Анализ Рельефа

Аннотация.

На протяжении всего существования людей на планете человек не переставал осваивать новые территории. Рельеф постоянно взаимодействует с человеком, его формы позволяют человеку освоить равнинные территории для ведения сельского хозяйства, разрабатывать горные месторождения полезных ископаемых, строить надежные инженерные сооружения.

Формы земной поверхности определяют размещение и разнообразие растительности, и способны даже формировать определенны микроклимат территории. Рельеф территории является важнейшим физико-географическим элементом местности, влияет на почвообразовательные процессы, характер надземных и поверхностных вод и т.д. Но сильнее всего рельеф влияет, конечно, на структуру и размещение дорожной сети, зональное деление и планирование территории.

Основные понятия о рельефе.

Для того чтобы приступить к анализу рельефа разберем его основные понятия и основополагающие. Рельеф – нематериальный компонент природной среды. Он отражает неровности поверхности земной коры, которые создаются эндогенными и экзогенными процессами и состоит из форм рельефа. Объемное восприятие рельефа возможно, если амплитуды относительных высот превышают предел стереоскопичности и в среднем 10–15 м. В этих случаях элементы и формы рельефа распознаются по прямым признакам дешифрирования. Малые формы рельефа могут выявляться по свойственным только им плановым очертаниям и рисункам (овраги, барханы, конусы выноса), которые также относятся к прямым признакам. Однако в большинстве случаев они индицируются по косвенным признакам – изменениям растительности, почв, увлажнения. В целом рельеф земной поверхности – один из наиболее полно и легко распознаваемых на снимках компонентов среды Рельеф – относительно стабильный компонент ландшафта. Это определяет важность дистанционных методов анализа рельефа для решения задач геодезии, картографии, экологии, оценки природных ресурсов. Для изучения рельефа, так же, как и других компонентов, ценны такие свойства космических изображений как охват больших территорий, возможности генерализации, многозональность.

Разобрав основные понятия рельефа, нужно перейти к его составляющим. Именно составляющие рельефа, формы и его элементы позволяют проанализировать неровности Земной поверхности.

Анализ существующего рельефа в общем виде проводится по нескольким пунктам:

1. Оценка крутизны склона

2. Определение формы рельефа

3. Определение уклона

1. Крутизна склонов (уклон) вычисляется по формуле:

I = h/l, где

I - уклон в %, ‰ или абсолютных единицах;

h - разность высот между точками ската, м;

l - горизонтальное заложение (расстояние между точками местности, м).

2. Формы рельефа чрезвычайно разнообразны. Они классифицируются по размерам, происхождению, форме, возрасту и другим признакам. Основными общепринятыми формами рельефа считаются: гора (вершина), котловина, хребет, лощина, седловина, терраса, овраг и т.д.

Рис. 1 Основные формы и элементы рельефа

Формы рельефа в свою очередь состоят из более простых геометрических объектов – элементов рельефа. К элементам рельефа относят грани или плоскости, ребра или перегибы граней, бровки, подошвы и т. д. их условно относятся к «неделимым», хотя при крупных размерах их составляющие могут различаться. Например, высокие склоны могут менять уклоны, кривизну и характер расчленения при движении от бровок к основанию. Гребни хребтов, бровки и основания склонов меняют углы, резкость, плановые очертания. В ландшафтоведении подобные изменения позволяют выделять моно- или полифациальные склоны, поверхности пойм, террас или конусов выноса. Дешифрирование при соответствующем разрешении также способно выделять эти детали. Если цвет элементов и их частей зависит от почвенно-растительного покрова, поверхностных отложений и увлажнения, то тон меняется главным образом от степени освещения, которая зависит от экспозиции, уклонов, времени съемки и погодных условий.

Рис. 2 Элементы холма и котловины

Так как формы рельефа состоят из элементов, и поэтому особенности их дешифрирования во многом аналогичны рассмотренным выше. Отличием является необходимость одновременного распознавания ряда элементов, которые в совокупности передают параметры и характеристики форм. Такие признаки распознавания как очертания в плане, стереоскопичность и тоновые контрасты элементов имеют решающее значение.

Разнообразие форм рельефа формирует необходимость в использовании масштабных рядов космических изображений и законов генерализации. Анализ снимков разного масштаба показывает, что в большинстве случаев выделяются три вида изображения форм рельефа:

• нераспознаваемые, определяющие структуру тона, размером до 0,1 мм;
• распознаваемые, но не картографируемые, размером 0,1–1,0 мм;
• распознаваемые и картографируемые, размером более 1,0 мм.

Таблица 1 Геологические процессы, формы рельефа, указывающие на процесс и признаки их дешифрирования

Методы анализа рельефа.

