CC BY
12
УДК 528.7:551.43:631.459 DOI: 10.34736/FNC.2021.112.1.005.34-39
Геоинформационный анализ рельефа водосбора реки Большая Голубая на территории Донской гряды
К.П. Синельникова, м.н.с., e-mail: [email protected] - Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук» (ФНЦ агроэкологии РАН), г. Волгоград
В настоящей статье представлены данные по геоморфологическому анализу тестового участка водосбора реки Большая Голубая, который выполнен с помощью геоинформационной системы. Исследуемая территория расположена сразу в трех районах Волгоградской области: Иловлинском, Калачевском и Клетском. Актуальность исследования состоит в том, что применение спутникового дистанционного зондирования и географической информационной системы (ГИС) при изучении ландшафта даёт возможность получить новые данные о состоянии агролесоландшафтов и планирование их использования для сельскохозяйственных работ. Геоинформационный анализ водосбора реки Большая Голубая дает возможность определить, как рельеф влияет на процесс деградации агролесоландшафтов. С помощью геоинформационной системы проводились измерения характеристик рельефа. По цифровой модели рельефа (ЦМР) были разработаны специальные карты геоморфологического анализа. В результате выявлено, что исследуемая территория умеренно расчленена, на ней преобладает южная экспозиция склонов (31%), высоты от 140 до 160 м занимают 32% от всей исследуемой территории. В ходе анализа было установлено, что территория водосбора реки Большая Голубая имеет 7% от всей площади углы наклонов склонов равные 5°. Для исследуемой территории в программном комплексе был построен профиль рельефа по тальвегу реки Большая Голубая.
Ключевые слова: Донская гряда, водораздел, эрозия почв, космоснимки, рельеф. Поступила в редакцию: 26.01.2021 Принята к печати: 19.03.2021
Эволюция геоинформационных методов анализа данных дистанционного зондирования Земли сверхвысокого разрешения 0,3 м и меньше (космические аппараты Ресурс-П, WorldView-3, WorldView-4) обеспечивает разработку геоинформационных картографических слоев для получения информации о геоморфологической ситуации объекта исследования [6]. Результаты спутникового дистанционного зондирования Земли дают возможность получить новые, актуальные данные территории, установить геоморфологические особенности, выявить тренд изменения её продуктивности, что позволит улучшить систему управления геосистемой [5,7,8].
Важный элемент ландшафта - это рельеф. Под влиянием природных и антропогенных факторов изменяются условия деятельности ландшафтов. Процессы деградации влияют на геоморфологические характеристики рельефа, потому что нарушения поверхностного слоя ухудшают негативное воздействие природных факторов, которые были вызваны ветровой и водной эрозией [4].
Цель работы состояла в овладение методикой проведения геоморфологического анализа с помощью геоинформационных технологий тестового участка водосбора реки Большая Голубая.
Задачами исследования являлись: разработка специальных карт для выбранного участка; проведение анализа сделанных карт.
Методы и методика. Геоинформационные исследования особенностей рельефа водосбора реки Большая Голубая проводился с использованием геоинформационных программ, в частности, QGIS с использованием методических разработок, пред-
ставленных в работах Б.В. Виноградова, А.С. Руле-ва, К.Н. Кулика, В.Г. Юферева [1,2,3].
Анализ проводился в среде ГИС по пространственной информации, полученной спутником Sentinel 2 и Landsat 8, с применением радарной модели местности (SRTM 3), дающей возможности определить геостатистические характеристики территории, выделить линии водоразделов и тальвеги с использованием инструмента QGIS «Анализ водосбора». Топографическая карта используется как дополнительный источник информации.
На основании космоснимков спутников Sentinel 2 и Landsat 8 разрабатывается обзорная космокар-та среднего масштаба в виде картографического слоя ГИС. Такая космокарта дает возможность выделить основные объекты для детального исследования.
