CC BY
31
УДК 528.94 В.П.Ступин ИрГТУ, Иркутск
К ВОПРОСУ О ВОЗМОЖНОСТЯХ И ПРОБЛЕМАХ ПРИМЕНЕНИЯ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ КАРТОГРАФИРОВАНИИ МОРФОСИСТЕМ
По своей сути ГИС предназначены для картографирования, изучения и мониторинга различных природных и антропогенных систем Земли (геосистем) компьютерными средствами и методами. Геоинформатика возникла и развивается на стыке, с одной стороны, информатики и математики, а с другой - географии, геодезии, картографии и дистанционного зондирования [1]. Недопонимание этого факта зачастую обедняет возможности обеих указанных сторон геоинформатики и создает необязательные и досадные проблемы на пути исследования природных систем.
Это в полной мере относится и к мофросистемам - частным (парциальным) географическим системам, реализующимся в сфере формирования рельефа (морфогенеза). Под морфосистемами понимаются природные и/или искусственные элементы, формы или комплексы форм рельефа, созданные определенной системой эндогенных и экзогенных геологических процессов в условиях определенной структурной и ландшафтно-климатической обстановки [2]. Каждая морфосистема представляют собой действующую в настоящий момент открытую динамичную систему, в которой компоненты рельефообразования (как факторы, так и агенты) находятся в системной связи друг с другом и окружающей средой, и которая продолжает развиваться. Другими словами, морфосистема - это закономерные сочетания рельефа и протекающих в его пределах процессов трансформации вещества и энергии в конкретных литологических, тектонических, климатических и прочих условиях.
Размерность, динамичность и энергетика морфосистем решающим образом зависит от конфигурации и напряженности их полей потенциальной денудации. Характер последних, в свою очередь, определяется горизонтальным и вертикальным расчленением рельефа, формой цокольных и вершинных поверхностей, положением общего и местных базисов денудации и рядом других факторов. Выделение таксонов морфосистем разного ранга выполняется на основе линеаментного, морфоструктурного, бассейнового и ряда других видов анализа земной поверхности. Проведенное ранжирование затем является основой для разработки легенд и картографирования морфосистем [3].
Очевидно, что выявление, ранжирование и изучение морфосистем невозможно без использования картографического метода исследования. Также понятно, что в наши дни применение ГИС-технологий предоставляет для этого наилучшие возможности. Даже самые элементарные базовые функции распространенных ГИС значительно облегчают и ускоряют
разработку и создание всего комплекса карт морфосистем - от промежуточных и рабочих покомпонентных до интегрированных. Они также позволяют представлять окончательные варианты карт в цифровом, электронном и традиционном бумажном виде с высоким изобразительным качеством. Еще более важная особенность средств ГИС-технологий -большие возможности для компьютерного моделирования и прогноза динамики морфосистем. ГИС-технологии позволяют оперативно обновлять карты морфосистем, т.е., по сути, вести дежурную цифровую карту, отслеживающую временные сукцессии и пространственные ряды литодинамических потоков, что является важнейшей задачей их мониторинга.
Неоценима роль ГИС-технологий в проведении качественного и количественного компьютерного анализа морфосистем. К числу наиболее важных возможностей этого направления исследований относятся: измерительные (морфометрические) действия над различными элементами морфосистем, выполнение интерполяционных операций, построение буферных зон неявных границ, математический анализ всевозможных поверхностей, относящихся к морфосистемам (базисных, цокольных, поверхностей полей потенциальной денудации и др.), статистический анализ пространственной структуры морфосистем (средних величин, разнообразия, подобия и пр.). Поскольку в основе морфосистем лежит рельеф, особенно важны такие возможности ГИС-технологий как построение цифровой модели высот по регулярным и нерегулярным сеткам и выполнение на ее основе морфологического анализа, построения всевозможных изолинейных моделей (относительно местных базисов денудации и др.), разрезов, блок-диаграмм и т.п.
Большие удобства предоставляет и такая опция ГИС, как практически неограниченные возможности создания, хранения, оперативного обращения и обновления больших объемов атрибутивной информации о морфосистемах.
В то же время применение ГИС-технологий при исследовании и картографировании морфосистем сталкивается с рядом проблем, особенно в части отображения рельефа. Часть этих проблем является унаследованной из традиционной картографии, а часть специфична для компьютерных технологий. Эти проблемы связаны, прежде всего, с корректным изображением так называемых малых форм - тонких нюансов земной поверхности, являющихся одним из основных индикаторов типа, состояния и современной динамики морфосистем.
В ГИС-технологиях практикуется создание цифровых карт рельефа по цифровым моделям рельефа (ЦМР) - совокупностям (массивам, файлам) высотных отметок, набранных в узлах некоторой сети планово координированных точек и закодированных в определенной форме. Казалось бы, возможность набора практически неограниченного количества пикетов гарантирует корректное изображение рельефа. Однако практика показывает, что это не совсем так, а зачастую и совсем не так.
Известно, что даже равнинная местность имеет свой специфический генезис и направленность современных процессов. Плоские поверхности полигональной тундры, такыра или поймы отображаются средствами машинной графики совершенно одинаково, хотя это абсолютно разные объекты. Это тем более относится к расчлененному рельефу, с разнообразием его «геодезических неровностей», нано- и микроформ, структурными особенностями, которые зачастую и идентифицируют современную литодинамику морфосистем и направление их будущего развития. Не будет преувеличением сказать, что даже на картах крупных масштабов много интересной и важной информации остается «между горизонталей», а на цифровых картах «проваливается» сквозь сито решетки ТШа или DEMа. Что уж говорить о картах среднего и мелкого масштабов, чье создание немыслимо без участия грамотного в геоморфологическом отношении и искушенного в картографической генерализации исполнителя.
