авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 ||

Морфометрический анализ рельефа большого кавказа

-- [ Страница 3 ] --

В разлеле 3.3 рассмотрены процедура и результаты выделения разнопорядковых хребтов как главных элементов орографии горной страны. Проблема пространственного ограничения форм земной поверхности, на наш взгляд, имеет два важных аспекта. Первый связан с концептуальным противопоставлением континуальности и дискретности. Второй аспект заключается в неоднозначности, субъективности подобного выделения, особенно если оно основано на описательных, неформализованных подходах.

Задача преодоления неоднозначности, субъективности выделения элементов орографии может решаться на пути их формализованного описания, т.е. с помощью предлагаемых алгоритмов расчета. К ключевым орографическим элементам отнесем хребты и долины. Для выделения разнопорядковых элементов (хребтов) следует использовать ЦМР с переменным разрешением, что снижает трудоемкость расчетов и облегчает саму процедуру выделения. Все расчеты и построение карт в этом разделе осуществлялись по ЦМР, полученной в результате агрегирования ячеек с разрешением 500 м.

В основе автоматизированной идентификации морфологических элементов поверхности по растровым ЦМР лежат разработанные и достаточно широко применяемые в геоморфологической практике алгоритмы. В настоящей работе мы прибегли к классификации, ориентированной на операции с растрами, со следующими элементами: valley – долина, лощина; flat – плоский участок (низина); toe slope – подошва склона; midslope – средняя часть склона; upper slopes – пригребневая часть склона; ridge – хребет.

Идентификации морфологических единиц предшествует расчет «топографического» индекса TPI (Topographic Position Index) по методике Джеффа Дженесса (Jenness, 2006). TPI представляет собой разность между абсолютной высотой данной точки (или ячейки) и средней высотой точек в определенном буфере вокруг исходной точки. Положительные значения TPI соответствуют выпуклостям земной поверхности; отрицательные соответствуют понижениям; значения близкие к нулю указывают на то, что данная поверхность является равниной. Орографический анализ был сосредоточен на выделенной морфологической единице «ridge» – хребет (рис. 5). Для избавления от артефактов в виде «осколочных» элементов установлен ценз по площади в 2 км2. Сглаживание контуров хребтов выполнено методом интерполяции Безье. Построенные разномасштабные полигональные векторные модели хребтов отличаются от укоренившегося представления орографических схем, где хребты отображаются линиями (т.е. одномерны).

Рис. 5. Результаты идентификации хребтов разного порядка: с радиусом скользящего окна 10d (вверху) и 40d (внизу); d – длина стороны ячейки. Векторная модель

С помощью описанных приемов выделены главные элементы орографии – хребты и долины Большого Кавказа. Методы анализа предусматривают гибкое определение порядка выделяемых хребтов в связи с требуемой детализацией на основе размеров скользящего окна и цензов площади.

В четвертой главе приведены результаты расчета и анализа ряда морфометрических характеристик рельефа, отражающих главные особенности формы и структуры горного рельефа.

В разделе 4.1 приводятся результаты гипсометрического анализа. Исследуемая горная страна – наиболее высокая в России, однако полноценный гипсометрический анализ ее до настоящего времени не проводился.

На анализируемой территории общей площадью 371,8 тыс. км2 со средней высотой 596 м 66,95% площади приходится на высоты до 500 м; на высоты до 1 000 м приходится 78,36% или 291,3 тыс. км2. На высотах более 2 000 м здесь располагается всего 9,69% или 36 тыс. км2 территории. Анализ гипсографической кривой Большого Кавказа, построенной обычным способом, свидетельствует о слабой выраженности ярусного строения рельефа в масштабе горной страны.

