Ступин Владимир Павлович. Картографическое моделирование и анализ морфосистем (на примере Байкальской горной страны и Прибайкалья)

Краткое описание

Ступин Владимир Павлович. Картографическое моделирование и анализ морфосистем (на примере Байкальской горной страны и Прибайкалья): диссертация ... доктора технических наук: 25.00.33 / Ступин Владимир Павлович;[Место защиты: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная геодезическая академия"].- Новосибирск, 2014.- 262 с.

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ФГБОУ ВПО «ИрГТУ»)
На правах рукописи
Ступин Владимир Павлович
КАРТОГРАФИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ
МОРФОСИСТЕМ
(НА ПРИМЕРЕ БАЙКАЛЬСКОЙ ГОРНОЙ СТРАНЫ И ПРИБАЙКАЛЬЯ)
25.00.33 - «Картография»
Диссертация
на соискание ученой степени
доктора технических наук
Научный консультант -
доктор технических наук, профессор
Пластинин Леонид Александрович
Новосибирск 2014
ОГЛАВЛЕНИЕ
СПИСОК ТЕРМИНОВ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
1 СИСТЕМНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ КАК 12 ОБЪЕКТА КАРТОГРАФИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
1.1 Системный подход в картографии -
1.2 Системное представление рельефа. Морфосистемы 18
1.3 Картографическое моделирование морфосистем 29
2 МЕТОДОЛОГИЯ КАРТОГРАФИРОВАНИЯ МОРФОСИСТЕМ 44
2.1 Принципы выявления морфосистем и их элементов -
2.2 Методология идентификации морфосистем 46
2.3 Таксономический ряд морфосистем - основа картографического мо- 77 делирования рельефа
3 МЕТОДИКА КАРТОГРАФИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 88
МОРФОСИСТЕМ
3.1 Методические принципы картографирования морфосистем -
3.2 Морфоаналитическое картографирование рельефа 93
3.3 Методика выявления морфосистем 98
3.4 Картографирование морфосистем на разных уровнях иерархии Ю4
3.5 Морфодинамический анализ морфосистемных карт 118
4 КАРТОГРАФИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МОРФОСИСТЕМ 120
БАЙКАЛЬСКОЙ ГОРНОЙ СТРАНЫ
4.1 Картографирование морфосистем морфоструктурного звена -
4.2 Картографирование бассейновых морфосистем 128
4.3 Картографирование склоновых морфосистем 141
4.4 Картографирование региональных особенностей морфосистем 146
5 ПРИМЕНЕНИЕ КАРТОГРАФИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ 171
МОРФОСИСТЕМ ДЛЯ МОРФОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПРИРОДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ
з
5.1 Карты элементов ЭАС и их интерпретация -
5.2 Применение карт морфосистем при организации и интерпретации ста- 179 ционарных наблюдений за ЭГП
5.3 Картографирование ЭГП на основе карт морфосистем 185
6 КАРТОГРАФИЧЕСКОЕ МО ДЕЛЕРОВ АНИЕ И АНАЛИЗ 192
ТЕХНОГЕННЫХ МОРФОСИСТЕМ
6.1 Картографирование и анализ динамики береговых морфосистем водо- - хранилищ
6.2 Принципы картографирования и морфодинамического анализа горно- 202 промышленных морфосистем
6.3 Оценочное экологическое картографирование морфосистем 212
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 218
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 221
СПИСОК ТЕРМИНОВ
В настоящей диссертации применены следующие термины с соответст-вующими определениями:
Геосистема (географическая система) - совокупность компонентов гео-графической оболочки, объединённых потоками вещества и энергии.
Морфосистема - динамичная открытая частная геосистема на основе рельефа, объединенная лито динамическими потоками, контролируемыми мор¬фологическими и топологическими особенностями земной поверхности в усло¬виях определенной литологической, тектонической и ландшафтно-климатической обстановки.
Инвариант - определяющее свойство системы, остающееся неизменным при тех или иных преобразованиях указанной системы.
Эмерджентность - особое отличительное свойство системы, не присущее её над системам и подсистемам.
