ГЕОФАЦЕТТЫ КАК ФОРМАЛЬНАЯ ОСНОВА АНАЛИЗА ГЕОРЕЛЬЕФА И ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКОГО КАРТИРОВАНИЯ В СРЕДЕ ГИС

В.В. Бутвиловский, Н. Прехтель*

Германия, Институт картографии Технического университета Дрезден,  WladimirButwilowski@web.de        Nikolas.Prechtel@mailbox.tu-dresden.de.

Примем, что георельеф есть геометрическая конфигурация земной поверхности и состоит из множества плоскостей. Изучая георельеф, нужно сначала правильно выделить его элементарные составные части как таковые, затем соединить их в определенные генетические и хронологические комплексы, отражающие структуру и функцию георельефа.

Что же является исходной элементарной внутренне однородной частью рельефа, несущей его свойства, которую нецелесообразно делить на более мелкие в данном масштабе и которая может составить всё морфологическое разнообразие рельефа, позволяя правильно вести его анализ и синтез?

Точка или линия не имеют всех свойств поверхности, поэтому они не могут полноценно ее представлять и быть ее элементом. Элементом поверхности может быть только ее часть. Любую сложную поверхность можно с достаточной точностью представить как совокупность разноориентированных и разнонаклоненных плоских фигур. Отсюда, элемент георельефа — участок земной поверхности, который не имеет кривизны [1]. Иначе говоря, представляет собой плоскость. Назовем его „геофацетта“.В реальности такой идеальной формы не бывает, она всегда «шероховата», но такие идеальные поверности могут достаточно точно выделяться с помощью изогипс на топографических картах. Реальный участок поверхности, соответствующий выделяемой на топографической карте геофацете, назовем „склон“. Каждый склон земной поверхности состоит из плоскости, ограничивающих ее линий и точек, имеет своё место в пространстве георельефа, экспозицию, наклон, высоту и размеры (в зависимости от масштаба исследования георельефа), просто и точно выделяется на топографических картах или по измерениям на местности. Склон есть «производная» процесса возникновения-развития георельефа, „суммирующая“ действие тектоники и денудации или аккумуляции. Именно в наклоне и экспозиции склонов находят свое выражение свойства создавших их факторов, способы образования и процессы развития георельефа [2]. Поэтому именно из этой «единицы» георельефа и предлагается исходить при разработке теоретических основ геоморфологии и морфологических классификаций.

Составные части (склоны) георельефа различным образом размещены в пространстве и образуют его структуру или геоморфологическое строение [7]. „Морфоструктура“ есть форма расположения склонов относительно друг друга, их сочетания и последовательности в георельефе. Ее познание должно начинаться с формально строгого выделения элементов георельефа. Наиболее точно это может осуществлено с помощью топографических карт. На карте оконтуривается участок, внутри которого все изогипсы имеют вид прямых линий и расположены друг от друга на равном расстоянии (рис. 1). Практика показала, что это  довольно точно проводится и „на глаз“, однако использование измерительных инструментов весьма желательно. Мануальное выделение геофацетт — трудоемкая операция. Для картирования одного листа карты необходимо минимум 10-20 человеко-дней. Составленные таким способом аналитические геоморфологические карты очень точны, но весьма „неудобны“ для дигитализации, интеграции в ГИС и автоматизированного сравнительного анализа с другими данными. Поэтому нами была предпринята попытка решения весьма непростой задачи автоматизированного компьютерного выделения геофацет на дигитальных топокартах с помощью программ ГИС. Эта попытка была осуществлена в Институте картографии Технического университета Дрезден на базе дигитальной растерной высотной модели рельефа Центрального Алтая масштаба 1:200 000 с плотностью сети данных 100 х 100 м. Она оказалась в целом успешной [4, 5, 3]. Однако пока еще нерешенной проблемой остаются очень большие затраты компьюторного времени на обработку данных (автоматизированное вычисление и выделение геофацет для одного листа топокарты длится не менее 3-4 месяцев). Это обусловлено возможностями действующей программы GIS-Software Arc/Info, нуждающейся в специальной дополнительной программе, которая бы позволила существенно сократить время на обработку данных.

