УДК [551.4.03+504.54]004.42(234.86)

ЛАНДШАФТНО-МОРФОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕРРИТОРИИ С ПОМОЩЬЮ ГИС (НА ПРИМЕРЕ СЕВЕРНОГО МАКРОСКЛОНА ГЛАВНОЙ ГРЯДЫ КРЫМСКИХ ГОР)

Бондаренко Мария Анатольевна1, Михайлов Владислав Анатольевич2
1Таврическая академия Крымского федерального университета В. И. Вернадского, бакалавр кафедры физической географии, ландшафтоведения и океанологии
2Таврическая академия Крымского федерального университета В. И. Вернадского, кандидат географических наук, старший преподаватель кафедры физической географии, ландшафтоведения и океанологии

Аннотация
Статья посвящена морфометрическому анализу территории на ландшафтно-геологической основе, выполненному с помощью ГИС (на примере северного макросклона Главной гряды Крымских гор). Проанализированы значения морфометрических показателей (средняя высота, крутизна, вертикальное расчленение) в зависимости от ландшафтной структуры территории, геологического строения и высотных уровней.

Ключевые слова: ГИС, Крымские горы, ландшафт, морфометрия, рельеф


LANDSCAPE-MORPHOMETRIC ANALYSIS OF TERRITORY BY USING GIS (ON THE EXAMPLE NORTHERN MACROSLOPE MAIN RIDGE OF CRIMEAN MOUNTAINS)

Bondarenko Maria Anatolievna1, Mikhailov Vladislav Anatolevich2
1Taurian Academy Crimea Federal V.I. Vernadsky University, Bachelor department's of physical geography, landscape science and oceanology
2Taurian Academy Crimea Federal V.I. Vernadsky University, PhD in Geography, Senior Lecturer of Department of physical geography, landscape science and oceanology

Abstract
The article is devoted to the morphometric analysis of the territory on the basis of the geological landscape made using GIS (on the example northern macroslope main ridge of Crimean mountains). Analyzed values of morphometric parameters (average height, steepness, vertical subdivision), depending on the landscape structure of the territory, geology and altitude levels.

Keywords: GIS, landscape, morphometry, SRTM, terrain, the Crimean Mountains


Рубрика: 11.00.00 ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Бондаренко М.А., Михайлов В.А. Ландшафтно-морфометрический анализ территории с помощью ГИС (на примере северного макросклона Главной гряды Крымских гор) // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 8 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/08/57127 (дата обращения: 19.11.2016).

Рельеф является одним из главных факторов, обуславливающих ландшафтную дифференциацию территории. При изучении рельефа, как и при других физико-географических исследованиях, междисциплинарный подход, связанный с анализом межкомпонентных связей во всей географической оболочке и отдельных геосистемах и ландшафтах, является особенно продуктивным. Использование количественных морфометрических показателей и современных ГИС-технологий позволяет выполнять подобные исследования на качественно ином уровне.

Поэтому целью исследования является морфометрический анализ территории на ландшафтно-геологической основе (на примере северного макросклона Главной гряды Крымских гор) с помощью ГИС.

Наиболее универсальными показателями рельефа являются морфометрические (относительные превышения, углы наклона, линейные размеры форм рельефа (ширина, длина) или их элементов). Однако, получение количественной информации о рельефе и построение тематических морфометрических карт традиционными «ручными» методами на большие территории сопряжено с высокой трудоемкостью. Поэтому, в настоящее время, широко используют электронное представление рельефа, который в контексте географических информационных систем (ГИС) представлен цифровыми моделями рельефа (ЦМР). Широкие возможности ГИС позволяют использовать ЦМР для расчета и анализа комплекса морфометрических показателей для решения различных целей, как, например, это выполнено в [1, 2].