В геоинформационной среде разрабатываются слои с описанием характеристик объектов исследования, где наносится граница исследуемого основного водосбора, карта притоков низших порядков. В результате уточняется пространственная локализация объекта исследования. С использованием инструментов ГИС по цифровой модели рельефа строится изолинейная карта высот. На основе полученных пространственных данных карты водосборов рассчитывается густота речной сети и расчлененность территории. Точность камерального дешифрирования космических снимков была рассчитана по методике Т.А. Широковой, А.Ю. Чермошенцева, А.Т. Бармитовой [9] и составляет половину размера пикселя - 5 м.
Результаты и обсуждение. Для геоморфологического анализа был выбран водосбор реки Боль-
шая Голубая, который является частью водосбора реки Дон. Исследовалась территория, расположенная между 48°45' и 49°15' с.ш. и 43°15' и 44°00 в.д. и протянувшаяся на 70.413 км. Общая площадь водосбора - 73207 га. На рисунке 1 представлена карта притоков водосбора реки Большая Голубая.
Для водосбора реки Большая Голубая была создана изолинейная модель распределения высотных отметок (рисунок 2), которая обеспечивает визуализацию диапазонов высот водосбора. Диапазоны высот приняты с шагом 20 м, что позволяет уточнить условия функционирования агроландшафтов. По диаграмме (рисунок 3) рас-
Установлено, что водосбор реки имеет два больших суходольных притока - это Балка Сухая и балка Сухая Голубая. Анализ распределения притоков показал, что расчлененность исследуемой территории 1,2 км/км2. Таким образом, территорию можно отнести к умеренно расчлененной.
пределения площади водосбора по высотам было выявлено, что наибольшую площадь водосбора занимают участки с высотой рельефа (32%) от 140 до 160 м. Площади с высотой от 100 до 140 м занимают 27%, и 25% занимают площади с высотой от 160 м до 180 м. Площади с высотой менее 100 м занимают 16%.
i t I I I Г
0 5.0 10.0 км
Рисунок 1 - Космокарта основных притоков водосбора реки Большая Голубая
Рис. 2 - Выделение высот на водосборе Рис. 3 - Распределение площади территории по
диапазонам высот
Исследование показало, что максимальная крутизна склона - 67,2°, средняя крутизна - 3,0°, стандартное отклонение крутизны - 3,4° (рисунок 4). В результате пространственного анализа распределения крутизны установлено, что почти 80% территории водосбора имеют углы наклона от 0,6° до 5° и занимают 58736,31 га. 13% от площади водосбора соответствуют диапазону углу склона от 0° до 0,6°. Поверхности с крутизной склонов от 5° и выше занимают 7% площади водосбора реки Большая Голубая. Дешифрирование космоснимка
исследуемой территории, почвенной и литологи-ческой карты показало наличие меловых пород на поверхности, что ограничивает использование земель для ведения сельского хозяйства. Пашни занимают незначительный процент территории - 3,8%. Данные анализа крутизны и высот показывают, что территория водосбора является расчлененной и ограничено пригодной для выращивания сельскохозяйственных культур. Неудобные и малопродуктивные земли можно использовать в качестве пастбищ.
Рис. 4 - Изолинейная карта крутизны склонов водосбора реки Большая Голубая
Построение профиля рельефа для исследования особенностей тальвега реки Большая Голубая (рисунок 5) позволило получить следующие результаты:
- координаты начала профиля - 48°56'21" с.ш.; 43°39'09" в.д.;
- высота в начале профиля - 31,061 м;
- координаты окончания профиля - 49°08'28" с.ш.; 43°20'12" в.д.;
- высота рельефа в конце профиля - 216,925 м;
- протяженность профиля - 114,2 км;
- изменение высот рельефа по профилю (от начала к концу) - 185,9 м;
- минимальная высота рельефа - 30,154 м;
- максимальная высота рельефа - 216,925 м;
- азимут 314°;
- общая крутизна 0,22°;
- максимальное значение крутизны 2,86°.
