Микрорельеф как фактор формирования снежного покрова в горах (по материалам воздушного лазерного сканирования) 25. 00. 25 геоморфология и эволюционная география

Вид материала

Автореферат

Содержание Погорелов Анатолий Валерьевич Петраков Дмитрий Александрович Общая характеристика работы Объект исследования Цель исследования Методика исследования Научная новизна. Защищаемые положения Практическая значимость. Апробация работы и публикации. Объём и структура работы. Основное содержание работы Второй раздел Глава 2. Район исследований. Методика исследований Min, км/км S плановой кривизны для всех типов склонов положителен, однако его значения меняются от 0,08 (ЭДС) до 2,84 (СДС). Величина S Второй раздел Глава 5. Сравнительный анализ морфологии микрорельефа Список работ, опубликованных по теме диссертации

Подобный материал:

• Организация рекреационно-геоморфологических систем 25. 00. 25 Геоморфология и эволюционная, 749.5kb.
• Морфоструктура и опасные геоморфологические процессы северо-западного кавказа 25. 00., 327.19kb.
• Дендроиндикационные исследования ленточных боров алтайского края 25. 00. 25 геоморфология, 293.64kb.
• Овражно-балочная сеть урбанизированной территории: строение, развитие, геоэкологическая, 376.98kb.
• Коркачёва Дина Александровна, учитель информатики высшей категории Апатиты 2010 Оглавление, 221.69kb.
• Спо как основополагающий фактор формирования кадрового потенциала региона н. Ю. Бабанов,, 102.66kb.
• Удк 599. 742. 73: 502. 74 571, 37.21kb.
• Культурно-образовательная среда как фактор формирования экологической ответственности, 362.78kb.
• Модернизация социальной сферы как фактор формирования национальной инновационной системы, 257.19kb.
• Внастоящее время питание рассматривается как социальный фактор формирования здоровья, 89.01kb.

УДК 551.4:556.124

На правах рукописи


Бойко Евгений Сергеевич


МИКРОРЕЛЬЕФ КАК ФАКТОР ФОРМИРОВАНИЯ

СНЕЖНОГО ПОКРОВА В ГОРАХ

(ПО МАТЕРИАЛАМ ВОЗДУШНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ)


25.00.25 – геоморфология и эволюционная география


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата географических наук


Краснодар – 2010

Работа выполнена на кафедре геоинформатики географического факультета Кубанского государственного университета


Научный руководитель: доктор географических наук,
профессор

Погорелов Анатолий Валерьевич


Официальные оппоненты: доктор географических наук,
профессор
Ефремов Юрий Васильевич


кандидат географических наук,

старший научный сотрудник

Петраков Дмитрий Александрович


Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Южный научный центр РАН


Защита состоится 22 апреля 2010 года в 13-00 на заседании диссертационного совета Д 212.101.15 по географическим наукам при Кубанском государственном университете по адресу: 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, ауд. 200.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного университета (читальный зал), а с авторефератом – на сайте .ru.


Автореферат разослан марта 2010 г.


Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат географических наук Л.А. Морева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Освоение горных территорий, нацеленное на развитие зимней рекреации и спорта, предполагает адекватный уровень знаний о морфологических свойствах земной поверхности (рельефе) и снежном покрове, которые одновременно являются наиболее привлекательными и главными предпосылками рекреации.

Рельеф не только определяет инженерно-технические и проектные решения при строительстве многочисленных объектов, диктует местоположение лыжных трасс и коммуникаций, но, что наиболее существенно для направленности настоящей работы, влияет на распределение снежного покрова. С позиции зимней рекреации наибольший интерес представляет оценка структуры поля снежного покрова именно на локальных уровнях формирования – на реальных горных склонах. Морфологические свойства земной поверхности в масштабе мезо- и микрорельефа (т.е. в масштабе горнолыжных склонов) среди факторов изменчивости поля снежного покрова до сих пор остаются наименее изученными.

Существует технический аспект актуальности данного исследования. Современные технологии лазерного сканирования и методы ГИС-моделирования позволяют изучать поле снежного покрова и микрорельеф не только с высокой пространственной детализацией, но и на качественно новом уровне анализа.