Для анализа была выбрана часть бассейны рек Качи и Альмы в пределах Главной гряды и Внутреннего межгорного понижения Крымских гор. Данная территория располагается в пределах 3 ландшафтных зон (по Г. Е. Гришанкову (1999), рисунок 1): предгорной зоны лесостепи с дубовыми лесами (местности 50-55); среднегорной зоны смешанных широколиственных лесов (группы местностей 57-76); среднегорной зоны горных лугов и горной лесостепи (группы местностей 77-85) [3, 4]. В геологическом отношении территория относится к молодому геологическому образованию Горно-Крымского складчатого (складчато-надвигового) сооружения. В основании Крымских гор (первый структурный этаж) залегают отложения так называемой Таврической серии (Т3-J1), выходящие на поверхность в центральной части исследуемой территории. Второй структурный этаж гор образуют отложения верхней юры, слагающие яйлинские массивы Главной гряды. Северные куэстовые предгорья сложены моноклинально залегающими отложениями мела-неогена [5].

В качестве исходного материала цифрового моделирования использованы данные спутниковой съемки SRTM (Shuttle radar topographic mission), выполненной с борта американского челнока «Shuttlе» в феврале 2000 г. Матрица SRTM имеет ошибку, которая в среднем составляет для равнинной территории 2,9 м и 5,4 м для холмистой местности; по своей точности она примерно соответствует матрице, полученной с карты масштаба 1 : 100 000. Обработка данных снимка велась с помощью программного комплекса АrcGIS 10.0.

Для решения поставленной цели были отработаны методики расчета следующих морфометрических показателей:

1 – средняя высота пространственных выделов;

2 – горизонтальное расчленение, наиболее простой способ расчета которого сводится к определению длины эрозионной сети L на единицу площади Р [6];

3 – вертикальное расчленение, рассчитываемое как амплитуда высот в принятых пространственных выделах [7];

4 – крутизна склонов; показателями крутизны могут служить угол наклона (а) и отвлеченная величина – уклон (i, равный tg a).

Расчет всех морфометрических показателей выполнялся для ландшафтных и геологических выделов, представленных на рисунке 1.

Для расчета средней высоты, средней крутизны, вертикальной расчлененности использовалась функция Зональная статистика модуля Spatial Analyst, позволившая получить для каждого выдела конкретные значения показателей, представленные в виде отдельного растрового слоя. Для расчета горизонтального расчленения был использован комплекс инструментов Гидрология модуля Spatial Analyst, который позволяет восстановить все звенья гидрологической и овражно-балочной сети различных порядков.

Возможность использования этого инструментария, с определением необходимых параметров, были изучена на примере двух ключевых бассейнов – реки Стиля (левый приток Качи) и балки Алпалых-Дере (бассейн Бельбека). В качестве исходных данных для получения ЦМР использована топографическая карта масштаба 1:50000. Выделение эрозионной сети на ее основе проводилось в следующей последовательности (рисунок 2). С помощью функции Fill гидрологического моделирования были заполнены некорректные понижения рельефа. Применяя функцию FlowDirection, классифицированы направления стока по румбам, а с помощью функции FlowAccumulation на основании уклона поверхности построен грид суммарного стока. Для идентификации ячеек водотока необходимо подобрать значения суммарного стока, обозначающие переход плоскостного стока в линейный. Сравнивая значение суммарного стока с топографической картой, с помощью функции Калькулятор растра подобрано его количественное значение (25), которое в дальнейшем использовано для всей анализируемой территории. С помощью инструмента StreamOrder определен порядок водотоков – на ключевых бассейнах определены водотоки пяти порядков. Используя инструмент StreamToFeature, получена окончательная сеть водотоков в виде полилиний.

Рисунок  1 – Ландшафты (А) и геологическое строение (Б) исследуемой территории [5, 8].

Условные обозначения к рисунку 1.