В полевых условиях для выявления геологических структур, форм рельефа и современных движений изучают строение речных долин, определяют их форму (широкая, V-образная и др.), крутизну и форму склонов (пологие, крутые, выпуклые и т. д.), форму русел, их меандрированность, измеряют высоту и ширину террас и пойм, выявляют их деформации, определяют их относительный возраст. Большое значение имеет изучение разновозрастного аллювия, его фаций и мощностей и изменение этих характеристик на разных участках долин. На побережьях морей изучают современные и древние береговые линии и их деформации. Непосредственно в поле на склонах и водоразделах возвышенностей выделяются поверхности выравнивания, которые прослеживаются на дальние расстояния, определяется их морфология (холмистые, горизонтальные и т. д.), выявляются участки их деформаций. Изучаются все другие экзогенные формы рельефа — ледниковые, криогенные, их площадное распространение, приуроченность к разновысотным поверхностям, соотношение с другими формами и т. д.

В полевых условиях применяются некоторые геологические методы, в частности изучение петрографического и минералогического состава обломочного материала в различных отложениях — гляциальных, аллювиальных и др. — позволяет определить области денудации, пути переноса материала. Большое значение имеет изучение фаций и мощностей аллювия, изменение этих характеристик на разных участках долин.

Рис. 3 Схема строения поймы

Картографические методы

В камеральных условиях важное значение имеет картографический метод. По топографическим картам разного масштаба можно получить довольно обширную информацию о рельефе. По особенностям гипсометрии выделяются положительные и отрицательные формы рельефа, которые во многих случаях отвечают соответственно положительным и отрицательным структурным формам. На картах измеряются уклоны продольных профилей речных русел и террас, определяются их форма, изучаются общий рисунок эрозионной сети и морфология долин на отдельных участках, рисунок меандров и др., форма дельт и их деформации и т. д. По рисунку эрозионной сети, контурам побережий морей и озер, отдельных форм рельефа могут быть получены данные о проявлении новейших тектонических движений, разрывных и складчатых структур. Большое значение при камеральном изучении рельефа имеют составление и анализ геолого-геоморфологических профилей. Они позволяют выделить и скоррелировать, т. е. взаимно увязать на больших площадях поверхности выравнивания разного генезиса и возраста, речные и морские террасы.

Рис. 4 Определение крутизны склона по топографической карте

Методы анализа на основе ЦМР

Цифровая модель рельефа (ЦМР) — это разновидность трехмерных моделей местности, которая содержит данные только высотных показателей поверхности (без деревьев, домов и других объектов). Кроме привычных методов в последние годы ЦМР создаются после обработки снимков, полученных беспилотными летательными аппаратами (БПЛА).

Для построения ЦМР применяют множество высотных пикетов – точек с известной геодезической координатной привязкой. При этом создание цифровой модели осуществляется только по точкам, классифицируемым как точки рельефа земли. Для определения каждой высоты используют правило интерполяции высот, обеспечивающее получение детальную цифровую модель рельефа с различным расположением пикетов высоты.

Цель цифровой модели рельефа – получение информации о рельефе с заданной точностью и детальностью на заданный участок местности для использования при решении следующих задач:

• отображение рельефа при создании и обновлении цифровых топографических карт и планов различных масштабов;
• составление тематических и специальных карт, планов для специального назначения;
• гидродинамическое моделирование затопления местности;
• построение трехмерной геологической модели;
• радарная (радиолокационная) интерферометрия;
• создание навигационных карт различной степени детализации с адресной информацией;
• создание топографических планов
• прогнозирование ландшафтных процессов;
• территориальное планирование;
• строительство автомобильных дорог, магистралей и развязок;
• природоохранительные задачи (в том числе моделирование экологических ситуаций);
• изучение и количественная оценка современного состояния природной среды;
• выполнение землеустроительных и кадастровых работ;
• создание цифровых моделей местности для планирования и развития телекоммуникационных сетей;
• определение уровень залегания грунтовых вод.

В настоящее время запущено большое количество космических аппаратов (КА) для получения снимков высокого и сверхвысокого разрешения, разработаны технические и программные средства, которые компания ГЕО «ИННОТЕР» использует для создания ЦМР.

Данные со спутников получают более оперативно, так как они уже могут быть в архиве оператора. Так же используются аэроснимки, полученные с борта самолета или БПЛА.

ЦМР, полученные в результате стереофотограмметрической обработки космических снимков и аэрофотоснимков, обладают высокой точностью и информативностью.

Рис. 5 Пример цифровой модели рельефа (ЦМР)

С помощью новой технологии географических информационных систем (ГИС), в отличие от предшественника - обычных «бумажных» карт, возможно обработать полученные цифровые данные и создать максимально приближенную к действительности пространственную трёхмерную цифровую модель рельефа.

В состав ГИС-пакетов обычно входят специальные средства визуализации ЦМР, обеспечивающие вывод на экран и/или печать двух - и трехмерных изображений рельефа (блок-диаграмм) с возможностью изменения положения точки обзора как по направлению (путем вращения блок-диаграммы рельефа вокруг вертикальной оси), так и высоте, а также наложения на поверхность рельефа любого другого информационного слоя из базы данных (при условии совпадения размера растров), увеличения или уменьшения изображения.

