УДК 551.4.03:004.42(292.471)

КОМПЛЕКСНЫЙ МОРФОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТАРХАНКУТСКОГО ПОЛУОСТРОВА С ПОМОЩЬЮ ГИС

Михайлов Владислав Анатольевич
Крымский Федеральный университет имени В. И. Вернадского
кандидат географических наук, старший преподаватель кафедры конструктивной географии и ландшафтоведения

Аннотация
На основе цифровой модели рельефа SRTM с помощью ГИС выполнена комплексная морфометрическая оценка территории Тарханкутского полуострова. Для этого построены карты наклона поверхности, вертикального и горизонтального расчленения. В результате балльной оценки этих показателей построена карта комплексного показателя, выделены районы.

Ключевые слова: ГИС, морфометрический анализ, расчлененность, рельеф, Тарханкутский полуостров.


THE COMPLEX MORPHOMETRIC ANALYSIS OF TARKHANKUT PENINSULA BY USING GIS

Mikhailov Vladislav Anatolevich
Crimea Federal V.I. Vernadsky University
PhD in Geography, Senior Lecturer of Department of Constructive Geography and Landscape Sciences

Abstract
On the basis of digital model of relief of SRTM by using GIS the complex morphometric assessment of the Tarkhankut peninsula territory is executed. Maps of inclination surface, vertical and horizontal dissection for this purpose are constructed. As a result of numerical score of these indicators the map of complex indicator is produced, regions are distinguished.

Рубрика: 11.00.00 ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Михайлов В.А. Комплексный морфометрический анализ Тарханкутского полуострова с помощью ГИС // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 2. Ч. 4 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/02/46640 (дата обращения: 02.06.2017).

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 14-45-01606)

Традиционно, морфометрический анализ является одной из основ изучения рельефа любой территории, обеспечивая более объективную и комплексную его оценку. В тоже время, анализ морфометрических характеристик рельефа представляется чрезвычайно важным при комплексном изучении и картографировании территории (в т.ч. эрозионных процессов, почвенного покрова, растительности и пр.), прогнозировании и ландшафтном планировании. В рамках таких исследований использование специализированных программных комплексов, избавляющих от трудоемких морфометрических работ, позволяет перейти к построению комплекса морфометрических карты различного содержания, пространственного масштаба и сложности. При этом фактической базой исследования могут являться, с некоторыми ограничениями, открытые данные спутниковой съемки SRTM (Shuttle radar topographic mission), представляющие собой огромный массив данных о морфологии рельефа Земли. Возможность такого исследования была, осуществленная на примере территории Тарханкутского полуострова (Крым), и представлена в данной работе.

Целью статьи является комплексный морфометрический анализ Тарханкутского полуострова с помощью ГИС, на основе данных SRTM.

Выбранный в качестве объекта исследования Тарханкутский полуостров, расположенный в западной части Крымского полуострова, в целом соответствует геоморфологическим районам структурно-денудационной равнины Тарханкутского полуострова, а на крайнем севере – Присивашской лиманно-морской равнины [1]. С ними соотносятся физико-географические подобласти Тарханкутской возвышенной равнины и Крымского Присивашья [2]. Границы этой территории на основном протяжении совпадают с побережьем Черного моря, на востоке и юго-востоке проходят по долине Чатырлык, а на юге – балке Бараш-Джилгасы (Барановской) и побережью озера Сасык-Сиваш. В рельефе этой территории выделяются протягивающиеся параллельно невысокие (до 178 м), в общем снижающиеся к востоку, увалы (Бакальский, Северотарханкутский, Южнотарханкутский, Евпаторийский), разделенные котловинами (Донузлавская, Джарылгачская, Караджинская). Для увалов характерны широкие выпуклые водоразделы и пологие склоны, интенсивно расчлененные балками и сухоречьями. В северной и южной частях протягиваются плоские приморские низменности (рис. 1).

Рисунок  1 – Гипсометрические уровни (А) и географическое положение (Б) Тарханкутского полуострова.