Объект исследования – горный микрорельеф экспериментальных полигонов в бассейнах рек Пшеха и Мзымта (Западный Кавказ), выступающий фактором формирования поля сезонного снежного покрова. Предмет исследования – морфологические свойства поверхности «голой земли» и снежного покрова в микромасштабе.

Цель исследования – оценка влияния микрорельефа на формирование поля сезонного снежного покрова путем сопряженного морфометрического анализа свойств указанных поверхностей.

Для достижения цели решались следующие основные задачи:

1. Разработать оптимальную методику построения цифровых моделей земной поверхности, поверхности снежного покрова и поля толщины снежного покрова, основанную на технологии воздушного лазерного сканирования и ГИС-моделирования.
   
2. Создать высокоточные (заданное разрешение 1 м) цифровые модели «голой земли», растительности и снежного покрова районов экспериментальных полигонов.
   
3. Описать морфологические свойства земной поверхности экспериментальных полигонов путем построения комплекта карт морфометрических показателей, расчета статистических характеристик и их предметной интерпретации.
   
4. Проанализировать пространственную структуру поля толщины снежного покрова на экспериментальных полигонах с оценкой факторов высоты местности, крутизны и экспозиции склонов, растительного покрова.
   
5. Выполнить сопряженный анализ морфологии микрорельефа и поверхности снежного покрова, использовав показатели кривизны сравниваемых поверхностей и анизотропии.
   

В качестве исходных материалов использованы данные воздушного лазерного сканирования и аэрофотосъемки в районах массива Пшехасу и хребта Аибга. При выборе полигонов учитывались их геоморфологическая и ландшафтная репрезентативность и разнообразие, близость к территориям рекреационного освоения, наличие данных наземных наблюдений. Лидарные съемки выполнены 22 апреля и 19 октября 2007 г. ЗАО «НИПИ «ИнжГео» (Краснодар) с непосредственным участием кафедры геоинформатики КубГУ. Материалы съемок, использованные в работе, включают 54 цифровых аэрофотоснимка с разрешением 0,2 м и более 127 миллионов точек лазерного отражения.

Теоретической основой морфометрической части работы послужили труды отечественных (А.Н. Ласточкин, Ю.Г. Симонов, И.Н. Степанов, Д.А. Тимофеев, Г.Ф. Уфимцев, П.А. Шарый и др.) и зарубежных (R.E Horton, J. Krcho, R.J. Pike, I.S. Evans, R. Dikau, R.A. MacMillan, Li Z.L., I.D. Moor, C.M. Gold, D.G. Tarboton, J. Wood, T. Hengl, P. Gessler, V. Olaya и др.) геоморфологов. Автор опирался на «геометрический подход» в описании рельефа. При моделировании и анализе поля толщины снежного покрова по данным лидарной съемки особое значение имел зарубежный опыт подобных исследований (C. Hopkinson, M. Sitar, L. Chasmer, J.S. Deems, S.R. Fassnacht, K.J. Elder, T.H. Painter).

Методика исследования включала полевые (воздушное лазерное сканирование и наземные обследования полигонов) и комплекс камеральных методов. При описании морфологических свойств поверхностей использован морфометрический метод. В процессе обработки и обобщения данных широко применялись методы ГИС-картографирования, 3D-моделирования, геостатистики, а также статистический и корреляционный приемы анализа.

Основу программного обеспечения составили пакеты TerraScan, TerraModel, TerraPhoto (TerraSolid, Финляндия) на платформе MicroStation V8 (Bentley Systems, США), использованные для обработки данных лазерного сканирования. Построение моделей, обработка и анализ данных выполнялись в пакетах ArcGIS 9 (ESRI Inc., США), SAGA (Германия), MicroDEM (США).

