В. Н. Каразіна 25-річному Ювілеєві першої в Україні природоохоронної кафедри

Вид материала

Содержание

1.6. Концепція самоорганізації фгмс
1.6.2. Просторово-структурні відносини

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6

Внутрішня метрика рельєфу метризує його топологію. Вона, як і топологія, інваріантна стосовно системи координат, вибір якої для вивчення внутрішньої метрики несуттєвий.

Другу групу метричних характеристик рельєфу творять елементи зовнішньої метрики рельєфу. До них відносяться:

висота,
перевищення,
ухил,
кут нахилу поверхні,
довжина і площа, обмірювані на карті (тобто в площині горизонтального проложення).

Вони визначають положення рельєфу в просторі (зовнішній системі координат), тому, природно, залежать від того, щодо яких реперів це положення виміряється. Характеристики зовнішньої геометрії не є інваріантними.

Цікавим є те, що у системі топографо-геодезичної зйомки рельєфу для складання топографічних карт немає окремо елементів внутрішньої метрики. Метрика рельєфу відображається на топографічній (гіпсометричній) карті інтегрально, не розчленовуючись на зовнішню і внутрішню. Найбільше повно відображається зовнішня метрика, що безпосередньо служить об'єктом топографо-геодезичної зйомки. Внутрішня метрика відображається побічно - через характер рисунку горизонталей (їхню кривизну, розподіл закладень), що передбачається топографічними Настановами й витікає з досвіду «укладання» горизонталей. Деякі характеристики внутрішньої геометрії піддаються обчисленню (площа поверхні, довжина лінії на поверхні) за допомогою графоаналітичних чи аналітичних методів, відомих з картометрії.

Критичний аналіз досить багатого досвіду автоматизованого відображення рельєфу свідчить про те, що всі зусилля дослідників витрачаються переважно на те, щоб правильно передати показники зовнішньої метрики рельєфу, тобто забезпечити відповідність висот у точках і перевищень поміж формами рельєфу. З цієї вимоги виходять і алгоритми інтерполяції, і критерії якості останньої. Внутрішня метрика і топологія рельєфу випадають з поля зору фахівців з чисельного аналізу рельєфу (хоча б уже тому, що ці характеристики рельєфу менш відомі, ніж зовнішня метрика). Це призводить до того, що у відношенні правильної передачі характерних рис рельєфу моделі рельєфу незадовільні. Тим часом, досвід топографо-геодезичних робіт передбачає передачу характерних рис рельєфу в рисунку горизонталей, що звичайно досягається на основі досвіду. Щоб формалізувати цей досвід і, таким чином, істотно поліпшити відображення морфології рельєфу, необхідно навчитися відтворювати топологію і внутрішню геометрію рельєфу з таким же ступенем подібності й точності, з яким відображаються висоти місцевості, тобто зовнішня метрика.

1.5.7. Структурні побудови на тривимірних мережах ФГМС

Структурний аналіз спирається на виявлення і вивчення структурних ліній, що у сукупності творять його каркас. Внутрішня метрика рельєфу така, що структурні лінії виявляються стійкими стосовно деформацій і змін системи координат. Таким чином, структура рельєфу інваріантна і стосовно способів її опису, і щодо процесів функціонування і динаміки рельєфу, здатних змінювати його морфологію, залишаючи незмінним положення структури (крім додавання нових структурних елементів найнижчого порядку).

Абстрактний інваріант рельєфу, утворений структурними лініями долин і вододілів, використовується, як відомо, у морфометричному аналізі рельєфу, розробленому В.П. Філософовим для виявлення нафтогазоносних структур, тобто в прикладних цілях. Наш досвід свідчить про те, що використання абстрактного інваріанта для аналізу рельєфу має універсальний характер, тому що структура рельєфу, відбита в абстрактному інваріанті, у всіх відносинах є визначальною.

У вивченні рельєфу на структурній основі виділяється ряд вузлових моментів.