От района 1 к району 7 наблюдается последовательное смещение наиболее представительных площадей на более высокие отметки. Наименьшая изменчивость абсолютных высот, следовательно, и интенсивность рельефообразования наблюдается в районе дельты Кубани (среднее квадратическое отклонение высот STD всего лишь 1 м); наибольшая интенсивность современного рельефообразования, судя по значению STD (703 м), – в осевой части Большого Кавказа. Коэффициенты асимметрии S в массивах распределения высот имеют довольно широкий диапазон – от 0,05 (район 1) до 2,59 (район 5). Во всех случаях в вариационных рядах высоты отмечена правосторонняя скошенность с S>0, что в морфологическом смысле должно означать преобладание в целом на территориях районов положительных форм. Коэффициенты эксцесса Е, характеризующие пиковость в распределении высотных отметок, варьируют от 15,35 (район 1) до -0,31 (район 7). Большие значения коэффициента эксцесса E (районы 1, 2, 3, 5) свидетельствуют о скоплении частот в середине кривой распределения высот – в узком диапазоне около моды. Это указывает на существование здесь единой субгоризонтальной поверхности, слабо нарушенной тектоническими деформациями и эрозионными формами.

В разделе 4.2 отражены результаты анализа крутизны склонов. Очень пологие склоны крутизной до 30 охватывают 180,8 тыс.км2, что составляет почти половину рассматриваемой площади (48,6%). Склоны крутизной до 100 занимают 71,1% или 264,4 тыс. км2 суммарной площади. С увеличением крутизны склонов занимаемая ими площадь закономерно уменьшается – на крутые, обрывистые и отвесные склоны с углами наклона более 450 приходится всего 3,4 тыс.км2 или 0,92% территории. Доля крутых склонов возрастает по мере увеличения морфологической сложности земной поверхности, и наоборот, относительная площадь пологих склонов радикальным образом уменьшается. Если в районе 1 очень пологие склоны (угол наклона менее 30) занимают практически всю площадь, а в районе 2 – 91% площади, то в районах 6 и 7 их доля составляет всего лишь 7 и 1,6% соответственно.

В разделе 4.3 рассмотрены основные закономерности распределения экспозиции склонов. Без учета горизонтальных поверхностей на Большом Кавказе на склоны северных румбов в сумме приходится 41,74% площади, а на склоны южных румбов – 39,70% площади, т.е. наблюдается «экспозиционная» симметрия. Из установленной соразмерности склонов разной экспозиции следует вывод: экспозиционные различия в масштабе горной страны (и даже выделенных районов) не оказывают существенного влияния на общерегиональное избирательное усиление/ослабление каких-либо эрозионных и денудационных процессов. Экспозиционная дифференциация элементарных горных склонов как фоновый фактор экзогенных процессов обеспечивает примерно равные условия для проявления и соразмерного представительства любого характерного процесса в масштабе всего Большого Кавказа.

Кривизна склонов исследуется в разделе 4.4. Профильную kv и плановую kh кривизны горных склонов можно определить как две ортогональные компоненты, где эффект гравитационных процессов либо достигает максимума (вертикальная выпуклость), либо минимизируется (горизонтальная выпуклость) (Zevenbergen, Thorne, 1987; Moore et al, 1991). При расчетах кривизны в геоморфометрии прибегают к методам Эванса, Зевенбергена-Торна, Шарого. Алгоритм Зевенбергена-Торна используется в пакете ArcGIS (Esri, США) и SAGA (Германия). В пакете Landserf (J. Wood, Великобритания) расчеты кривизны основаны на методе Эванса. В результате сравнительного анализа различных приемов расчета профильной и плановой кривизн предпочтение было отдано методу Эванса.

Профильная кривизна. Судя по построенной карте, рисунок kv весьма зависим от местных морфологических особенностей земной поверхности. В местах с развитой эрозионной сетью, врезанными речными долинами четко выражены линейно вытянутые вогнутые и выпуклые перегибы склонов с экстремальными значениями профильной кривизны, приуроченные к бровкам и тыловым швам террас, подошвам склонов. Отчетливо маркируются днища и склоны долин, террасовидные участки. Распределение kv, на наш взгляд, позволяет судить о степени развитости долин, а также о местной асимметрии склонов долин. Следует указать и на специфическое проявление гребней хребтов в распределении профильной кривизны с образованием линейно вытянутых положительных экстремумов kv. Наибольший интерес представляют статистические показатели выделенных районов, сравнение которых способно в обобщенном виде подчеркнуть их морфологические различия (табл. 5). Средние значения kv во всех районах отрицательные, что отражает некоторое преобладание вогнутых поверхностей в заданном разрешении ЦМР. Стандартные отклонения kv последовательно растут от района 1 (STD=0,04) к району 7 (STD=0,69), демонстрируя закономерное и заметное увеличение изменчивости профильной кривизны склонов от плоских низменных территорий вглубь горной страны к ее осевой части; об этом же свидетельствуют и величины квартилей. Коэффициент асимметрии в распределении профильной кривизны в каждом районе положительный, что говорит об устойчивости правосторонней асимметрии. Закономерным следует считать увеличение коэффициента асимметрии от района 1 (S=22,7) к району 7 (1,51), т.е. постепенное уменьшение частот, попадающих в интервалы с отрицательными значениями kv, и выраженности правой ветви распределения.