ВВЕДЕНИЕ
Освоение и развитие обширных и труднодоступных регионов страны вхо-дит в число приоритетных задач государственной экономической политики России и предъявляет все более высокие требования к возможностям картогра-фических моделей рельефа. С рельефом напрямую связаны природные экзоген-ные геологические процессы (ЭГП) и их техногенные аналоги, в том числе ка-тастрофические. Пространственная организация земной поверхности определя-ет стратегию и эффективность решения многих управленческих, проектировоч-ных, изыскательских, строительных и эксплуатационных задач в самых разных отраслях: нефтегазовой, энергетической, горнодобывающей, сельскохозяйст-венной, лесохозяйственной и т.д.
В то же время, современные топографические карты и тематические карты рельефа слабо отражают пространственную иерархию и морфодинамическую структуру земной поверхности. Налицо противоречие, обусловленное тем, что существующая система картографирования рельефа или ориентирована на его представление как одного из компонентов ситуации, или отражает частные характеристики земной поверхности, не рассматривая ее в качестве особого объекта тематического картографирования. Данное противоречие порождает проблему, затрудняющую адекватное изучение организации рельефа, ЭГП и оценку геоморфологических рисков при изменении динамических обстановок.
Состояние разработанности проблемы. Качественно новое решение ука-занной проблемы видится в концепции картографировании рельефа на основе его понимания как иерархии геоморфологических систем (морфосистем). Пара-дигма системной организации рельефа появилась еще в 60-80 годах прошлого века [43, 256, 296]. Были разработаны методы дискретизации земной поверхно¬сти [185] и математического моделирования выделенных элементов [400], а также предложены прототипы морфосистемных карт [260, 295, 353]. В наши дни системный метод исследований стал одним из основных инструментов в геоморфологии [300]. Его приверженцы рассматривают рельеф как результат перераспределения вещества земной коры в пределах особого рода морфоди-намических систем - морфосистем, под которыми (порой под другими назва-ниями) понимаются динамичные открытые геосистемы на основе рельефа, реализующиеся в сфере морфогенеза [43, 256, 289, 296, 394, 429 и др.].
Исследование морфосистем требует точной и полной информации об их морфологии и структуре, и поставщиком такой информации должна быть карта. При этом исходные картографические данные о рельефе должны содержать не интерпретированную, а первичную информацию о земной поверхности [185, 277] и отражать ее метричностъ, пластичность и морфологическое соответ-ствие. Метричность обеспечивает возможность получения по карте различных количественных показателей. Пластичность позволяет передавать рельеф на-глядно и выпукло. Морфологическое соответствие предполагает адекватное представление рельефа. Однако, в силу ряда причин, получение по сущест-вующим картам рельефа информации об иерархии и морфодинамической структуре земной поверхности сталкивается с существенными трудностями.
Гипсометрические и батиметрические карты и и цифрловые модели релье-фа (ЦМР) содержат, по сути, только информацию о поле высот и требуют зна-чительной дальнейшей обработки для структурирования и выявления иерархии рельефа.
Геоморфологические карты традиционно отображают рельеф земной по-верхности по морфологическим признакам, генезису и возрасту, в значительной степени носят умозрительный, экспертный характер, во многом служат для ре-шения чисто геологических задач и также слабо отражают пространственную организацию, структуру и морфодинамику рельефа земной поверхности.
Морфометрические и морфографические карты вторичны, содержат ин-терпретированные характеристики рельефа и не отражают системную иерархи-ческую и динамическую организацию земной поверхности.
Топографические карты традиционно ориентированы на континуальное представление земной поверхности в виде непрерывного поля высот. Основ¬ным способом изображения рельефа являются горизонтали. Этот способ, при всех своих достоинствах, не идеален по части адекватности изображения рель¬ефа своему оригиналу. Его слабыми местами является:
- противоречие между масштабом и детальностью карт;
- сложность отображения изолиниями естественной делимости рельефа;
- вторичность карт, испытавших в ходе своего создания разного рода пре¬образования исходных данных о рельефе;
- субъективность картографической генерализации;
- утрирование и сглаживание мелких, но важных деталей рельефа в про-цессе генерализации и интерполяции;
- разграфка листов карт по искусственным линиям километровой или гео-графической сетки, разрезающим естественные формы рельефа;
- нестрогий, рекомендательный характер указаний руководств и наставле¬ний по учету специфики отображения различных типов рельефа.
Применение дополнительно к горизонталям других изобразительных средств картографирования рельефа (условные знаки, подписи) кардинально не решает перечисленных проблем.