Виділення інваріантних ліній рельєфу - тальвегів і вододілів.
Топологічний і топографічний аналіз мереж інваріантних ліній для встановлення їхньої ієрархії.
Відображення структурних ліній на карті чи в цифровій моделі.
Побудова абстрактних поверхонь - базисних і вершинних, котрі характеризують просторове положення інваріантних ліній визначених типів і порядків.
Розкладання (декомпозиція) рельєфу на яруси по порядках структури.
Структурний синтез (у разі потреби) рельєфу з окремих структурних ярусів.

Зазначимо, що пп. 5-6 запропоновані уперше нами (1979, 1982), в пп. 1—4 було внесено істотні доповнення. Водночас, ми практично мало що додали у відношенні формального опису тальвегів.

Виділення інваріантних ліній - каркаса рельєфу - здійснюється графічно чи аналітично.

Графічний метод полягає у виділенні тальвегів та вододілів методами морфометрії за В.П. Філософовим. У якості початку структурної лінії використовується перше помітне затягування горизонталі, через що точність визначення структури й порядок структурних ліній залежні від масштабу й детальності карти, хоча наявність виділених ліній є об‘єктивно реальною. Топографічний аналіз складається у вивченні конфігурації і звивистості ліній тальвегів і вододілів, довжин ліній, характеру їхнього зчленування та дешифруванні по карті максимумів кривизни, що стійко повторюються на суміжних горизонталях. Ці прийоми й процедури описано у цитованій вище монографії В.П.Філософова. Натепер їх можна використовувати лише у навчальній роботі для пояснення способу роботи морфометриста. Зміст роздулу 2 книжки переконає читача в тому, що розроблені методи побудови морфометричних карт за ЦМР є продуктивними й альтернативними «ручній» роботі.

Топологічний аналіз зводиться насамперед до встановлення порядків структурних ліній. Для відображень мереж структурних ліній доцільно використовувати правила, викладені в цитованих роботах, а щодо вододілів – за залежною схемою В.П.Філософова, тобто так: вододіл, що розмежовує два водозбори, має порядок молодшого з тальвегів. Таке структурування вододілів є умовно-об‘єктивним (реально воно має місце, але індексується у відповідності до схеми структурування тальвегів, що може бути різною).

Для автоматизованого аналізу структури рельєфу використовується побудова структурно-цифрових моделей, кожна з яких складається з точок, що характеризують просторове положення структурних ліній одного типу й порядку. Організація цифрової інформації за типами й порядками рельєфу полегшує наступні побудови і надає можливості автоматизувати аналіз.

Автором була розроблена наступна таблиця-ключ для вирішення цієї задачі ⁴⁷. У цій роботі було запроваджено нові поняття:

-монобазисна поверхня k-го порядку – геометричне місце тальвегів відповідного (тобто к-го) порядку;

-полібазисна поверхня k-го порядку – геометричне місце тальвегів к-го і всіх більш високих порядків;

-моновершинна поверхня k-го порядку – геометричне місце вододілів к-го порядку;

-полівершинна поверхня k-го порядку – геометричне місце вододілів к-го і більш високих порядків;

-монорельєф k-го порядку – геометричне місце тальвегів та вододілів к-го порядку;

-полірельєф k-го порядку – геометричне місце тальвегів та вододілів к-го та більш високих порядків.

Для комп‘ютерного відображення, було також запроваджено поняття точкової множини відповідного типу (базисного або вершинного) і порядку (згідно з порядком тальвегів чи вододілів), і процедура злиття точкових множин у точкові масиви.

Користуючись цими засадами, отримуємо згадану таблицю-ключ у такому вигляді (табл. 1.2, спрощено відносно оригіналу).

Таблиця 1.2. Структурно-морфометричний аналіз рельєфу за цифровими моделями ⁵⁰.