Набор функций пространственного анализа цифровых моделей рельефа в различных ГИС-пакетах существенно различен. В основу построения цифровой модели рельефа положена структурная интерполяционная модель, в которой опорные точки задаются на структурных линиях рельефа - водоразделах и тальвегах. В этом случае для определения высоты топографической поверхности в любой точке, не совпадающей с опорной, используются данные только по опорным точкам, находящимся на одном склоне, что, исключает искажение пластики рельефа даже при использовании простейших методов интерполяции.

Морфометрические методы

При камеральном изучении рельефа широко применяются морфометрические методы. Они основаны на количественных характеристиках рельефа, которые можно получить из анализа и обработки топографических карт, геоморфологических профилей, космических и аэрофотоснимков и, на сегодняшний день, цифровых моделей рельефа. Задачей морфометрических методов является выявление тектонических деформаций по экзогенным формам рельефа, их морфологии, развитию на площади.

В комплекс морфометрических методов входит в первую очередь определение различной степени горизонтального и вертикального расчленения рельефа, особенно в равнинных областях.

Горизонтальная расчлененность определяется по плотности всех линейных эрозионных форм постоянных и временных водотоков, измеряемой количеством форм или по суммарной их длине на единицу площади.

Вертикальное расчленение рельефа определяется по разности высот (максимальной и минимальной) земной поверхности на отдельных участках, а также по глубинам эрозионных врезов относительно водоразделов. На участках растущих поднятий степень горизонтального и вертикального расчленения выше по сравнению с прогибающимися участками или находящимися в спокойном состоянии. Оба метода применяются для выявления различных деформаций, главным образом в равнинных закрытых условиях.

Другим приемом морфометрического анализа является построение карт морфоизогипс. Производится генерализация топографической карты, снятие с нее малых форм рельефа, созданных линейной эрозией, и восстанавливается исходная поверхность рельефа, положение которой отражает тектонические деформации — поднятия или опускания. Плавными линиями — морфоизогипсами — соединяются положительные выступы однозначных горизонталей, проявляя овалы тектонических поднятий. Пониженные значения морфоизогипс вырисовывают отрицательные структуры. Карты долин разных порядков также позволяют выделять участки с различным режимом тектонических движений. Участкам новейших поднятий свойственен быстрый переход от простейших эрозионных форм, считающихся формами низких порядков — ложбин стока, ручьев — в более крупные формы более высоких порядков — реки. На участках относительных опусканий нарастание порядков долин идет медленно.

Рис. 6 Распределение территории Северо-Восточного Кавказа по высотным отметкам

Батиметрический метод

Батиметрический метод применяется при исследовании подводного рельефа дна морей и океанов. Он основан на анализе существующих карт дна и построении новых на основе методов эхолотирования, сейсмоакустики и профилирования, сейсмостратиграфии, бурения. Применяется фотосъемка подводного рельефа глубоководными фотоустановками. Большая часть форм рельефа морского дна, как крупных, так и небольших, представляет собой или тектонические (возвышенности — поднятия, равнины — впадины), или вулканические формы. Благодаря анализу глубинного дна, можно более выгодно с экономической точки зрения прокладывать трубопроводы или интернет кабели, опоясывающие наш земной шар.

Рис. 7,8 Батиметрический метод

Рис. 9 Карта подводного интернета от 2014 г

Палеогеоморфологический метод

Палеогеоморфологический метод изучает древний, в том числе погребенный рельеф. Он позволяет изучить историю развития рельефа, определить этапы рельефообразования и осадконакопления, восстановить последовательность изменения континентальных и морских условий, реконструировать уничтоженные денудацией формы рельефа: поверхности выравнивания, речные долины и др. Погребенный рельеф важен для поисков полезных ископаемых, а также для инженерно-геологических изысканий, учитывающих его при строительстве различных объектов. Он изучается геофизическими методами и бурением. Результат данного метода представляет собой геоморфологическую карту местности.

Рис. 10 Геоморфологическая карта местности

Сравнительно-планетологический метод

Сравнительно-планетологический метод основан на сравнении форм рельефа Луны, Марса и других планет с подобными формами Земли. Этот метод позволил по снимкам, полученным автоматическими станциями, не только определить на поверхности планет формы рельефа, подобные земным, но и на поверхности Земли выделить ранее неизвестные формы, например, кольцевые структуры. В последнее время широко применяется моделирование разных типов рельефа земной поверхности.

Рис. 11 Сравнение рельефа Земной поверхности и поверхности Марса

Данная статься наглядно показала, что существуют разные методы анализирования рельефа местности и что каждый метод создан для конкретной цели.

При помощи батиметрического метода, основываясь на полученной информации можно проложить новые трубопроводы для транспортировки газа, нефти, или других жидкий и газообразных ископаемых и для прокладки новых кабелей интернета.

Сравнительно-планетологический метод позволяет узнать больше о происхождении нашей планеты и солнечной системы, в частности. Сравнивая полученные снимки Марса и Земли, можно заметить схожую структуру рельефа, что позволяет сделать ряд выводов.

Палеогеоморфологический анализ необходим для поиска и разработки месторождений полезных ископаемых, основываясь на залегании разных форм древнего рельефа.

Все указанные выше методы изучения и анализа рельефа в камеральных условиях используют компьютерные технологии, в том числе ГИС-технологии.