Фактической основой данного исследования явились данные радарной интерферометрической топографической спутниковой съемки SRTM (Shuttle radar topographic mission). Выполненная в феврале 2000 г. космическим кораблем многоразового использования «Шаттл», она покрывает большую часть (85%) поверхности территории земного шар. Доступные данные SRTM имеют вид растрового файла цифровой модели рельефа (ЦМР), в котором значение пиксела является высотой над уровнем моря в данной точке. Математической основой данных является референц-эллипсоид (датум) WGS84.) и проекция GCS_WGS_1984. Существует три версии данных, из них SRTM4 является обновленной и значительно улучшенной (выделение береговых линий и водных объектов, фильтрация ошибочных значений) по сравнению с предыдущими версиями; в настоящее время на большую часть земной поверхности доступны данные SRTM4 с пространственным разрешением в 3 угловые секунды (90 м), имеющие вид квадрата 5х5 градусов, и генерализованные с разрешением 30 угловых секунд [3, 4].

Важным аспектом использования данных SRTM является анализ точности исходных данных. Многочисленные работы, проведенные в данном направлении, указывают на достаточную точность этих данных [3, 5, 6]. Сравнение SRTM с цифровой моделью рельефа, построенной на основе топографических карт масштаба 1 : 50000, выполненное для участка в западной части Тарханкутского полуострова, показало незначительные их различия (рис. 2). Отмеченные различия, очевидно, не имеют принципиальных различий и позволяют использовать SRTM для морфометрического анализа крупного масштаба.

Рисунок  2 – Сравнение ЦМР SRTM и построенной на основе топографических карт масштаба 1:50 000 для эталонного участка в западной части Тарханкутского полуострова.

Для морфометрических работ и построения итоговых карт использовался программный комплекс ArcGIS 9.3

Традиционно основными морфометрическими показателями являются [7]:

1 – вертикальное расчленение (глубина расчленения), которое рассчитывается как превышение вершин положительных форм над дном отрицательных; при детальных исследованиях определяется относительная высота точки водораздела над точкой базиса денудации, лежащей на линии наибольшего падения склона; при более общих исследованиях используется способ картограмм, заключающийся в определении амплитуды высот в пределах расчетной ячейки;

2 – крутизна земной поверхности, которая может быть выражена в угле наклона (в градусах), который принят в работе, и уклоне (тангенс угла наклона);

3 – экспозиция поверхности;

4 – горизонтальное расчленение (густота расчленения) чаще всего определяется степенью развития эрозионной сети, при этом показателями могут служить: длина тальвегов эрозионных форм (различного порядка) на единицу площади (км/км²) и удаленность вершин водоразделов от ближайших тальвегов (в м).

Для анализа пространственного распределения данных характеристик в пределах Тарханкутского полуострова использовалась сетка расчетных квадратов площадью 4 км², для которых рассчитывались или которым присваивались конкретные значения морфометрических показателей. Всего в пределах полуострова насчитывается 1348 целых квадратов, и 288 их фрагментов; выделы площадью менее 0.5 км² присоединялись к соседним контурам.

Расчет вертикального расчленения, по способу картограмм, выполнялся с помощью инструмента Зональной статистки, путем вычисления амплитуды (в метрах) значений ЦМР в пределах расчетных ячеек (рис. 3, А). Наибольшие значение вертикального расчленения, более 60 м, выявлены в западной части Тарханкутского полуострова, особенно на склонах Южно-Тарханкутского увалов, а наименьшие – в северной приморской части (менее 10 м).

Рисунок  3 – Вертикальное расчленение (А) и наклон поверхности (Б) Тарханкутского полуострова.

Для анализа крутизны земной поверхности строилась исходная карта углов наклона земной поверхности (с помощью инструмента Уклон модуля Spatial Analist, рис. 3, Б). С помощью инструмента Зональная статистика для расчетных ячеек было определено среднее значение наклона. Наибольший наклон отмечается для склонов увалов (особенно Северо-Тарханкутского, 5-20º) в западной части полуострова, наименьший – в крайней южной и северной частях (менее 1º). Для расчетных ячеек, наклон которых превышает 3º, была определена преобладающая экспозиция склонов. Для этого с помощью инструмента Экспозиция построен соответствующий растровый слой, на базе которого с помощью инструмента Зональная статистика для расчетных квадратов вычислено среднее значение экспозиции в градусах.