№	Тип та порядок рельєфу	Тип та порядок точкових множин
Базисний тип	Вершинний тип
Б-1	Б-2	…	Б- k	В-1	В-2	…	В- k
1	Монорельєф -
	порядки:
	1	+				+
	2		+				+
	…
	k				+				+
2	Полірельєф -
	порядки:
	1	+	+	+	+	+	+	+	+
	2		+	+	+		+	+	+
	…
	k				+				+

Примітка: знак + означає, що для побудови рельєфу відповідного типу та порядку дана точкова множина включається до цифрового масиву. Наприклад, щоб побудувати полірельєф 1-го порядку (він же – реальний рельєф топографічної карти) треба злити у точковий масив усі точкові множини. Тут і в тексті вище k означає будь-який порядок старший за 2-й.

Наприклад, для побудови базисної поверхні визначеного порядку досить використовувати точковий масив, що характеризує положення ліній тальвегів одного порядку (монобазисна поверхня) чи заданого і більш високих порядків (полібазисна поверхня). Аналогічно, тільки з точками, що характеризують положення вододільних ліній, необхідно працювати для автоматичної побудови вершинних поверхонь ⁴².

Для того, щоб оцінити розмах висот рельєфу чи глибину розчленовування, необхідно відняти з вершинної базисну поверхню. Якщо при цьому віднімати поверхні одного типу і порядку, то удасться в такий спосіб оцінити глибину розчленовування, обумовлену тільки ерозійними елементами цього порядку. Є й інші можливості.

Наприклад, віднімаючи полібазисні поверхні (з поверхні більш низького поверхню високого порядку), одержимо складову ефекту розчленовування, обумовлену впливом тальвегів (долин) певного старшого порядку, на який розрізняються ці поверхні. Скажімо, віднімаючи від полібазисної поверхні 3-го порядку полібазисну поверхню 4-го порядку отримуємо шар рельєфу, що дренується тальвегами 4-го порядку. Нагадаємо, що порядок тальвегів еволюційно стрибкоподібно (тобто цілочисельно) зростає, бо закладання тальвегів нового (тобто першого на той час) порядку спричиняє зростання порядків усіх тальвегів більш високих порядків на одиницю: ті, що були дотепер 1-го порядку, стають 2-го і т.д.

Так само можна оцінити зниження вододілів, що відбувається в процесі утворення нового структурного зрізу рельєфу за рахунок зниження вододільної поверхні тальвегами визначеного порядку, що дренують вододільний простір. Знову ж таки, наприклад, віднімаючи полівершинну поверхню 3-го порядку від полівершинної поверхні 4-го порядку, отримаємо уявлення про зниження вододілів через дію тальвегів, що натепер мають 4-й порядок.

Важливою самостійною задачею є виділення окремих структурних рівнів рельєфу. Якщо "натягнути" поверхню на каркас зі структурних ліній одного порядку, але двох типів, то одержимо монорельєф і-го порядку, що відповідає порядкові і структурних ліній. Найліпше це зробити поверхнею мінімальної кривизни (свого роду “мильна плівка”), для чого існує відповідний алгоритм нелінійної інтерполяції.

Якщо при цьому використовувати і структурні лінії більш високих порядків (тобто і, і+1, …і+m і т.д.), то вийде полірельєф порядку m. Віднімаючи полірельєфи, одержуємо структурні рівні, з яких складається даний рельєф, тобто робимо декомпозицію рельєфу. Тут слово "рівні" розуміється в топологічному смислі.

Кожен полірельєф являє собою генералізацію рельєфу заданого порядку. Сама по собі можливість генералізації досить важлива. Звичайно, в цих цілях використовується метод ковзного вікна, застосований В.О.Черв‘яковим для згладжування статистичних поверхонь, чи методи комп‘ютерного статистичного згладжування полів. Ці методи, однак, можуть спотворювати структуру рельєфу, бо з видаленням елементів нижчих порядків зміщуються ранг і положення елементів більш високих порядків, котрі, як відомо, повинні бути збережені при генералізації незмінними.