Рис. 5 - Профиль рельефа по тальвегу реки Большая Голубая
Для изучения особенностей рельефа водосбора пад. Линия профиля показана на рисунке 6. был построен профиль в направлении восток-за-
На рисунке 7 представлен профиль восток-запад: координаты начала профиля:
- 49°03'13" с. ш.; 43°50'51" в. д.;
- высота в начале профиля - 186,528 м;
- координаты в конце профиля: 49°03'39" с. ш.; 43°23'07" в. д.;
- высота рельефа в конце профиля - 218,885 м;
- протяженность профиля 51,463 км;
- изменение высоты рельефа по профилю (от начала к концу) - 32,4 м;
- минимальная высота рельефа - 66,454 м;
- максимальная высота рельефа - 218,885 м; азимут 271°30';
- общая крутизна 0,04°;
- максимальное значение крутизны 6,54°.
Рис. 6 - Линия профиля восток-запад водосбора реки Большая Голубая
Г гот Р05: 49° 03' 13.8628" 14, 43° 50' 51.4688м Е То Ро5: 49° 03' 39.1747" N. 43° 23' 07.6319" Е
Рис. 7 - Профиль рельефа восток-запад водосбора реки Большая Голубая
Анализ геоморфологической ситуации показал, что рассматриваемая территория в основном представлена участками со значениями крутизны 3,01°, стандартное отклонение крутизны 3,36°. Таким образом, подтверждается возможность проявлении водной эрозии. Площадь с крутизной склонов меньше 1° составляет 36%. При отсутствии
системы противоэрозионных защитных лесных насаждений повышают риски деградации земель. Таким образом, при проведении камеральных исследований выявлено, что водосбор реки Большая Голубая имеет рельеф, который затрудняет проведение работ по выращиванию сельскохозяйственных культур. При изучении распределения
экспозиции склонов [10, 11, 12] исследуемой территории (рисунок 8) было установлено, что 31% от всей территории занимают склоны южной экспозиции и 27% - склоны восточной экспозиции.
Выводы. Опираясь на результаты исследования рельефа водосбора реки Большая Голубая, можно утверждать, что большая часть площади имеет высоты в диапазоне от 140 до 160 м.
Значительная часть склонов (58736 га) имеет угол наклона от 0,6° до 5°, максимальная крутизна склона 67,2°, средняя крутизна 3,0°, стандартное отклонение крутизны 3,4°.
На тестовой территории водосбора реки Большая Голубая экспозиции восточного и южного склонов имеют соотношение 27% и 31% соответственно. Расчлененность территории составляет 1,2 км/км2.
Таким образом, использование геоиформа-ционных технологий для обработки и анализа пространственных данных дает возможность получить сведения о рельефе территории, необходимые для осуществления сельскохозяйственной деятельности.
Литература:
1. Виноградов Б.В. Аэрокосмический мониторинг экосистем / Б.В. Виноградов. М.: Наука, 1984. - 320 с.
2. Геоинформационные технологии в агролесомелиорации / В.Г. Юферев, К.Н. Кулик, А.С. Рулев, К.Б. Мушаева, А.В. Кошелев, З.П. Дорохина, О.Ю. Березовикова. - Волгоград. ВНИАЛМИ, 2010. - 102 с.
3. Кулик К.Н., Рулев А.С., Юферев В.Г. Дистанционно-картографическая оценка де-градационных процессов в агроландшафтах юга России // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. Наука и высшее профессиональное образование. - 2009. - № 4. - С. 12-25.
4. Лукашов А. А. Рельеф // Большая российская энциклопедия. Том 28. Москва, 2015. - С. 375-377.
5. Павлова А.Н. Геоинформационное моделирование
Склоны западной экспозиций занимают 24%. В связи с этим 57% наиболее подвержены водной эрозии, и они наиболее расчленены.
