Анализ рельефа

Анализ рельефа с использованием ЦМР

Цифровые модели рельефа являются основой решения средствами ГИС-технологии достаточно широкого спектра задач, в том числе:

— определения морфометрических характеристик рельефа;

— построения карт крутизны и экспозиции склонов;

— вычисления и визуализации зон видимости и невидимости для одной или системы точек;

— расчета объемов относительно заданного высотного уровня;

— построения профилей;

— построения линий тока;

— выделения структурных линий рельефа, в том числе линий эрозионной сети, водоразделов, оконтуривание водосборов.

В состав ГИС-пакетов обычно входят специальные средства визуализации ЦМР, обеспечивающие вывод на экран и/или печать двух - и трехмерных изображений рельефа (блок-диаграмм) с возможностью изменения положения точки обзора как по направлению (путем враще­ния блок-диаграммы рельефа вокруг вертикальной оси), так и высоте, а также наложения на поверхность рельефа любого другого информационного слоя из базы данных (при условии совпадения размера рас­тров), увеличения или уменьшения изображения.

Набор функций пространственного анализа цифровых моделей ре­льефа в различных ГИС-пакетах существенно различен. Одним из наи­более мощных пакетов, обеспечивающих создание ЦМР и анализ рельефа является специализированный пакет РЕЛЬЕФ-процессор, разработанный в Харьковском университете на основе исследований по структурно-лингвистическому описанию рельефа, выполненных И. Г.Черваневым и Б. Н.Воробьевым. В основу построения цифровой модели рельефа положена структурная интерполяционная модель, в которой опорные точки задаются на структурных линиях рельефа - водоразде­лах и тальвегах. В этом случае для определения высоты топографичес­кой поверхности в любой точке, не совпадающей с опорной, использу­ются данные только по опорным точкам, находящимся на одном скло­не, что, как отмечает И. Г.Черванев, Исключает искажение плас­тики рельефа даже при использовании простейших методов интерпо­ляции.

Пакет РЕЛЬЕФ-процессор 1.0 включает:

— систему анализа пространственных данных, предназначенную для ввода и обработки пространственно-распределенных данных в вектор­ном и числовом форматах;

— систему структурного анализа, обеспечивающую выделение пол­ной эрозионной сети, включая линии тальвегов и границы водосборных бассейнов;

— систему морфометрического анализа, позволяющую определять различные морфометрические характеристики рельефа, имеющие непрерывный характер распределения по исследуемой территории, включая уклоны и азимуты (экспозиции) склонов, глубину и густоту расчленения рельефа, а также строить структурные поверхности с использованием различных методов интерполяции и экстраполяции;

— систему картографирования со встроенным специализированным графическим редактором, создающим комфортную среду для создания и редактирования карт на основе результатов структурного и морфометрического анализа рельефа, а также визуализации результатов в плоском и трехмерном изображении с возможностью открывать на эк­ране любое количество информационных окон.

В качестве векторных форматов используются различные форматы этого типа, в частности, DXF/DXB. Под числовыми форматами пони­маются либо регулярные сеточные данные, описывающие поле отме­ток местности в пределах исследуемой территории, либо нерегуляр­ные точечные данные. Для регуляризации исходных данных предос­тавляются три основных метода:

— триангуляции с последующим заданием сплайнов требуемой сте­пени гладкости на каждом треугольнике;

— крайкинг-анализа (скользящего осреднения) со спектром настра­иваемых параметров;

— аппроксимации поверхности полиномами с применением метода наименьших квадратов и возможностью выбора степени полиномов.

Основу идеологии РЕЛЬЕФ-процессора реализует система струк­турного анализа, обеспечивающая выделение структурного каркаса рельефа с иерархическим упорядочиванием его элементов. Качествен­но ее можно разделить на четыре блока:

— моделирования затопления исследуемой территории по модели "бесконечного ливня" для определения полной эрозионной структуры;

— выделения сети тальвегов и границ водосборных бассейнов со­гласно интерактивно задаваемым параметрам;

— получения в интерактивном режиме числовых характеристик во­досборных бассейнов-площадей, объемной и линейной расчлененности, среднего уклона, объема твердого стока и других;

— исследования изменений структуры стока при строительстве, оп­ределения площади зеркала и объема проектируемых искусственных водоемов, расчета объемов земляных работ.

К несомненными достоинствам пакета следует также отнести воз­можность его запуска (под MS DOS) на любом IBM PC/AT совмести­мом компьютере с математическим сопроцессором и EGA видеоадапте­ром. Однако для более эффективной работы рекомендуется компьютер с процессором 386/387 или 486 и VGA видеоадаптером.

РЕЛЬЕФ-процессор, являясь специализированным пакетом, безус­ловно, выделяется своими функциональными возможностями. К стан­дартным же функциям анализа рельефа, реализованным практически во всех ГИС-пакетах, обеспечивающих анализ трехмерных объектов (ARC/INFO, IDRISI, SPANS, GRASS, ILWIS, PC-RASTER и др.), от­носятся расчет и визуализация углов наклона (уклонов) и экспозиций поверхности, построение трехмерных перспективных изображений и наложение слоев данных на трехмерные изображения.

На Рис. 3.10 представлена ЦМР для одного из полигонов системы агроэкологического мониторинга Южного региона Украины, располо­женного в северной части Причерноморской низменности. Она построе­на с использованием пакета IDRISI, в двухмерном (в виде гипсометри­ческой карты) и в трехмерном (в виде блок-диаграммы) изображении с наложением почвенной карты.

В заключение отметим, что технология построения ЦМР и анализа на ее основе рельефа может быть применена и применяется к любым "географическим полям", суть которых заключается в том, что в любой точке пространства существует (наблюдается) или конструируется (вычисляется) тот или иной показатель, образующий скалярное поле. Таковыми являются, в частности, поля метеорологических или климатологических величин - осадков, температур, давления и пр, поля гидрологических величин - поверхностного или подземного стока, поля физических, химических и других характеристик почвенного по­крова, поля загрязнителей и т. п.

Рис. 3.10. Представление рельефа в виде гипсометрической карты (а) и блок-диаграммы с углом обзора 45' (б).