Для расчета горизонтального расчленения использовался комплекс инструментов Гидрология модуля Spatial Analyst, позволяющий восстановить все звенья эрозионной сети. Выделение эрозионной сети проводилось в следующей последовательности [8, 9]: заполнение некорректных понижений рельефа (инструмент Заполнение); классификация направлений стока по румбам (инструмент Направление стока) и на основе этого – построение растрового слоя суммарного стока (инструмент Суммарный сток). Для идентификации ячеек водотока необходимо подобрать значения суммарного стока, обозначающие переход плоскостного стока в линейный: сравнивая значение суммарного стока с топографической картой подобрано его количественное значение (1000). Ячейки с такими значениями суммарного стока были выбраны с помощью функции Калькулятор растра из соответствующего слоя. Из полученного растра с помощью инструментов Идентификации водотоков и Порядок водотоков был получен растровый слой водотоков-звеньев, с определением их порядка по Стралеру-Философову. На заключительной стадии был создан векторный слой звеньев эрозионной сети (в виде полилиний), который после простого визуального анализа и сравнения с рисунком горизонталей потребовали некоторой доработки, в том числе удаление замкнутых циклов. Итоговая карта звеньев эрозионной сети 1-6 порядка представлена на рисунке 4, А.

Карта эрозионной сети явилась основой для расчета горизонтального расчленения. В связи с тем, что на данной территории преобладают широкие водораздельные пространства, часто без четко выраженной вершинной линии, в качестве показателя горизонтального расчленение использовалась длина тальвегов эрозионных форм на единице площади (км/км²) Для этого полилинии эрозионной сети были разбиты в соответствии с расчетными квадратами, и полученные отрезки, с вычисленной длиной, присоединены к таблице атрибутивных данных векторного слоя расчетных ячеек. По этим данным и известной площади ячейки с помощью функции Калькулятор поля вычислены значения горизонтального расчленения (рис. 4, Б).

Рисунок  4 – Восстановленная по ЦМР эрозионная сеть (А) и рассчитанное на ее основе горизонтальное расчленение (Б) Тарханкутского полуострова.

Анализ карты показывает, что строгой пространственной закономерности в горизонтальном расчленении не существует, однако наибольшие его значения отмечаются на склонах увалов преимущественно южных экспозиций, а наименьшие – для их водораздельных поверхностей.

Данные показатели достаточно полно отражают морфометрические особенности территории. А.И.Спиридонов (1975) указывает, что каждый из трех количественных  показателей рельефа (крутизна поверхности, горизонтальное и вертикальное расчленение) является функцией двух других. Расчет коэффициента парной корреляции по 1636 расчетным ячейкам показала, что в целом для Тарханкутского полуострова связь между этими показателя неоднозначна: вертикальное расчленение – наклон r = 0.04, вертикальное расчленение – горизонтальное расчленение r = 0.85, горизонтальное расчленение – наклон r = 0.01. Поэтому, более полная морфометрическая характеристика территории может быть достигнута при использовании комплексных показателей. Получить такую характеристика наиболее удобно при использовании бальной шкалы, как например это сделано Ф. С. Геворкяном [10]. Такой показатель может характеризовать степень эрозионной расчлененности, потенциал проявления современных рельефообразующих процессов, эрозии почв для какой-либо территории.

Для комплексной бальной морфометрической оценки Тарханкутского полуострова использовались четыре исходных показателя. В соответствии с их величинами были выбраны градации, с которыми сопоставлены значения в баллах (табл. 1). В связи с общем небольшой крутизной поверхности полуострова, наклон оценивался всего шестью баллами. В следствие этого роль экспозиционных различий в характере эрозионных процессов представляется незначительной, поэтому оценивается в 2 балла. Комплексный морфометрический показатель получатся сложением всех баллов.

Таблица 1 – Оценка морфометрических показателей в баллах.