Помимо континуальной концепции топографических карт существует также дискретная концепция, предполагающая естественную делимость земной поверхности на морфологические элементы [185, 186]. Такой подход характе-рен для морфодинамического направления, которое развивается в последние десятилетия. Морфодинамическая концепция предполагает делимость земной поверхности естественными структурными линиями и постулирует, что мор-фология рельефа обладает следующими свойствами:
- отражает создавшие и преобразовавшие рельеф процессы;
- определяет литодинамические потоки, в настоящем;
- является предпосылкой развития рельефа в обозримом будущем.
Исходя из указанных положений, с которыми трудно не согласится, мор-фодинамическая концепция ориентирует исследователя на движение от формы к содержанию, т.е. от морфологии рельефа к его динамике в прошлом, настоя¬щем и будущем. Другими словами, она направлена, прежде всего, на выявление корреляции между морфологией земной поверхности и вещественно-энергетическими характеристиками морфогенеза. Именно поэтому указанная концепция уделяет много внимания изучению «чистой» морфологии рельефа и способам ее аналитического картографирования на основе элементаризации. Основными картографическими средствами такого отображения делимости земной поверхности являются структурные линии и линии тока, которые обра-зуют ограниченные группы и поддаются математической формализации.
Дискретное представление рельефа в интересах различных связанных с ним наук является шагом вперед, по сравнению с континуальным подходом. Однако, при всех достоинствах и перспективности морфодинамического на-правления, следует понимать границы применения данного подхода.
Дискретный способ уступает континуальному как по пластике, так и по метричности изображения и плохо отображает иерархию рельефа.
Не решен вопрос о том, что же вообще считать элементарными структур-ными линиями, поверхностями и формами рельефа. Ведь в реальном рельефе практически нет ни идеально прямых или формализуемо-изогнутых линий, ни плоских или описываемых строгими функциями криволинейных поверхностей. Любая линия или поверхность в природе осложнена неровностями низших по-рядков, и всякое ее математическое описание является лишь в той или иной степени удачным обобщением и упрощением реальной линии или поверхности. Это хорошо видно при разномасштабном картографировании, которое требует все более радикальной генерализации рельефа по мере уменьшения масштаба карты, что касается и «элементарных» поверхностей. Но сама генерализация пока с трудом поддается формализации и представляет во многом экспертный, творческий процесс. Для каждого масштаба карты можно лишь условно вы-явить собственную систему генерализованных элементарных структурных еди-ниц рельефа. Даже на картах одного масштаба дефиниция элементов неодно-значна и требует индивидуального подхода при отборе и обобщении элементов и форм рельефа. Таким образом, необходимо определить критерии его генера-лизации на разных масштабных уровнях.
Налицо и другая проблема: на какой методологической основе, по какому принципу и в каких границах группировать выявленные морфологические кон-струкции для их дальнейшей интерпретации. Ведь содержание (литодинамика) рельефа отнюдь не следует из его формы (морфологии) напрямую. Для раскры¬тия связи между формой и содержанием морфогенеза необходимо изучить и понять физическую сущность, механизм и структуру ЭГП, для чего недоста¬точно просто выполнить дискретизацию и элементаризацию рельефа.
Аналитические карты рельефа следует рассматривать лишь как основу для дальнейших исследований земной поверхности. Следующим этапом является создание по ним карт систем рельефа, связанных литодинамическими потоками в процессе морфогенеза (морфосистем), которые, в свою очередь, представляют собой основу для последующего морфодинамического анализа территорий.
Существует не так уж много работ по методологии и методике дефиниции, ранжирования и картографирования морфосистем. Научно-практические осно-вы картографирования морфосистем и их динамической интерпретации разра-ботаны недостаточно. Это касается принципов и методов дефиниции и класси-фикации морфосистем, методики их картографирования, содержания и мас-штабов морфосистемных карт и их генерализации, морфодинамического анали¬за и прогноза развития рельефа по картографическим моделям морфосистем.
Вышеизложенная проблема и является причиной написания настоящей ра-боты, в которой разрабатываются концепция и методы картографического мо-делирования морфосистем на основе их классификации. Особое внимание уде-лено принципам выявления, ранжирования и динамической интерпретации морфосистем. Наконец, в диссертации рассматриваются методы морфодинами-ческого анализа природных и техногенных морфосистем. Научно-методические основы исследования отработаны на примере морфосистем Байкальской горной страны и зоны влияния каскада Ангарских водохранилищ.
