинами на три неравных наклонных плато. Дневная поверхность водоразделов на этой территории сложена преимущественно элювиально-делювиальными отложениями дисперсной зоны коры выветривания коренных пород, слагающих водоразделы и пологие склоны. Преобладают суглинки с неокатанным обломочным материалом, обломками, щебнем и дресвой. Мощность этих отложений доходит до 15 м. Они подстилаются рифовыми обломочными и органогенными
Рис. 1. Расположение района исследования и ключевых участков (обозначены римскими цифрами). ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ № 4 2015
карстующимися известняками лагонакской свиты средне-верхнеюрского возраста мощностью до 850 м1.
Наибольшая часть участка занимает северо-восточную оконечность Лаго-наки общей площадью 21.6 км2. Он ограничен долинами рек Курджипс и Мезмай и простирается от хребта Азиш-Тау (1600 м) до Камышановой поляны на севере (1200 м). Другая часть занимает плато Утюг (площадь 6.7 км2), при перепаде высот от 1300 до 1700 м н.у.м. Небольшая слабо закарстованная часть участка площадью 1.9 км2, сильно расчлененная речными долинами, занимает юго-западную оконечность северо-восточного участка на территории Республики Адыгея. Перепад высот на этом участке наименьший: от 1500 до 1700 м.
Северо-западный ключевой участок расположен на территории Майкопского района Республики Адыгея, в междуречье рек Цице и Шумичка (площадь 7.3 км2). В отличие от остальных исследуемых территорий, поверхность данного участка сложена ледниково-флювиогляциальными отложениями водораздельных и высоких частей склонов: плохо окатанными глыбами, валунно-галечниковыми отложениями, щебнем и дресвой с песками и суглинками. Подстилаются они кар-стующимися известняками средне-верхнеюрского возраста (см. сноску 1).
Перепад абсолютных высот составляет от 950 до 2000 м н.у.м. Участок выделяется своим расположением на верхней границе леса. Северная его часть занята широколиственными лесами, южная - луговой альпийской и субальпийской растительностью, и лежит на территории Кавказского Биосферного заповедника. Таким образом, на данном участке верхняя граница леса лежит существенно ниже типичного для данного типа ландшафтов уровня, равного 2300-2400 м [4].
В пределах исследуемой территории было выделено 4 ключевых участка, каждый из которых представляет собой наклонное плато, в той или иной степени пораженное карстовыми процессами (см. рис. 1).
1 Экспертная оценка результатов инженерных изысканий (в том числе архивных данных) для разработки проектов планировки территорий горно-рекреационных курортов "Лаго-наки" и "Матлас", а также анализ размещения участков застройки с точки зрения опасности геологических процессов//Научно-технический отчет по проекту "Проект создания туристического кластера в Северо-Кавказском федеральном округе, Краснодарском крае и Республике
Адыгея". Этап 3. Книга 5. Актуализация картографических материалов по территории горно-рекреационного курорта "Лаго-наки". М.: ИГЭ РАН, 2012. 42 с.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве исходных данных для построения цифровой модели рельефа использовались результаты лазерного сканирования. Средняя плотность точек составляла около 1.5 млн точек на км2 (1.5 точ./м2). Густое расчленение рельефа территории при значительных перепадах высот обусловливает весьма неравномерную плотность покрытия территории точками лазерного сканирования (рис. 2).
Были использованы данные лидара, полученные в ходе инженерно-геологических изысканий по проекту создания туристического кластера в Южном Федеральном округе, Краснодарском крае и Республике Адыгея. Полевая заверка полученных результатов не проводилась.
Для сравнения с результатами дешифрирования данных высотного лазерного сканирования использовались аэрофотоснимки (АФС) в видимом диапазоне с пространственным разрешением 20 см/пиксель.
Методика исследований включала следующие основные элементы:
• создание ЦМР на основе данных высотного лазерного сканирования с последующим визуальным дешифрированием карстовых форм рельефа по ЦМР;
• визуальное дешифрирование карстовых форм рельефа по АФС видимого диапазона;
• сопоставление результатов дешифрирования карстовых форм рельефа с двумя указанными выше методами;
• исследование ландшафтного рисунка территории, пораженной карстовыми процессами, методом математической морфологии ландшафта.
В среднем плотность точек выполненной ли-дарной съемки достаточна для создания растровой ЦМР горных территорий с величиной пикселя 20 см. Однако при дешифрировании было установлено, что на ключевых участках допустимо увеличить ее до 2 м. Информативность модели при этом не снижается, однако многократно возрастает скорость ее обработки. Аналогичный результат демонстрирует применение высотного лазерного сканирования на других горных территориях [9]. Увеличение пространственного разрешения не имеет смысла ввиду неравномерного покрытия территории точками с отметками высот (см. рис. 2). На участках со слабым покрытием
Рис. 2. Пример распределения точек на поверхности ключевого участка.
большинство пикселей более высокого разрешения не будут включать ни одной отметки и нести дополнительной информации о рельефе. На участках с высокой плотностью высотных отметок увеличенный размер пиксела позволяет компенсировать погрешности измерения высот. Кроме того, как будет показано ниже, характерные размеры карстовых форм составляют сотни метров в плане и метры-десятки метров по глубине, что лишает смысла точное отображение нанорельефа для задачи их картографирования.
Для равнинных территорий плотность от 1.2 точ./м2 и выше позволяет практически полностью свести ошибки определения абсолютных высот к нулю [1]. Однако, у
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.