 А. Предгорная зона аккумулятивных, останцово-денудационных и структурных денудационных равнин и куэстовых возвышенностей с разнотравными степями, кустарниковыми зарослями, лесостепью и низкорослыми дубовыми лесами. Пояс лесостепи на денудационно-останцовых, структурных денудационных и аккумулятивных равнинах, куэстовых возвышенностях. Группа местностей (окоемы): 50 – денудационно-останцовые овражно-балочные равнины с дубовыми лесами, кустарниковыми зарослями типа «дубки» и участками фриганоидных и разнотравно-луговых степей с колючекустарниковыми зарослями типа «шибляк». Пояс дубовых лесов и кустарниковых зарослей на денудационно-останцовых и наклонных структурных денудационных равнинах и куэстовых возвышенностях. Группа местностей (окоемы): 52 – низкогорно-куэстовые возвышенности с дубовыми лесами и кустарниковыми зарослями типа «дубки»; 54 – низкогорные куэстовые сильно расчлененные возвышенности с дубовыми лесами; 55 – денудационно-останцовые овражно-балочные равнины с дубовыми лесами и кустарниковыми зарослями типа «дубки». Среднегорная зона северного макросклона гор, буковых, смешанных широколиственных лесов. Пояс котловин и эрозионного низкогорья, дубовых, смешанных широколиственных и сосновых лесов. Группа местностей (окоемы): 59 – эрозионное овражно-балочное низкогорье с дубовыми и смешанными широколиственными лесами; 61 – эрозионное долинно-балочное низкогорье с дубовыми лесами и лесокустарниковыми зарослями; 62 – эрозионное овражно-балочное низкогорье с дубовыми лесами и лесокустарниковыми зарослями. Пояс среднегорно-склоновый, дубовых, можжевелово-дубовых и смешанных широколиственных лесов. Группа местностей (окоемы): 69 – среднегорно-склоновый, расчлененный долинами и балками со смешанными широколиственными и сосновыми лесами; 70 – среднегорно-склоновый, расчлененный долинами и балками с буково-грабовыми, дубовыми и смешанными широколиственными лесами. Пояс среднегорно-склоновый, буковых, буково-грабовых, смешанных широколиственных лесов. Группа местностей (окоемы): 73 – массивное среднегорье с грабово-буковыми и смешанными широколиственными лесами на склонах и лугово-парковой растительностью на плоских вершинах; 74 – среднегорно-склоновый слаборасчлененный с буковыми, смешанными широколиственными и сосновыми лесами. Среднегорная зона яйлинских плато, горных лугов и горной лесостепи. Пояс луговых и лугово-лесных плато. Группа местностей (окоемы): 82 – останцово-денудационные расчлененные плато с горными лугами и грабово-буковыми лесами; 84 – пологие седловины с горными лугами и участками грабово-буковых лесов; 85 – останцово-денудационные расчлененные плато с горными лугами.

Б. Палеогеновая система. Нижний и средний эоцен. Ярусы: 1 – бахчисарайский и симферопольский ярусы (P21+2bch+sm), нумулитовые известняки, глины, мергели. Меловая система. Ярусы: 2 – сантонский, кампанский и маастрихтский ярусы (К2st-m), мергели; 3 – сеноманский, туронский и коньякский ярусы (K2cm-cn), мергели, известняки; 4 – альбский ярус (K1al3), верхний подъярус, песчаники, глины, известняки, туфы, туфопесчаники; 5 – барремский ярус, верхний подъярус и аптский ярус (K1b2+ap), глины с сидеритами; 6 – готеривский ярус, врехний подъярус и барремский ярус, нижний подъярус (K1h2+b1), известняки, песчаники, глины, конгломераты; 7 – валанжинский-готеривский ярусы (K1v-h), глины, известняки, мергели, песчаники, конгломераты. Юрская система. Ярусы: 8 – кимериджский ярус ( J3km), тонкослоистые глинистые известняки; 9 – оксфордский ярус (J3ox), конгломераты и песчаники; 10 – байосский-батский ярусы (J2bj-bt), глины с сидеритами, песчано-глинистый флиш, песчаники; 11 – батский ярус (J2bt), песчаники, конгломераты; 12 – байосский ярус (J2), аргиллиты, песчаники, эффузивные породы; 13 – нижний отдел (J1) песчаники, конгломераты, песчано-глинистый флиш. Триасовая система. 14 – триасовая система, верхний отдел и юрская система, нижний отдел (T3+J1), Таврическая серия; песчано-глинистый флиш, глины с сидеритами; 15 – верхний отдел (T3), глины с сидеритами.

 

Рисунок 2 – Анализ сети водотоков для ключевых бассейнов с помощью функции Гидрология.