Цель и задачи исследования. Цель исследования: теоретически обосновать, разработать и практически применить систему методов картографического мо-делирования морфосистем. Задачи исследования:
- разработать концепцию картографического моделирования морфоси-стем на основе их классификации, отражающей иерархию и динамику рельефа;
-обосновать содержание морфосистемных карт и разработать систему методов картографирования морфосистем;
- разработать принципы и методы морфодинамического анализа рельефа по картографическим моделям морфосистем;
- практически реализовать разработанные принципы и методы при карто¬графировании морфосистем региона исследований;
-апробировать разработанные методы морфодинамического анализа рельефа на картографических моделях динамичных морфосистем региона.
Объект исследования. Системное картографическое моделирование рель-ефа, как особый вид тематического картографирования.
Предмет исследования. Теория картографирования морфосистем, методы составления морфосистемных карт, прикладное использование картографиче-ских моделей морфосистем для динамического анализа рельефа.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретико-методологическую основу работы составили труды Агафонова Б. П., Берлянта А. М., Верещаки Т. В., Выркина В. Б., Герасимова И. П., ДемекаЯ., Заруцкой И. П., Карпика А. П., Книжникова 10. Ф., Корытного Л. М., Кравцо-вой В. И., ЛапердинаВ. К., Ласточкина А. Н, Лисицкого Д. В., Овчиннико¬ва Г. И., Пластинина Л. А., Позднякова А. В., Салищева К. А., Симонова ТО. Г., Смирнова Л. Е., Сочавы В. Б., Степанова И. Н., Тржцинского Ю. П., Уфимцева Г. Ф., Философова В. П., Флоренсова Н.А., Флоринского И.В, Червякова В. А.
Эмпирической основой исследований стали результаты анализа топогра-фических и тематических карт, а также данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса, материалы полевых исследований 1976-2013 гг, архив¬ные сведения территориальных геологических управлений и гидрометеороло¬гических служб региона, справочная и научная литература.
Научная новизна результатов исследования. Разработаны научно-методические основы картографического моделирования земной поверхности,
и
как всеобъемлющей иерархии морфосистем, обусловленной нахождением зем-ной поверхности в поле силы тяжести Земли. Представлен новый вид карт - карты морфосистем, которые, по сравнению с существующими ныне способами отображения рельефа, раскрывают системную организацию и динамическую структуру земной поверхности. Это позволяет обоснованно организовать изу-чение экзогенных геологических процессов, оперативно оценить геоморфоло-гические риски, осуществить анализ и прогноз литодинамических обстановок природных и техногенных территорий.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанные мето¬ды существенно расширяют и дополняют возможности картографирования рельефа. Они могут быть использованы в научных и образовательных целях в области картографии и других наук о Земле, изысканиях и проектировании, ох¬ране природных ресурсов, экологических экспертизах и мониторинге, приро¬допользовании, картографической экстраполяции на другие регионы.
Методология и методы исследований. Для решения поставленных задач использовалась методология системного подхода, методы тематической кар-тографии, теория геосистем, методы геоморфологических исследований.
Положения, выносимые на защиту. Теория, методы создания и результаты апробации нового вида картографического моделирования рельефа:
- принцип картографирования рельефа на основе концепции естественной организации земной поверхности в морфосистемы вследствие ее инвариантного положения в поле силы тяжести Земли;
- система методов картографического моделирования морфосистем на ос-нове их выявления и классификации по эмерджентным свойствам, обусловлен-ным фрактальностыо и дискретностью рельефа;
- метод морфодинамического анализа морфосистемных карт;
-результаты картографического моделирования морфосистем и примене-ния морфосистемных карт для изучения и прогноза динамики рельефа.

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Методология морфосистемного картографирования основывается на сис¬темном подходе к сущности морфогенеза и понимании динамической структу¬ры рельефа как следствия наложения земной поверхности и гравитационного поля Земли. Указанная суперпозиция является повсеместной и обязательной на всей поверхности Земли. Она служит обязательным условием возникновения и существования морфосистем - парциальных географических систем, объектив¬ных данностей на основе форм рельефа любой размерности, реализующихся в сфере морфогенеза.