Научная новизна. В диссертации реализованы оригинальные подходы к исследованию горного микрорельефа, сфокусированные на расчете и картографировании морфометрических показателей в среде ГИС. Концептуально новой является методика сопряженного анализа микрорельефа и поля толщины снежного покрова (как рельефоида). Впервые в России по материалам воздушного лазерного сканирования проведено детальное исследование структуры поля снежного покрова на горных склонах, дана оценка геоморфологических факторов его распределения. Все методические и содержательные результаты являются по существу новыми:

• по данным экспериментальных полигонов реализована методика анализа морфологической структуры микрорельефа, предусматривающая построение высокоточных моделей территории, расчет и картографирование комплекса морфометрических показателей;
  
• построен комплект карт, отражающих морфологическую структуру микрорельефа характерных горных склонов, поле толщины снежного покрова, корреляцию переменных микрорельефа и толщины слоя снега;
  
• описаны морфологические свойства разных типов горных склонов, выраженные в статистических показателях и кривых распределения ряда морфометрических переменных (горизонтальная расчлененность, плановая и профильная кривизна и др.);
  
• получены сведения о распределении элементарных форм земной поверхности, идентифицируемых по критерию ее кривизны, а также исходных морфологических элементов горных склонов;
  
• раскрыта микромасштабная структура поля толщины снежного покрова в связи с территориальной изменчивостью морфометрических переменных рельефа и высоты растительного покрова;
  
• на основе показателей кривизны поверхности и анизотропии выполнен сравнительный анализ морфологии микрорельефа и поверхности снежного покрова, установлен дифференцированный характер изменений статистических характеристик морфологии поверхности снежного покрова.
  

Защищаемые положения:

1. Технология воздушного лазерного сканирования является эффективным средством моделирования и последующего анализа морфологических свойств микро- и нанорельефа, а также рельефоидов (снежный покров, растительность). Высокоточные цифровые модели рельефа (поверхностей) позволяют перейти на качественно новый уровень их морфологического анализа.
   
2. Генетическая неоднородность горных склонов (или микрорельефа) закономерно проявляется в статистических оценках измеряемых морфометрических переменных: горизонтальной расчлененности, профильной и плановой кривизны земной поверхности, анизотропии.
   
3. Результаты моделирования и статистического анализа распределения снежного покрова при его высоких пространственных флуктуациях доказывают существование принципиально разных механизмов формирования поля толщины снежного покрова и морфологии его поверхности в лесной и альпийской зонах.
   
4. Пространственные изменения морфометрических показателей рельефа и высоты растительности неоднозначно влияют на поле толщины снежного покрова. Наблюдается как обратная, так и прямая корреляция крутизны склонов и толщины снежного покрова.
   
5. Морфологическая роль сезонного снежного покрова (как рельефоида) заключается в нивелировании микронеровностей земной поверхности, имеющих вертикальные размеры, сопоставимые с толщиной слоя снега. При достижении некоторой критической толщины поле снежного покрова переходит на другой масштабный уровень структурирования.
   
6. Морфология поверхности снежного покрова отличается определенной независимостью от морфологических свойств субстрата (рельефа). Показатели анизотропии толщины снежного покрова практически всегда выше анизотропии микрорельефа.
   

Практическая значимость. В работе наглядно продемонстрированы возможности применения данных воздушного лазерного сканирования в исследованиях горного рельефа.

Предложенный метод авиадистанционной съемки толщины снежного покрова в горах может быть успешно использован для оперативной оценки распределения снежного покрова с целью снеголавинного обеспечения районов горнолыжного катания и мест зимней рекреации, что повысит достоверность прогнозов лавинной опасности.

Полученные в результате аэросъемок материалы и разработанные методические приемы обработки данных и ГИС-моделирования используются в учебных курсах «геоинформатика», «геоинформационное картографирование» и «дистанционные методы зондирования Земли» на специальности «прикладная информатика в географии» КубГУ.

Апробация работы и публикации. Работа выполнена на основе личных исследований автора в 2004-2009 гг., а также данных, полученных в процессе творческого сотрудничества с ЗАО «НИПИ «ИнжГео» (Краснодар).

Основные положения и выводы диссертации докладывались на: VI и VII международной конференции «Лазерное сканирование и цифровая аэрофотосъемка. Сегодня и завтра», Москва, 2006, 2007; ХХ межреспубликанской научно-практической конференции «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий», Краснодар, 2007; XIV Гляциологическом симпозиуме «Гляциология от Международного геофизического года до Международного полярного года», Иркутск, 2008; международной конференции ИнтерКарто/ИнтерГИС 15 «Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт», Пермь, Гент, 2009; научно-практической конференции «Вопросы гидрометеорологических инструментальных наблюдений в горах Северного Кавказа: состояние и перспективы», Терскол, 2009.