А – оцифрованная сеть горизонталей и высоты;  Б – цифровая модель рельефа на исследуемую территорию; В – грид кумулятивного стока ЦМР, обработанной функцией Fill; Г – классификация направлений стока по румбам; Д – грид суммарного стока; Е – суммарный сток, обозначающий переход плоскостного стока в линейный; Ж – идентификация водотоков; З – сеть водотоков на территорию ключевого участка; И – положение анализируемой территории: желтым цветом выделен эталонный участок, серым – исследуемые бассейны Качи и Альмы.

Описанный выше алгоритм определения водотоков был применен и для определения водотоков (эрозионной сети) бассейнов рек Качи и Альмы на основе цифровой модели рельефа SRTM, а затем – расчета горизонтального расчленения (рисунок 3). Для этого все водотоки были объединены в один объект, а затем разбиты на части в соответствии с ландшафтными и геологическими контурами. На основе вычисленных значений длины водотоков и площади каждого выдела с помощью Калькулятора поля рассчитано горизонтальное расчленение контуров. С помощью функций Извлечения, Пространственного соединения и Соединения данных все морфометрические записаны в таблицу атрибутивных данных ландшафтных и геологических контуров, и на основании этого построены итоговые карты (рисунки 4, 5).

Рисунок 3 – Цифровая модель рельефа SRTM (А) и сеть водотоков, полученных с помощью модуля Гидрология (Б), исследуемой территории.

 

Рисунок 4 – Средние значения морфометрических показателей для ландшафтных выделов: А – средняя высота (м); Б – горизонтальная расчлененность (км/км2); В – средняя крутизна (градусы); Г – вертикальная расчлененность (м).

Рисунок 5 – Средние значения морфометрических показателей для геологических выделов: А – средняя высота (м); Б – средняя крутизна (градусы); В – горизонтальная расчлененность (км/км2); Г – вертикальная расчлененность (м).

Анализ полученных карт свидетельствует, что отчетливо проявляется связь в изменении морфометрических показателей по ландшафтным окоемам (группам местностей) образующим высотным пояса: с приближением к Главной гряде отмечается увеличение средней высоты, средней крутизны склонов, горизонтальной и вертикальной расчлененности. Максимальные значения средней крутизны (более 15 градусов) характерны для пояса среднегорно-склоновых, буковых, буково-грабовых, смешанных широколиственных лесов. Минимальные (менее 9 градусов) – для денудационно-останцовых овражно-балочных равнин с дубовыми лесами, кустарниковыми зарослями типа «дубки» и участками фриганоидных и разнотравно-луговых степей с колючекустарниковыми зарослями типа «шибляк», низкогорных куэстовых сильно расчлененных возвышенностей с дубовыми лесами, эрозионного овражно-балочного низкогорья с дубовыми лесами и лесокустарниковыми зарослями. Горизонтальная расчлененность наибольшая (2,4-2,7 км/км2) на массивном среднегорье с грабово-буковыми и смешанными широколиственными лесами на склонах и лугово-парковой растительностью на плоских вершинах, наименьшая (менее 0,3 км/км2) – на ландшафтном окоеме среднегорно-склоновом слаборасчлененном с буковыми, смешанными широколиственными и сосновыми лесами. Вертикальная расчлененность наибольшая в поясе среднегорно-склоновом, буковых, буково-грабовых, смешанных широколиственных лесов, наименьшая на денудационно-останцовых овражно-балочных равнинах с дубовыми лесами, кустарниковыми зарослями типа «дубки» и участками фриганоидных и разнотравно-луговых степей с колючекустарниковыми зарослями типа «шибляк».

Изменение морфометрических показателей в зависимости от геологического строения имеет более дифференцированный характер.  Наибольшие средние высоты (более 1000 м), средняя крутизна  склонов (18-20 градусов) характерна для территорий, сложенных известняками верхней юры (Главная гряда), мела и палеогена (куэсты и куэстоподобные гряды предгорья), наименьшие (средняя крутизна менее 6 градусов) – для области распространения пород Таврической серии. Горизонтальная расчлененность максимальная (более 2 км/км2)  характерна для песчаников, глин и известняков, минимальная (менее 1 км/км2) для мергелей и известняков. Максимальная вертикальная расчлененность наблюдается в области распространения пород Таврическая серии: песчано-глинистый флиша, глин с сидеритами.