Морфометрические данные по каждому растеру (площади 100х100 м), с которого начинается расчет геофацет, часто отличаются друг от друга, и уже каждый растер (клетка) может представлять собой фацетту. Такие фацеты были бы слишком малы для показа их на карте, поэтому было принято решение объединять малые геофацеты в достаточно крупные на основе сходства их геометрических и ландшафтных параметров: экспозиции и наклона (рис. 2). При этом однако возможны весьма произвольные и случайные комбинации. Поэтому был разработан специальный алгоритм, который производит „укрупнение“ фацет посредством последовательного расчета приближения трендовых поверхностей первого порядка к реальным поверхностям, исходя из данных дигитальной высотной модели [3,6].

Рис. 2. Высотная  модель рельефа с 9 растерами (слева) с изображением их линий падения в полярных координатах (справа). Оттенками  цвета представленно целесообразное группирование фацетт по секторам направлений.

Укрупненные геофацеты представляют собой весьма пеструю мозаику геометрических фигур, в которой структура рельефа практически не выделяется. Поэтому было решено автоматически объединять соседние геофацеты в более крупные протяженные морфокомплексы („region growing“), отличающиеся друг от друга по экспозиции и наклону на небольшие, строго определенные величины. Эти геоморфологические единицы и нашли свое выражение на морфометрической карте.

Несомненно, что способы автоматического компьютерного анализа рельефа должны совершенствоваться. Это касается прежде всего сокращения временных затрат на расчеты, которые должны вестись сначала специально разработанными программами вне ГИС и затем готовыми передаваться для доработки и визуализации в ГИС. Кроме того, должно быть усовершенствованно и лучше обосновано выделение укрупненных геофацет (Initialfazetten). В целом же операция анализа-дифференцирования, как видно, еще относительно проста, операция синтеза-интегрирования георельефа гораздо сложнее и требует создания правильных и математизируемых генетических и хронологических классификаций морфокомплексов георельефа, которые бы позволили логично и эффективно упорядочить бесконечное разнообразие его элементов.

Итак, выделение склонов на топографических картах достаточно точно и воспроизводимо, производится по простым и строгим правилам и полностью соответствует требованиям точных наук, тем самым в геоморфологии может быть обеспечена изначальная строгость, точность и истинность анализа данных. В этом ее огромное преимущество перед многими науками о Земле.

Литература:

[1] Бутвиловский В.В. Основы устройства и развития литосферы Земли: Курс лекций по общему землеведению. 1 том. — Новокузнецк.: Изд-во Новокузн. пед. ин-та. 1995. — 108 с.

[2] Butwilowski, Wladimir (2002): Über theoretischen Grundlagen der geomorphologischen  Kartierung. Trierer Geographische Studien. Heft 25. Trier. — S. 177 – 190.

[3] Pollack, Mario (2003): Methodischer Beitrag zur GIS-basierten mittelmaßstäbigen geomorphologischen Klassifizierung und Kartierung des Zentral-Altai auf Grundlage von Digitalem Höhenmodell und Geländeerhebungen. Diplomarbeit am Institut für Kartographie der TU Dresden, Betreuer: N. Prechtel und M. Buchroithner. — 64 S.

[4] Prechtel, Nikolas (2002): „Digitales Höhenmodell“. Lexikonstichwort in: Bollmann, J. u. Koch, W.-G. (Hrsg.): Lexikon der Kartographie und Geomatik. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg.

[5] Prechtel, Nikolas (2003): GIS-Aufbau für den Naturschutz im Russischen Altai. In: Geoinformationssysteme – Theorie, Anwendungen, Problemlösungen. Kartographische Bausteine, Bd. 21, Inst. für Kartographie, TU Dresden. — S. 82–100.

[6] Menz, Joachim, Martienßen, Thomas und Nguyen, Van Dien (2002): Photogrammetrishe Erfassung der Klüftigkeit des Gebirges und Zugänge zur weitgehend automatisierten Bereitstellung der Ergebnisse. Vortrag zum Ehrenkolloquium aus Anlass des 90. Geburtstages von Prof. Dr.-Ing. Werner Rüger, TU Dresden 18.1.2002, Pdf-Dokument im Internet: http://www1.tu-freiberg.de/~wwwmage/forschung/hase/rueger.pdf.  — 21 S.

[7] Спиридонов А.И. Актуальные вопросы изучения склонов — Вопросы географии, т. 85, 1971. — C. 3-9.