Выявление и внутреннее ранжирование морфосистем основано на естест¬венной делимости (дискретности) рельефа. Эта дискретность проявляется в су¬ществовании разномасштабных уровней организации рельефа и в известном самоподобии этих уровней. Каждый из уровней обладает специфичными пара¬метрами, которые выступают в качестве эмерджентных свойств морфосистем данного уровня и отражают особенности указанной выше суперпозиции релье¬фа и поля силы тяжести в их пределах. Индикационными признаками для вы¬явления и ранжирования морфосистем разных уровней являются структура систем литодинамических потоков, положение по отношению к местным бази¬сам денудации и форма полей потенциальной денудации.
Иерархия морфосистем является основой для их комплексного картогра¬фирования с учетом естественной организации рельефа, полноты содержания и оптимального масштабного ряда морфосистемных карт.
Картографирование моделирование морфосистем предоставляет новые возможности для динамического анализа рельефа, так как рассматривает его под нетрадиционным углом зрения, направленным на его морфодинамическую сущность [348, 349]. Концепция морфосистемного картографирования способ¬ствует адекватной постановке и решению многих практических задач по выра¬ботке эффективной стратегии изучения, обоснованного освоения и рациональ¬ной эксплуатации рельефа земной поверхности [92, 145]. В частности, ком¬плексное морфосистемное картографирование и морфосистемный анализ по¬зволяют:
- выявить естественную делимость земной поверхности;
-создать системную ранжированную геоинформационную основу изуче-ния рельефа и морфогенеза;
- организовать камеральные, полустационарные и стационарные исследо¬вания рельефа и геоморфологических процессов;
- служить основой для получения качественных и количественных данных по структуре и балансу литодинамики различных территорий;
- осуществить интерпретацию, интер- и экстраполяцию полученных ре-зультатов;
-выполнить научные обобщения ретроспективного, оперативного и про-гнозного характера;
- оценивать геоморфологические риски, состояние геоморфологической среды, механизмы и повторяемость опасных природных и техногенных гео-морфологических процессов и явлений;
- построить рациональную систему геоморфологического мониторинга и управления территориями, определить способы природопользования и меры защиты от опасных геодинамических процессов.
Основные результаты, полученные в диссертации:
а) разработана методология картографического моделирования рельефа как иерархии динамичных морфосистем, классификация которых основана на природной фрактальности земной поверхности и ее инвариантном положении в поле силы тяжести Земли. Карты морфосистем являются новым видом темати¬ческих карт и полнее других существующих способов отражают иерархию и морфодинамику рельефа земной поверхности;
б) обосновано назначение и содержание морфосистемных карт, разрабо¬тана система методов и технологическая схема их составления. Показано, что комплексное картографирование морфосистем обеспечивает более естествен¬ную, по сравнению с классическими способами, генерализацию рельефа по ти- пам литодинамических обстановок и определяет оптимальный масштабный ряд картографических моделей морфосистем;
в) разработаны принципы и методы динамического анализа морфосистем. Показано, что их картографические модели позволяют оперативно и обоснова¬но организовать изучение динамики рельефа, освоение и эксплуатацию обшир¬ных и труднодоступных регионов. Таким образом, карты морфосистем являют¬ся качественно новым эффективным инструментом морфодинамического ана¬лиза природных и техногенных территорий;
г) впервые выполнено комплексное картографирование и составлена се¬рия карт морфосистем Байкальской горной страны на всех уровнях их иерархии. Разработанные принципы и методы морфосистемного картографирования были реализованы практически в рамках научно-исследовательских и хоздоговорных работ, показали свою высокую эффективность и могут быть предложены для картографирования морфосистем других регионов;
д) впервые получены качественные и количественные данные динамиче¬ского анализа рельефа с использованием картографических моделей морфоси¬стем. Апробированы следующие методы морфодинамического анализа:
- метод применения морфосистемных карт в изучении экзогенных гео¬логических процессов (на примере Байкальской горной страны);
- метод оперативного картографирования и морфодинамического ана¬лиза береговой зоны водохранилищ, ретроспективных и прогнозных оценок скоростей размыва берегов (на примере каскада Ангарских водохранилищ);
-метод картографирования горнопромышленных морфосистем (на примере промышленного Приангарья);
метод картографирования экологического состояния морфосистем (на примере острова Ольхон).