Таблица 5

Статистические показатели профильной кривизны kv*

Район Min Max Mean STD S E Q 1 Med Q 3
1 -1,80 1,97 0,0002 0,04 22,73 29,20 -0,03 -0,01 0,075
2 -5,61 5,29 -0,003 0,17 5,82 0,20 -0,05 -0,01 0,12
3 -7,86 7,40 -0,01 0,27 3,74 0,13 -0,14 -0,08 -0,02
4 -6,87 6,73 -0,02 0,37 2,89 0,46 -0,20 -0,04 0,170
5 -7,47 6,88 -0,03 0,46 2,36 0,35 -0,32 -0,04 0,242
6 -9,52 14,84 -0,02 0,58 1,80 0,06 -0,35 -0,06 0,32
7 -10,10 11,67 -0,01 0,69 1,51 0,09 -0,46 -0,03 0,40

*Min, Max, Mean – минимальное, максимальное и среднее значение; STD – стандартное отклонение; S и Е – коэффициенты асимметрии и эксцесса; Q 1, Q 3 и Med – 1-й и 3-й квартили, медиана.

Плановая кривизна. Плановая кривизна, отражающая вогнутость / выпуклость склона в плане, непосредственно регулирует латеральное перемещение вещества в ходе различных процессов (геоморфологических, гидрологических и пр.). Рисунок kh своеобразен для некоторых территорий горной страны и представлен относительно однородным (гомогенным) или упорядоченно-стратифицированным (агрегированным) распределением выпуклостей и вогнутостей. Условно однородная, гомогенная структура kh с хаотичными скоплениями пятен выпуклостей и вогнутостей свойственна сравнительно плоским участкам рассматриваемой территории. Отмечена сетчатая структура, примером которой служат низкогорные территории в западной оконечности Большого Кавказа с развитой случайно ориентированной эрозионной сетью. Разнообразие пространственного паттерна kh дополняют перистая структура, наглядно проявляющаяся на участке линейно вытянутого Терского хребта, а также структура с неравномерной плотностью, агрегированностью экстремальных значений kh. Последняя характерна для морфологически сложных горных поверхностей с чередованием хребтов и долин, подверженных комплексу эрозионно-денудационных процессов.

Расчеты плановой кривизны применяют для формальной дискретизации модели рельефа на вогнутые (отрицательные) и выпуклые (положительные) элементы. Структурная линия в точках перегиба с нулевой плановой кривизной разделяет на карте области дивергенции и конвергенции или отделяет выпуклые участки от вогнутых. Масштаб, следовательно, и рисунок изолированных выпуклостей и вогнутостей, заполняющих все пространство рельефа, определяется заданными размерами ячейки исходной ЦМР и скользящим окном расчета. Полученные композиции вогнутостей и выпуклостей, обнаруживая фрактальную природу рельефа, явным образом зависят от параметров генерализации (рис. 7). Древовидная структура выпуклых элементов рельефа наиболее отчетливо проявляется на предгорных равнинах при соответствующих параметрах расчета. Выпуклости здесь зачастую имеют лопастевидные в плане очертания. В горах рисунок выпуклостей напоминает сетевую структуру, имеющую составной вид: внутри себя она может содержать структуру другого типа (линейную, веерную, различные разновидности древовидной). У древовидных элементов преобладает не бинарное ветвление, а образование «веток» от основного «ствола», в качестве которого, как правило, выступает хребет более высокого порядка.

 Экспериментальное разделение Большого Кавказа на выпуклые и вогнутые участки-7

Рис. 6. Экспериментальное разделение Большого Кавказа на выпуклые и вогнутые участки с использованием нулевой плановой кривизны : вверху – размер ячейки 5 км, окно расчета 55; внизу – размер ячейки 5 км, окно расчета 99

Примечательным, что с увеличением стороны расчетного окна все более явными становятся поперечные элементы в строении Большого Кавказа (рис. 6). Они образуют субмеридиональные «потоки», вытянутые в сторону предгорных прогибов.