По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том числе две в изданиях, включённых в перечень ВАК.

Объём и структура работы. Диссертация объёмом 207 страниц машинописного текста состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 67 рисунков и 48 таблиц. Список использованной литературы включает 120 наименований.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю Анатолию Валерьевичу Погорелову за поддержку и помощь в написании работы. Автор глубоко признателен Оресту Владимировичу Кашарабе и всему возглавляемому им коллективу за возможность использования в научных целях оборудования (системы воздушного картографирования ALTM-3100) и проведение аэросъемок, а также за предоставленные материалы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Микрорельеф и снежный покров:

проблема и состояние исследований

Рассмотрены геоморфологические аспекты изучения снежного покрова, определяющие концепцию диссертации: 1) снежный покров при дистанционном зондировании является шумовой компонентой в отношении построения ЦМР; 2) снежный покров, толщина которого в горах достигает 10 м и более, выступает «рельефоидом»; 3) к поверхности снежного покрова как к внешней оболочке земной поверхности применимы приемы морфометрического анализа; 4) структура поля толщины снежного покрова (наложенный объект) гипотетически должна отражать структуру рельефа (субстрата).

В первом разделе характеризуется масштабный ряд исследования. С позиции освоения гор наибольший интерес вызывает оценка рельефа и структуры поля снежного покрова на локальном уровне, однако, получение сведений о структуре земной поверхности и поля снежного покрова в микромасштабе в условиях гор – непростая задача. Наименее изучена морфологическая структура земной поверхности на микромасштабном уровне, соответствующем топографическим планам масштаба 1:2000 и крупнее. С появлением технологий лазерного сканирования и цифрового моделирования рельефа полноценный анализ микрорельефа и зависимых от него природных феноменов стал доступен. Рассматриваемый в работе масштабный ряд, согласно принятой в геоморфологии иерархии (Щукин, 1980; Леонтьев, Рычагов, 1988; Болысов, 2006), охватывает мезо-, микро- и наноформы. Применительно к изучению поля снежного покрова под микро- и мезомасштабными нами понимаются участки горных склонов с горизонтальными размерами соответственно порядка 10¹-10² и 10³-10⁴ м. Такое пространственное разрешение дает адекватное представление о вкладе микрорельефа в формирование поля снежного покрова.

Второй раздел посвящен опыту наземных исследований микромасштабной структуры поля снежного покрова, о которой на Кавказе известно немного. Приводятся результаты экспериментальных линейных снегосъемок, проводившихся в 1982-1997 гг. в бассейнах Пшехи, Белой и Мзымты (Погорелов, 1999). Эти данные позволили получить первые представления о структурных свойствах и анизотропности поля толщины снежного покрова.

В третьем разделе излагается опыт применения технологии воздушного лазерного сканирования (ВЛС) для анализа распределения снежного покрова. При наличии большого количества публикаций, посвященных прикладному использованию лидарных съемок, попытки вовлечения этой технологии в гляциологические исследования пока немногочисленны. Наибольший интерес представляет канадский (Hopkinson et al., 2001; Hopkinson et al., 2004) и американский (Fassnacht, Deems, 2005; Deems, Painter, 2006; Deems, Fassnacht, Elder, 2006) опыт разноплановых исследований поля толщины снежного покрова на основе ВЛС. Данные публикации отражают довольно широкий спектр приложения высокоточных моделей толщины снежного покрова – от климатического и гидрологического применения до фундаментального анализа структурных свойств исследуемого поля (фрактальная размерность и пр.).


Глава 2. Район исследований. Методика исследований

Описание территории исследования дано в первом разделе. Исследования были сосредоточены на двух экспериментальных полигонах ­– в верховьях рек Пшеха (северный макросклон Большого Кавказа) и Мзымта (южный макросклон). Экспериментальные полигоны получили названия «Фиштинский» и «Аибгинский» (рис. 1) соответственно. Площадь Фиштинского полигона составила 7,61 км² при диапазоне высот 1053-2153 м, площадь Аибгинского полигона – 4,96 км², диапазон высот – 714-2515 м. Полигоны закладывались таким образом, чтобы вскрыть эффекты формирования структуры поля снежного покрова, связанные с ландшафтами, высотой местности, разномасштабными формами рельефа и его морфометрическими показателями. Ландшафты представлены пихтово-буковым лесом, криволесьем и кустарниками субальпики, задернованными альпийскими склонами, осыпями и скальными обнажениями. В границах Аибгинского полигона находятся действующие и строящиеся объекты горнолыжных комплексов и ряд олимпийских объектов.