речного бассейна по данным спутниковой съемки SRTM (на примере бассейна р. Терешки)/Известия Саратовского университета. 2009. - Т. 9. Сер. Науки о Земле, вып. 1.
6. Рулев А.С., Юферев В.Г., Юферев М.В. Компьютерное моделирование агролесоландшафтов в геоинформационной среде // Математическое моделирование в экологии: матер. Второй Национальной конф. с международным участием, 23-27 мая 2011 г. Пущино: ИФХиБПП, РАН, 2011. - С. 228-230.
7. Рулев А.С., Юферев В.Г. Геоинформационный анализ рельефа южной части Ергенинской возвышенности/А. С. Рулев, В. Г. Юферев // Известия Нижневолжского аг-роуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2017. - № 1 (45). - С. 41-47.
8. Тесленок К.С., Муштайкин А.П., Тесленок С.А. Изучение особенностей сельскохозяйственных угодий с использованием цифровых моделей рельефа // Интер-Карто. Интер-ГИС. - 2020. - Т. 26. - № 3. - С. 221-228.
9. Широкова Т.А., Чермошенцев А.Ю., Бармитова А.Т. Исследование точности визи-рования на точки космических снимков высокого и среднего разрешения / Т.А. Широкова, А.Ю. Чермошенцев, А.Т. Бармитова // Вестник Сибирской государственной геодезической академии. -2010. - № 2 (13). - С. 31-36.
10. Daniel Asfaw, Getachew Workinehab. Quantitative analysis of morphometry on Ribb and Gumara watersheds: Implications for soil and water conservation // International Soil and Water Conservation Research. Volume 7, Issue 2, June 2019, Pages 150-157.
11. Mladen Plantak, Ivan Canjevac, Iva Vidakovic. Morphological State of Rivers in the Ilova River Catchment // Hrvatski Geografski Glasnik 78/1, 5-24. (2016.)
12. Sarita Gajbhiye. Morphometric Analysis of a Shakkar River Catchment Using RS and GIS // International Journal of u- and e- Service, Science and Technology Vol.8, No.2 (2015), pp.11-24.
0 5 10 15
Рис. 8 - Изолинейная карта экспозиции склонов водосбора реки Большая Голубая
Geoinformation analysis of the Bolshaya Golubaya river catchment area relief on the territory of the Don ridge
K.P. Sinelnikova, junior researcher, e-mail: [email protected] - Federal State Budget Scientific Institution «Federal Scientific Centre of Agroecology, Complex Melioration and Protective Afforestation of the Russian Academy of Sciences» (FSC of Agroecology RAS), Volgograd, Russia
This article presents data on the geomorphological analysis of the Bol'shaya Golubaya river catchment area test site, which was performed using the geoinformational system. The study site is located in three districts of the Volgograd region: Ilovlinsky, Kalachevsky and Kletsky. The relevance of the study is that the satellite remote sensing and geographic information system (GIS) use in the landscape studying makes it possible to obtain new data on the agroforestscapes status and plan their use for agricultural work. Geoinformation analysis of the Bol'shaya Golubaya river catchment area makes it possible to identify how the relief affects the agroforestry landscapes process degradation. The relief characteristics were measured using the geoinformation system. Special maps of geomorphological analysis were developed based on the digital relief model (DRM). As a result, it was revealed that the study area is moderately divided, it is dominated by the southern exposure of the slopes (31%), heights from 140 to 160 m occupy 32% of the entire study area. During the analysis, it was found that the catchment area of the Bol'shaya Golubaya river has 7% of the total area with slope angles equal to 5°. The relief profile along the talweg of the Bol'shaya Golubaya river was layed for the studied territory in the software package.
Keywords: Don ridge, watershed, soil erosion, satellite images, relief
Translation of Russian References:
1. Vinogradov B.V. Aerokosmicheskij monitoring eko-sistem [Aerospace ecosystem monitoring] / B. V. Vinogradov. M.: Nauka, 1984. - 320 p.