В разделе 4.5 рассмотрена фрактальная размерность поверхности. Фрактальная размерность D отражает масштабную инвариантность показателей рельефа, допуская морфометрический анализ объекта с разным масштабом и степенью генерализации. Данный параметр, по утверждению многих исследователей, в известной мере характеризует степень морфологической сложности топографической поверхности: форма объекта с высокой фрактальной размерностью априори более сложна. С установленным разрешением исходной ЦМР D варьирует от 2,00 (плоская элементарная поверхность) до 2,80 (близко к максимально возможной величине) (рис. 7). На карте фрактальной размерности отчетливо видны ключевые закономерности пространственных изменений D: на равнинных территориях диапазон фрактальной размерности невысок – повсеместно она близка к своему нижнему топологическому пределу 2, а на участках с морфологически сложным рельефом размах фрактальной размерности достигает максимума.

Рис. 7. Фрактальная размерность земной поверхности в районе Эльбруса

В разделе 4.6 и 4.7 раскрыты морфологические свойства рельефа через картографирование и статистические характеристики показателей горизонтальной и вертикальной расчлененности рельефа. В разделе 4.8 представлены результаты оценки и анализа шероховатости рельефа, рассчитанной с помощью пакета MicroDEM и инструмента DEM Surface Tools (J. Jenness). Этот показатель используется как мера сложности рельефа, а также в комплексе с другими морфометрическими показателями при расчете метеорологических полей.

Выводы

  1. За период активного исследования Большого Кавказа взгляды на орографию и районирование горной страны претерпели эволюцию и продолжают развиваться. До настоящего времени интерпретации процессов складкообразования и деформации земной коры базируются на разных моделях, а во взглядах на возникновение складчатых систем нет единства.
  2. Внешние границы горного сооружения Большого Кавказа не имеют явной морфологической и тектонической выраженности. Размытость границ между структурами внутренней части складчатой системы и предгорных прогибов вызвана наличием разномасштабных соподчиненных объектов складчатости с различающимися механизмами линейного складкообразования и вещественными объемами.
  3. Оценка точности глобальной цифровой модели рельефа ASTER GDEM на исследуемой территории путем сравнения с данными воздушного лазерного сканирования подтвердила свою релевантность задачам морфометрического анализа рельефа Большого Кавказа.
  4. При установлении границ складчатого сооружения Большого Кавказа применим аппарат нечеткой классификации (wombling), опирающийся в качестве операционного показателя, на высоту местности. Применение такой классификации привело к обнаружению двух границ (полос) морфологического перехода – внутренней и внешней. Внутренняя переходная полоса, отражающая периферийные морфологические преобразования осевой части Большого Кавказа, имеет замкнутый вид и схожие контуры при разных параметрах нечеткой классификации. Внешняя переходная полоса на севере отражает краевую зону Большого Кавказа.
  5. Дифференциация территории Большого Кавказа на морфометрических основаниях способствует выделению относительно изоморфных районов. В качестве интегрального критерия сложности и гомогенности рельефа выступает коэффициент эксцесса Е высоты местности. Распределению Е на исследуемой территории в плане свойственна концентрически-зональная структура с отчетливой дисимметрией – неравенством очертаний зон по длинной оси. Выделено 7 морфологически однородных районов, различающихся по статистическим оценкам морфометрических показателей.
  6. Морфологическая структура рельефа горной страны характеризуется структурными линиями (тальвегами, водоразделами, нулевыми значениями горизонтальной кривизны поверхности), образующими каркас рельефа.
  7. По данным модели эрозионной сети установлено, что суммарная длина тальвегов 1-10 порядков равна 1 357 тыс. км, причем на тальвеги 1-2 порядков приходится 80% общей длины. Распределение длин разнопорядковых тальвегов подчиняется обратному экспоненциальному закону.
  8. Орографическая схема Большого Кавказа построена с использованием автоматизированной идентификации основных морфологических единиц горно

    Pages:     | 1 | 2 ||
     





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.