Наклон Горизонтальное расчленение Вертикальное расчленение Экспозиция склонов (при уклоне >8º)
градус баллы км/км² баллы м баллы экспозиция баллы
0-1 1 0 – 0.5 1 0-10 1 С 0
1-2 2 0.5 – 1 2 10-20 2 СВ 0
2-3 3 1 – 1.5 3 20-30 3 В 1
3-5 4 1.5 – 2 4 30-40 4 ЮВ 1
5-7 5 2 – 2.5 5 40-50 5 Ю 2
7-10 6 2.5 – 3 6 50-60 6 ЮЗ 1
3 – 3.5 7 60-70 7 З 1
70-80 8 СЗ 0
80-90 9
90-100 10
Максимальное количество баллов 25

Перевод для расчетных ячеек конкретных значений морфометрических показателей в баллы и их суммирование позволило построить итоговую карту комплексной морфометрической характеристики территории Тарханкутского полуострова (рис. 5). Анализ карты показывает, что наибольшие значения комплексный морфометрический показатель имеет в западной части полуострова, в частности на крутых склонах Южно- и Северо-Тарханкутского увалов, и в отдельных участках в восточной части полуострова. Минимальные значения показателя характерны для многих частей полуострова к востоку от линии озеро Донузлав – Бакальская коса, но преимущественно на низменных периферийных участках.

Рисунок  5 – Комплексный морфометрический показатель и морфометрические районы Тарханкутского полуострова

Значительные различия в пространственном распределении комплексного морфометрического показателя позволяет выделить в пределах Тарханкутского полуострова пять морфометрических районов, в общем пространственно не совпадающих с выделяемыми морфоструктурами.

Таким образом, комплексный морфометрический анализ территории с помощью ГИС, на основе данных радарной интерферометрической топографической съемки SRTM, позволяет быстро и эффективно оценивать критические свойства рельефа, в т.ч. для целей прогнозирования и ландшафтного планирования. Комплексный морфометрический анализ Тарханкутского полуострова позволил определить области с различным характером эрозионного расчленения и выделить соответствующие районы.


Библиографический список
  1. Геоморфология Украинской СССР: Учеб. пособие / И.М. Рослый, Ю.А. Кошик, Э.Т. Палиенко и др. Под общ.ред. И.М. Рослого. – К.: Выща школа, 1990. – 287 с.
  2. Подгородецкий П.Д. Подобласть Тарханкутской возвышенной равнины / П.Д. Подгородецкий // Физико-географическое районирование Украинской СССР / Под ред. В.П.Попова, А.М. Маринича, А.И. Ланько. – К.: Изд-во Киевск. ун-та, 1968 – С. 549-556.
  3. Дубинин М. Описание и получение данных SRTM / М. Дубинин // http: //gis-lab.info/qa/srtm.html
  4. http://srtm.csi.cgiar.org
  5. Карионова Ю. И.Оценка точности матрицы SRTM. / Ю. И. Карионова // ЗАО «Ракурс», Москва, 2009. / http://www.racurs.ru/?page=506
  6. Муравьев Л. Высотные данные SRTM против топографической съемки / Л. Муравьев // http://geo.web.ru/db/msg.html?mid=1177761
  7. Спиридонов А.И. Геоморфологическое картографирование / А.И. Спиридонов – М.: Недра, 1974. – 184 с.
  8. Кащавцева А.Ю. Моделирование речных бассейнов средствами ArcGIS 9.3. / А.Ю. Кащавцева, В.Д. Шипулин // Ученые записки Таврического национального университета им. В.И. Вернадского. Серия «География». – 2011. – Т. 24 (63), № 3.– С. 85-92.
  9. Павлова А.Н. Геоинформационное моделирование речного бассейна по данным спутниковой съемки SRTM (на примере бассейна р. Терешки) / А.Н. Павлова // Известия Саратовского государственного университета. – 2009. – Т. 9. Сер. Науки о Земле, вып. 1. – С. 39-44.
  10. Геворкян Ф.С. О комплексных геоморфологических показателях для характеристики эрозионного расчленения / Геворкян Ф.С. / Геоморфология. – 1972. –  № 3. – С. 44-48.


Все статьи автора «Михайлов Владислав Анатольевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: