Морфометрический анализ долинных геосистем Нижнего Притомья

Хромых В.В., Хромых О.В., Томский государственный университет, кафедра Географии, E-mail: geo@mail.tomsknet.ru

Рассмотрен пример автоматизированного морфометрического анализа ландшафтов долины нижней Томи на основе цифровой модели рельефа. Предложена методика расчёта средних уклонов геосистем с использованием ГИС-технологий, в том числе инструментов дополнительных модулей ArcGIS 3D Analyst и Spatial Analyst. Выявлены закономерности в распределении средних уклонов в зависимости от абсолютной высоты участков речной долины.

При изучении ландшафтной структуры речных долин одной из важнейших задач является анализ ключевых морфометрических показателей долинных геосистем. Применение возможностей современных геоинформационных систем (ГИС) и цифровых моделей рельефа (ЦМР) позволяет значительно углубить и детализировать такой анализ.

Цифровая модель рельефа долины нижней Томи создавалась с помощью модуля ArcGIS 3D Analyst методом триангуляции Делоне. При этом в качестве исходных данных использовались оцифрованные с топографических карт масштаба 1:25000 горизонтали (всего 3338 линий) и высотные отметки, включая урезы воды (всего 3374 точки). В качестве дополнительных использовались данные о полигональных и линейных объектах гидросети (всего 1310 линий и 842 полигона), а также контуры озёр с известным урезом воды (всего 185). При расчёте ЦМР объекты гидросети рассматривались как линии явного перегиба рельефа (рёбра треугольников), а полигоны озёр с известным урезом воды – как плоские поверхности замещения одной высотой. В результате была построена нерегулярная триангуляционная сеть (TIN), состоящая из 1042373 треугольников с диапазоном абсолютных высот от 67,8 до 195м. TIN являет собой компьютерную базу данных (34,7Мб) по рельефу долины нижней Томи, где для каждого треугольника сети помимо высот хранится информация об угле наклона и экспозиции склона.

На основе ЦМР впервые для долины нижней Томи построена серия крупномасштабных карт ключевых показателей рельефа: гипсометрическая карта, карты крутизны и экспозиций склонов (рис. 1-3), что позволило провести углубленный морфометрический анализ территории. Для этого полученные карты были конвертированы в растры формата GRID, представляющие собой регулярные сетки с шагом 10м. В результате стала доступна «алгебра» растровых карт, детальный анализ рельефа по ячейкам 10х10м. Анализ показал, что наибольшие площади в долине (25,9%) занимают участки с абсолютными высотами менее 80м. В большинстве своём эти участки относятся к зоне затопления, что свидетельствует о преобладании поймы над остальными элементами рельефа речной долины. Существенная доля участков выше 120м (15,6%) объясняется тем, что ЦМР захватила часть высокого междуречного склона на правобережье.

Рис. 1. Гипсометрическая карта долины нижней Томи.

Рис. 2. Карта крутизны склонов долины нижней Томи.

Рис. 3. Карта экспозиций склонов долины нижней Томи.

Классификация углов наклона была выполнена согласно рекомендациям геоморфологического картографирования равнинных территорий [1-4]. Более половины площади долины нижней Томи (57,4%) составляют практически плоские участки с углами наклона менее 0,3о (табл. 1). Доля участков с крутизной склонов более 60о крайне мала (0,005%). В зависимости от экспозиции склонов все ячейки ЦМР были классифицированы по восьми румбам. В долине преобладают выровненные поверхности с практически нулевым уклоном без выраженной экспозиции (35,2% всей площади) и участки с уклонами северо-западной (10,4%) и западной (10,2%) экспозиции (см. таблицу), что объясняется общим небольшим наклоном долины на северо-запад, а также большей площадью правобережья с господствующими склонами западной экспозиции [5].

Соотношение площадей участков долины нижней Томи с разными морфометрическими показателями

На равнинных участках речных долин обычно наблюдается определённая взаимосвязь между абсолютными высотами и уклонами. Причиной, по-видимому, является то, что уступы террас, как правило, находятся на одних и тех же абсолютных отметках. Для проверки этой гипотезы был выполнен пространственный анализ гипсометрической карты по углам наклона на нижнем участке долины (как наиболее «равнинном»). С помощью модуля ArcGIS Spatial Analyst была проведена переклассификация растра (сетки) высот на зоны размером 1м по высоте. Методом зональной статистики полученного растра были вычислены средние уклоны долины Томи для каждого диапазона высот.

Анализ результатов расчета позволил выделить пять явных уступов рельефа со средними уклонами более 1о. На абсолютных отметках до 70м очень небольшие уклоны объясняются преобладанием плоских участков прирусловых отмелей. На абсолютных высотах 70–72м наблюдается резкое увеличение средних уклонов, связанное, по-видимому, с небольшим уступом центральной поймы. На абсолютных высотах 76–79м вновь наблюдается увеличение средних уклонов – уступ первой надпойменной террасы Томи. Участки с абсолютными высотами 79–83м характеризуются большой амплитудой средних уклонов (но все менее 1о), что объясняется фрагментарностью первой надпойменной террасы в низовьях Томи. Очень чётко выражена вторая надпойменная терраса. Её уступ выделяется резким ростом средних уклонов на абсолютных высотах 83–89м. Также резко выделяется площадка второй террасы на абсолютных высотах 89–95м с очень небольшими средними уклонами (менее 0,5о). Сильное увеличение средних уклонов на абсолютных высотах 95–102м свидетельствует об уступе третьей надпойменной террасы. Для площадки этой террасы характерно плавное снижение средних уклонов на абсолютных высотах 102–110м. С абсолютных высот 110–111м начинается склон междуречной равнины, имеющий с ростом высоты практически постоянный средний уклон 0,8–0,9о.

Таким образом, результаты взаимного пространственного анализа карт важнейших морфометрических показателей по нижнему участку долины Томи подтверждают вывод о тесной взаимосвязи абсолютной высоты участков долины с их средним уклоном. Это значит, что с помощью автоматизированного морфометрического анализа можно существенно облегчить предварительное выделение высотных границ геоморфологических элементов речной долины. Их окончательная дифференциация должна обязательно проводиться с учётом материалов полевых исследований, карты четвертичных отложений, описаний геологических скважин и данных дистанционного зондирования.

В модуле 3D Analyst (приложение ArcScene) на основе ЦМР была создана трёхмерная модель долины нижней Томи (рис. 4). При увеличении вертикального масштаба в 5-10 раз относительно горизонтального на такой модели отчётливо видны резкие перепады и уступы рельефа (рис. 4, 5). Для большей наглядности трёхмерная модель была драпирована топоосновой (рис. 6) и аэрокосмическими снимками.

Рис. 4. Трёхмерная модель рельефа долины нижней Томи. Вертикальный масштаб в 10 раз больше горизонтального. Освещение с северо-запада.

Рис. 5. Фрагмент трёхмерной модели рельефа долины Томи в районе Лагерного сада (стрелкой показан уступ второй надпойменной террасы на левобережье, высокий уступ на правобережье – склон междуречной равнины). Вертикальный масштаб в пять раз крупнее горизонтального. Освещение с северо-запада.

Рис. 6. Фрагмент трёхмерной модели рельефа долины Томи в районе Лагерного сада, драпированной топографической картой 1:25000. Вертикальный масштаб в пять раз крупнее горизонтального. Освещение с северо-запада.

В результате наложения цифровой ландшафтной карты на ЦМР с помощью модуля Spatial Analyst по карте крутизны склонов была рассчитана зональная статистика для долинных геосистем ранга урочищ, был определён средний уклон каждого урочища. Это позволило оценить степень дренированности геосистем и снизить субъективизм при характеристике рельефа в названии урочища. Так, урочища со средним уклоном менее 0,2о были определены как плоские участки, 0,2–0,5о – как выровненные участки и более 0,5о – как пологонаклонные участки. На основе анализа средних углов наклона геосистем был сделан вывод о лучшей дренированности геосистем верхнего участка долины нижней Томи (г. Томск – с. Ярское). На этом участке средний уклон геосистем составил 0,92о против 0,58о у геосистем нижнего участка (г. Северск – устье Томи).

Таким образом, предложенная нами методика [6] позволяет выполнить детальный анализ ключевых морфометрических показателей долинных геосистем.

Литература

1. Геоморфологическое картирование.– М.: Высшая школа, 1977.– 375 с.

2. Заславский М.Н. Эрозиоведение.– М.: Высшая школа, 1987.– 376 с.

3. Евсеева Н.С., Земцов А.А. Рельефообразование в лесоболотной зоне Западно-Сибирской равнины.– Томск: Изд-во Томск. ун-та, 1990.– 242 с.

4. Морфология рельефа / Уфимцев Г.Ф., Тимофеев Д.А., Симонов Ю.Г. и др.– М.: Научный мир, 2004.– 184 с.

5. Хромых В.В., Хромых О.В. Морфометрический анализ долины Томи на основе ArcGIS 3D Analyst и Spatial Analyst // Материалы XII международной конференции пользователей программных продуктов ESRI и Leica Geosystems в России и странах СНГ.– М., 2006.– 1 электрон. опт. диск (CD-ROM, бум. вариант 2 с.).

6. Хромых В.В., Хромых О.В. Изучение природно-антропогенной динамики долинных геосистем. ArcReview, вып. 4 (43), 2007, С. 23.