Важнейшей закономерностью ландшафтов горных стран является их изменение от подножья к вершинам, которое проявляется в спектре и интенсивности процессов, характеристиках компонентов и т.д. Для анализа изменения рельефа территории с изменением абсолютной высоты выполнено сопоставление морфометрических показателей с высотными уровнями. Результаты представлены на рисунках 6 и 7.

Рисунок 6 – Значения морфометрических показателей для высотных уровней (А): Б – средняя крутизна (градусы); В – горизонтальная расчлененность (км/км2); Г – вертикальная расчлененность (м).

 

Рисунок 7 – Изменение значений морфометрических показателей по высотным уровням.

 

Как видно на рисунке 6 и 7, средняя крутизна плавно нарастает на каждом высотном уровне и изменяется от 5 до 20 градусов, что, в общем, соответствует крутизне склонов в пределах горных стран. Горизонтальная расчлененность уменьшается с набором высоты от 3,5 км/км2 на высоте 200-300 м до 0 на высоте 1500-1600 м, при этом имеется небольшой максимум расчлененности на высотах 700-1100 м (1,5-1,75 км/км2). Такая закономерность связана как с геологическим строением (более прочные породы залегают гипсометрически ниже), так и с пространственными закономерностями развития эрозионной сети; увеличение горизонтального расчленения на высотах 700-1100 м определятся положением здесь верховий главных рек района и важнейших их верхних притоков. Вертикальная же расчлененность резко увеличивается (с 50 до 175 м) при наборе высоты от 0 до 300 метров, отражая переход от предгорного рельефа к непосредственно горному, а затем практически не изменяется на всех высотных уровнях.

Таким образом, ГИС-технологии позволяют выполнять комплексный морфометрический анализ территории в различных целях и по различным направлениям. Выполненный морфометрический анализ территории на ландшафтно-геологической основе (на примере северного макросклона Главной гряды Крымских гор) выявил связь морфометрических показателей рельефа, ландшафтной структуры и геологического строения территории, которая носит сложный характер. В общем, отмечается увеличение крутизны склонов и вертикального расчленения, уменьшение горизонтального расчленения с поднятием в горы.


Библиографический список
  1. Михайлов В. А. Комплексный морфометрический анализ Тарханкутского полуострова с помощью ГИС / В. А. Михайлов // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 2 [Электронный ресурс] – http://web.snauka.ru/issues/2015/02/46640 (дата обращения: 24.06.2015)
  2. Погорелов А. В. Рельеф бассейна р. Кубани (морфологический анализ) / А.В. Погорелов, Ж. А. Думит – Краснодар: ГЕОС, 2009. – 220 с.
  3. Современные ландшафты Крыма и сопредельных акваторий: Монография / Научный редактор Е. А. Позаченюк. – Симферополь: Бизнес-Информ, 2009. – 686 с.
  4. Подгородецкий П. Д. Крым: Природа: Справ. изд. / П. Д. Подгородецкий. – Симферополь: Таврия, 1988. – 192 с.
  5. Рычагов Г.И. Общая геоморфология: учебник. / Г. И.  Рычагов. – 3-е изд., перераб. и доп.– М.: Изд-во Моск. ун-та: Наука, 2006. – 416 с.
  6. Гришанков Г.Е. Ландшафтная карта Крыма. / Г. Е. Гришанков // В кн. Выработка приоритетов: новый подход к сохранения биоразнообразия в Крыму. – Вашингтон (США): BSP, 1999. – 257 c.
  7. Спиридонов А.И. Основы общей методики полевых геоморфологических исследований и геоморфологического картографирования / А. И. Спиридонов – М.: Высшая школа, 1970. – 457 с.
  8. Геологическая карта СССР. – Масштаб 1:200000. Серия Крымская. – L-36-XXXIV, L-36-XXXV, L-36-XXXVIII, L-36-XXVIX. /Ред. М.В. Муратов. – 1973.


Все статьи автора «Бондаренко Мария Анатольевна»


© 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:
  • Регистрация