Побудови формальних поверхонь і рельєфів відкривають перед дослідником нові можливості декомпозиції рельєфу, здійснювані у різних цілях. Традиційним може бути звичайний прикладний морфометричний аналіз за В.П. Філософовим. Новими є можливості просторового аналізу сучасних процесів, про що ми вже згадували.

Але є ще досі не використані можливості генералізації рельєфу на структурній основі. Автор майже 3 десятиліття тому показав у докторській дисертації можливості й переваги структурної генералізації рельєфу. На той час, ця задача була надто складною для реалізації і подавалася у постанов чому плані. Сучасні технічні можливості комп’ютерів і алгоритмізації процесів дозволяють повернутися до проблеми як реальної перспективи наскрізної алгоритмізації редагування карт рельєфу.

Існує нереалізована поза морфометрією можливість структурної генералізації рельєфу через побудову вершинних і базисних поверхонь. Раніше вони використовувались виключно у структурно-морфо-метричному аналізі за методом В.П. Філософова. Але їх можливості застосування є значно ширшими. Здійснювані автоматично за строгими алгоритмами, вони здатні докорінно змінити способи проектування інженерних споруд, корегування польотів безпілотних літаючих засобів у будь-яких складних умовах місцевості, прогнозування положення ґрунтових вод і т.ін.

1.6. КОНЦЕПЦІЯ САМООРГАНІЗАЦІЇ ФГМС

1.6.1. Поняття самоорганізації

Існує декілька дефініцій самоорганізації рельєфу. Їх наведено, зокрема. Г.Скрильником ³². Ми надалі будемо дотримуватись визначення, що належить авторові цього тексту. Воно сформульоване ним у 80-і рр. ХХ ст.²⁶ і дещо модифіковане тут:

- самоорганізація – це сукупність процесів, у ході яких створюється, відтворюється й удосконалюється організація складної динамічної системи, котра прагне до динамічної рівноваги, але її не досягає, бо баланс речовини-енергії порушується самою системою. В разі досягнення рівноваги така система втратила б подальший імпульс саморозвитку.

Фізична географія і геоморфологія довгий час опікувалися пізнанням структури, історії розвитку і розміщенням об'єктів. Поняття функціонування, дослідження функцій об'єктів як складових, як частин цілісної системи земної поверхні прийшло в науки про Землю порівняно недавно і продиктоване необхідністю прогнозування і керування географічними процесами, неможливими без розуміння "фізіології природи" ⁴⁸. Хотілося б тут зосередити увагу на основних поняттях, трактування яких стосовно до предмета нашого дослідження найбільш істотне.

1.6.2. Просторово-структурні відносини

Носієм стійкості рельєфу, тобто його здатності протистояти зовнішнім впливам, є інваріантна структура рельєфу. Без інваріанта немає структури, а без структури немає і рельєфу, тому що немає організованого упорядкованого руху речовини, немає саморегулювання, отже, немає порядку. Без усього цього земна поверхня була б безладним і безформним накопиченням нерівностей, як, наприклад, поверхня інших небесних тіл, а не рельєфом – закономірною послідовністю елементів і форм.

Якщо розглядати тенденції часової зміни рельєфу, то найбільш характерною здається антиентропійна тенденція, що виявляється в зростанні ступеня анізотропії, виникненні усе більш складної структури, спрямованих потоків речовини, можливо, усе нових форм саморегулювання, тобто підвищенні упорядкованості. З цих розумінь, варто критично відноситися до існуючого в науковій літературі твердження, начебто рельєф прагне до вирівнювання і спрощення структури (зростання ентропії).