Рис. 1. Ортофотосхема Аибгинского экспериментального полигона на даты осенней 19.10.07 (слева) и весенней 22.04.07 (справа) аэросъемок

Морфометрические основы исследования описаны во втором разделе. Направление геоморфологии, сконцентрированное на количественном описании многообразных форм земной поверхности, получило название «геоморфометрия» (geomorphometry) (Evans, 1972; Pike, 2000; Shary, 2006; Geomorpho-metry…, 2009; и др.). С появлением цифровых моделей рельефа (ЦМР) в геоморфометрии наблюдается тенденция адаптации методического аппарата морфометрического анализа к цифровому моделированию с активным привлечением геоинформационных подходов, а в качестве исходных материалов – разнообразных данных дистанционного зондирования Земли. В морфометрическом описании оперируют морфометрическими переменными – количественными показателями, измеряемыми в каждой точке земной поверхности. В настоящей работе мы сочли достаточным для анализа рельефа ограничиться показателями экспозиции, угла наклона (крутизны), расчленения, кривизны и некоторыми другими менее употребительными показателями.

В третьем разделе дается описание воздушного лазерного сканирования (лидарной альтиметрии) как метода моделирования земной поверхности. Его активное внедрение в практику исследований земной поверхности предопределено точностью координатных измерений, оперативностью съемки и обработки данных, сочетанием сканирования с аэрофотосъемкой. Для производства работ по воздушному лазерному сканированию и аэрофотосъемке использована система лазерного картографирования ALTM-3100 фирмы «Optech» и аэрофотокамера Rolley разрешением 39 MPix. Характеристики съемки приведены (табл. 1).


Таблица 1

Характеристики воздушной лазерной съемки территорий

экспериментальных полигонов

Показатели	Даты съемки
	19.10.2007	22.04.2007
Фиштинский полигон
Общее количество неклассифицированных точек лазерного отражения	39 810 274	44 290 097
Средняя плотность точек съемки, точек/м2	5,2	5,8
Количество точек, отразившихся от поверхности земли /снега по результатам классификации	22 527 142	29 407 127
Средняя плотность точек съемки, отразившихся от поверхностей земли/снега, точек/м2	2,9	3,8
Аибгинский полигон
Общее количество неклассифицированных точек лазерного отражения	22 728 516	20 376 318
Средняя плотность точек съемки, точек/м2	4,5	4,0
Количество точек, отразившихся от поверхности земли /снега по результатам классификации	7 512 928	8 133 586
Средняя плотность точек съемки, отразившихся от поверхностей земли / снега, точек/м2	1,5	1,4

Четвертый раздел главы посвящен вопросам цифрового моделирования рельефа и рельефоидов. В контексте моделирования геоповерхностей под «рельефоидом» понимается неоткорректированный набор высотных данных, отражающих внешнюю поверхность крон деревьев, а также любых иных «надповерхностных» рельефов (Кошкарев, 2004).

По данным съемки 19 октября 2007 г. построены цифровые модели рельефа или «голой земли» (Digital Elevation Model – DEM), а также цифровые модели поверхности (Digital Surface Model – DSM) – модели внешней оболочки земной поверхности (крон деревьев и т.п.). По данным съемки 22 апреля 2007 г. получены модели поверхности снежного покрова. Модель поверхности снежного покрова названа нами SSEM – Snow Surface Elevation Model. Расчет поля толщины снежного покрова выполнялся как разность SSEM – DEM.

Материалы съемок позволили создать также модель высоты растительного покрова. Трехмерная модель высоты растительности известна в англоязычной литературе как Canopy Height Model (CHM). В российской литературе она также известна как цифровая модель лесного полога. Модель CHM представляет собой разность между поверхностью, построенной по точкам отражения от растительного покрова, и собственно земной поверхностью («голой земли»). Таким образом, нами использованы три базовые модели геоповерхностей: DEM, SSEM, CHM.