2. Geoinformacionnye tekhnologii v agrolesomelioracii [Geoinformation technologies in agroforestry] /V.G. Yuferev, K.N. Kulik, A.S. Rulev, K.B. Mushaeva, A.V. Koshelev, Z.P. Doro-hina, O.Yu. Berezovikova. - Volgograd. VNIALMI, 2010. - 102 p.
3. Kulik K.N., Rulev A.S., Yuferev V.G. Distancionno-kartograficheskaya ocenka degradacionnyh processov
v agrolandshaftah yuga Rossii [Remote-cartographic assessment of degradation processes in agricultural landscapes of the South of Russia] // Izvestiya Nizhne-volzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa. Nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. - 2009. - № 4. - P. 12-25.
4. Lukashov A. A. Rel'ef // Bol'shaya rossijskaya enciklopediya [The Great Russian Encyclopedia]. Volume 28. Moskva, 2015. - P. 375-377.
5. Pavlova A.N. Geoinformacionnoe modelirovanie rech-nogo bassejna po dannym sputnikovoj s"emki SRTM (na primere bassejna r. Tereshki) [Geoinformation modeling of the river basin according to the SRTM satellite survey (on the example of the Tereshka River basin)] / Izvestiya Saratovskogo universiteta. 2009. - Vol. 9. Ser. Earth Sciences, vol. 1.
6. Rulev A.S., Yuferev V.G., Yuferev M.V. Komp'yuternoe modelirovanie agrolesoland-shaftov v geoinformacionnoj sred [Computer modeling of agroforestry landscapes in the geoinformation environment] // Mathematical modeling in ecology: mater. Second National Conference with International Participation, May 23-27, 2011 Pushchino: IFKHiBPP, RAS, 2011. - P. 228-230.
7. Rulev A.S., Yuferev V.G. Geoinformacionnyj analiz rel'efa yuzhnoj chasti Ergeninskoj vozvyshennosti [Geoinformation analysis of the southern part of the Ergeninsky uplan drelief] // Proceedings of the Nizhnevolzhsky agrouniversitetskiy complex: science and higher professional education. - 2017.
- № 1 (45). - P. 41-47.
8. Teslenok K.S., Mushtajkin A.P., Teslenok S.A. Izuchenie osobennostej sel'skohozyajstvennyh ugodij s ispol'zovaniem cifrovyh modelej rel'efa [Study of agricultural land features using digital terrain models] // InterKarto. InterGIS. - 2020.
- T. 26. - № 3. - P. 221-228.
9. Shirokova T.A., Chermoshencev A.Yu., Barmitova A.T. Issledovanie tochnosti vizirovaniya na tochki kosmicheskih snimkov vysokogo i srednego razresheniya [Investigation of the accuracy of high-and medium-resolution satellite images on the points of sight] // Bulletin of the Siberian State Geodetic Academy. - 2010. - № 2 (13). - P. 31-36.
Цитирование. Синельникова К.П. Геоинформационный анализ рельефа водосбора реки Большая Голубая на территории Донской гряды // Научно-агрономический журнал. - 2021. - №1(112). - С. 34-39. DOI: 10.34736/FNC.2021.112.1.005.34-39 Авторский вклад. Автор настоящего исследования принимал непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования. Автор настоящей статьи ознакомился и одобрил представленный окончательный вариант.
Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Citation. Sinelnikova K.P. Geoinformation analysis of the Bolshaya Golubaya river catchment area relief on the territory of the Don ridge// Scientific Agronomy Journal, 2021. 1(112). С.34-39. DOI: 10.34736/FNC.2021.112.1.005.34-39 Author's contribution. Author of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. Author of this paper have read and approved the final version submitted. Conflict of interest. The author declare no conflict of interest.