Рельєф створюється рухами, що хоча і відбуваються в рамках сформованої структури, але в той же час мають певну самостійність. Співвідношення між формою і рухами, процесом (літодинамічним потоком), можливо, являє собою основне протиріччя розвитку рельєфу як матеріальної системи. Тут немає можливості детально обговорювати це питання, але здається, що зазначене протиріччя має головні властивості ведучого: перманентність та іманентність. Тому розуміння ролі форми в динаміці відкриває можливості для конструктивного рішення задач керування геоморфологічним процесом, "приборкання" ґрунтової і лінійної ерозії, запобігання деградації водойм в умовах усе більш агресивного землеробства, рішення задач рекультивації земель і ін.

Пізнання розвитку рельєфу земної поверхні повинне будуватися насамперед на глибокому осмислюванні процесу комплексної взаємодії різних процесів поміж ними і з формами рельєфу, а також і між самими формами рельєфу. Рельєф визначає хід рельєфоутворюючих процесів, а самі ці процеси змінюють форми рельєфу. Пізнання зазначеного механізму може призвести до побудови строгої моделі реальних процесів і форм рельєфу, що необхідно для розвитку геоморфології - науки морфологічної. Дещо з цього буде показано у 2-й частині цієї книжки.

Організація найчастіше не "пронизує" весь рельєф, а має більш-менш локалізоване поширення, деяке ядро (для флювіального рельєфу це мережа стоку) і передній фронт - зону "завоювання" системою простору. Якщо умови рельєфоутворення змінюються стрибкоподібно, то починається новий етап формування ФГМС тим же способом, що описаний вище. Нова система виникає шляхом відторгнення ділянок рельєфу, що сформувалися раніше, і їх переформування. Так історія рельєфоутворення відбивається в структурі рельєфу.

Співвідношення у вивченні рельєфу динамічного й історичного, інакше кажучи, співвідношення організації й еволюції, є, можливо, самою що не на є жагучою проблемою геоморфології. Її розробка могла б усунути певний розрив між традиційним генетичним (історико-генетичним) і новітніми (структурним, системно-структурним, структурно-функціональним) підходами. Тенденція до об'єднання цих напрямків, орієнтованих, якщо узяти до уваги шкалу часу, протилежно (історико-генетичний ретроспективно пояснює те, що вже відбулося; новітні ж інтерспективні, тому що поєднують минуле і майбутнє шляхом вивчення сучасного), характерна для сучасної комплексної фізичної географії у цілому, актуальна для геоморфології як науки істотно географічної, що прагне стати конструктивно-перетворюючим знанням.

Функціонування системи - власне процес енерго-масонереносу - відбувається в умовах видимої незмінності структури і стану ФГМС. Цей процес спрямований на підтримку в системі незмінного стану, що в умовах відкритої системи, взаємодіючої із середовищем, може досягатися тільки через дисипативний процес, тобто коли енергія надходить ззовні й витрачається у ФГМС, що й становить енергетичну сутність функціонування. При цьому, ФГМС здобуває певного порядку функціонування за рахунок споживання упорядкованої енергії зовнішнього середовища, а витрачає вже знецінену й невпорядковану механічну й теплову енергію.

В часовому відношенні рамки функціонування дуже вузькі. Система переходить у новий стан, як тільки механізм негативного зворотного зв'язку (що підтримує гомеостазис) стане недієздатним для даних умов. Якщо говорити про характерний час явища, то правомірно буде зазначити, що функціонування укладається в один елементарний інтервал "життя" системи. Тому в моделях функціонування, побудованих у характерному часі, останнім можна взагалі зневажати, рахуючи, що він "не тече" (як власний час явища), хоча фізичний час, природно, тече неухильно.

Послідовності переходів від одного стану системи до іншого складають динаміку ФГМС. Динаміка в рамках цих уявлень складається з етапів функціонування (незмінності характерного часу) і перехідних процесів між суміжними станами, тобто має безупинно-переривчастий характер. Динаміка оборотна в тому відношенні, що ті самі стани можуть повторюватися багаторазово (наприклад, сезонна динаміка геоморфологічних процесів), тобто вона не спричиняє необоротності змін. Однак динаміка, виявляючись у процесах зміни функціонування рельєфу, обумовлює періодично виникаючі конфлікти в геоморфологічній системі, що супроводжуються стрибкоподібними глибокими її перебудовами. Вони мають в основному необоротне значення, призводять до появи в рельєфі якісно нових морфологічних елементів і обумовлених ними процесів (що первинне чи вторинне - сказати ніяк не можна).

Сукупність необоротних, спрямованих від простого до складного стадій формування ФГМС становить її розвиток. Останній, з одного боку, являє собою реакцію цієї системи на зовнішні впливи: зміни складових клімату і стоку, стану грунтово-рослинного покриву, тектонічних рухів, евстатичних коливань рівня Океану і т.п.; з іншого боку - закономірну послідовність змін, тобто проявляється як саморозвиток.

Рельєфоутворення не може бути розглянуте інакше як послідовність різновікових зрізів рельєфу, тобто у власній морфохронологічній шкалі. Для зіставлення з геологічними подіями ця шкала повинна корелюватися з геохронологічною, а в задачах моделювання - з фізичним часом як незалежною перемінною.

Нарешті, час саморозвитку виступає фактором історичного процесу формування ФГМС, "запам'ятовуючись" у рельєфі вже в іншій характерній рисі - послідовній ієрархії структурних мереж.

Дослідники динамічних аспектів рельєфоутворення, механізмів саморегулювання геоморфологічного процесу, факторів і явищ геоморфогенезу неодноразово звертали увагу на ту обставину, що в ряді випадків рельєф земної поверхні поводиться як цілісна система, тобто відповідає на зовнішні впливи певним чином, закономірно, хоча й не передбачувано, що відрізняє це поводження від випадкового. Наприклад, знижуючись, рельєф одночасно ускладнюється (хоча з загальних розумінь здавалося б природним, якби зі зменшенням потенційної енергії за рахунок зниження висот деградувала б і структура). При збільшенні поверхневого стоку на схилі формується ерозійна мережа, якої раніше не було, що є засобом більш ефективно відводити зі схилу стік. У літературі відомі приклади виникнення в рельєфі систем позитивного і негативного зворотного зв'язку, адаптації до нових зовнішніх умов, що змінилися з певних причин, і т.ін.

ФГМС демонструють яскравий прояв здатності рельєфу бути доцільно організованим. Йдеться про наявність єдиної ерозійної мережі на значній території суходолу, де з кожної точки мережі є лише один-єдиний шлях до відповідного морського (озерного) басейну. Дослідження показали, що така мережа топологічно та функціонально подібна кровоносній системі високорозвиненого організму в тому відношенні, що вона рівномірно дренує територію (як кровоносна мережа – живі тканини), забезпечує погоджений потік речовини (як правило, без розривів і переповнення в нормальних умовах стоку). Односпрямований, детермінований її рух відбувається протягом шляху, вимірюваного, часом, тисячами кілометрів, і на всьому протязі супроводжується дисипацією енергії поверхневого стоку. Дослідження показують, що навіть на обмеженій території важко спроектувати таку штучну мережу, маючи навіть усі можливості науково-технічного прогресу.

З пізнавально-психологічного боку, вся ця вражаюча організація земного рельєфу через ієрархічну ФГМС не здається нам дивною тільки через те, що вона звична і відома нам з малолітства. На інших планетах її немає. Їхня поверхня представляється нам, судячи з наявних матеріалів, хаотичним скупченням нерівностей. Вище вже зазначалося, що через колосальну складність земного рельєфу зусилля геоморфології досі витрачаються переважно на інвентаризацію форм і ще частіше – територіально значних комплексів форм рельєфу. Цей необхідний етап будь-якої науки, забезпечуючи систематичність знання, не може в той же час вважатися заключним у пізнавальному процесі.

Blog

В. Н. Каразіна 25-річному Ювілеєві першої в Україні природоохоронної кафедри

Содержание