Современные технические средства позволяют решить проблему быстрого набора плотного массива пикетных точек для съемки рельефа. Например, лазерные съемочные системы обеспечивают практически любую плотность точек, что позволяет в масштабе один к одному создавать весьма близкие (по морфологии) к реальности модели поверхности рельефа. При создании по этим данным мелкомасштабных карт, механический равномерный (или заданный другими математическими алгоритмами) отбор пикетных точек иногда создает внешне хорошее впечатление. Однако такой отбор без учета характера размещения, типа и значимости форм, по существу искажает изображаемый рельеф и никогда не сможет подчеркнуть ни генезиса, ни степени важности его форм, ни их динамики. Дело в том, что горизонтали, проведенные методом чистого интерполирования между набранными тем или иным способом точками с известными координатами и высотами (пикетами), соответствуют формам некоторого геометрического тела, лишь в той или иной степени близкого к оригиналу. Парадокс заключается в том, что зачастую для правильного отображения морфологических особенностей рельефа в масштабах мельче оригинала требуется сознательное утрирование его форм, что невозможно выполнить механически. Кроме того, морфология поверхности - это еще не вся информация о рельефе (а тем более о его динамике), если неизвестны характеристики слагающих его горных пород и грунтов, гидрогеологические, криологические и другие особненности. Другими словами, цифровые данные о рельефе, вполне кондиционные, например, для наведения крылатых ракет или проектирования земляных работ, оказываются недостаточными для целого ряда научных, в том числе геоморфологических исследований.
Указанная проблема, по существу, перешла в компьютерную картографию из традиционной [4]. Рецепт ее решения один: для правильного изображения рельефа местности горизонталями необходимо иметь хорошую географическую подготовку, в частности, понимать закономерности происхождения и развития рельефа, т.е. владеть основами знаний по геоморфологии и динамической геологии. Известно, что там, где компьютеру
требуется очень большой массив опорных точек (высокая плотность цифровой матрицы рельефа) опытный составитель при меньшем количестве точек добьется тех же и даже лучших результатов (конечно затратив гораздо больше времени). И если работа с большими массивами данных для современной вычислительной техники как раз и не представляет проблемы, то большинство вопросов отбора необходимых и достаточных точек при генерализации до сих пор не решено.
Процесс грамотного «прореживания», сглаживания исходной избыточной массы точек пока с трудом поддаются автоматизации. Об этом свидетельствуют многочисленные машинные образцы мелкомасштабных цифровых карт рельефа, созданные специалистами по прикладной математике и программированию, далекими от землеведческих наук. Генерируемые компьютером 3-D изображения такого рельефа обычно характеризуется безликими, сглаженными формами или, наоборот, странными гранями или ломаным неестественным рисунком
несогласованных горизонталей.
Это значит, что в процессе рисовки и генерализации рельефа на топографических картах, а тем более при геоморфологической интерпретации рельефа, не стоит особенно надеяться на компьютер. Для получения удовлетворительного результата человек (оператор) должен сам определить нужные структурные линии и пикеты, выбрать степень «разреживания» цифровой опоры, определить цензы отбора форм, не попадающих под основное сечение рельефа, грамотно «уложить»
горизонтали. Самые изощренные алгоритмы аппроксимации поверхности рельефа не заменят основательных геоморфологических знаний, опыта, творческого подхода и профессионализма составителя.
Другой неоценимой возможностью улучшить качество цифрового изображения рельефа является текстурирование ЦМР материалами
дистанционного зондирования. Указанная процедура выполняется путем точной координатной привязки аэрокосмических изображений к узлам ЦМР. На снимках содержится информация, которую невозможно получить самыми детальными инструментальными съемками. Так, на материалах дистанционного зондирования хорошо видна микроструктура земной поверхности, являющаяся проявлением литологических (характер и
структура грунта), ландшафтных (мерзлотных условий, увлажнения, растительности) и динамических факторов морфогенеза. К таким проявлениям относятся, например, потяжины, делли, ветровая песчаная рябь, пятна развевания, криоструктурные формы, степные блюдца, мочажины, мелкая ступенчатость склонов и многое другое.
В то же время следует иметь в виду, что текстурированные изображения также не лишены существенных недостатков, вызванных растровой формой их представления. Увеличение и уменьшение таких изображений осуществляется посредством соответственно дупликации или прореживания пикселов, что неизбежно приводит к потере качества изображения. Поэтому в ГИС-технологиях для создания реалистичных 3-D карт морфосистем разной
размерности следует текстурировать их разномасштабными снимками: карты мелких масштабов материалами космической съемки, средних -аэрофотосъемки, крупных - наземной съемки. Такой метод основан на замечательном свойстве снимков - оптической генерализации при уменьшении масштаба. Современные ГИС позволяют создавать сколь угодно сложные слои и «пирамиды» геопространственных данных, что, помимо сбережения ресурсов машинной памяти, обеспечения быстродействия компьютеров и удобства в работе, реализует также системность и комплексность подхода к картографированию морфосистем. Однако и такой способ улучшения информативности и качества текстурированных изображений имеет свои слабые места. Например, при компьютерных построениях перспективных 3-0 изображений, вследствие трансформирования размеров поверхностей с разными углами наклона и экспозиции, происходит процесс, аналогичный уменьшению/увеличению масштаба. Так, изображение деталей крутых склонов на ближнем плане разворачивается и становится размытым, точечные объекты представляются пятнами, а линейные полосами, изображение приобретает искаженный, неестественный вид. На дальнем плане, наоборот, происходит спонтанная потеря важных деталей изображения. Поэтому следует весьма осторожно подходить к такому компьютерному процессу, как интерпретация перспективных 3-0 моделей, текстурированных снимками.
Подводя итог вышесказанному, представляется важным отметить, что настоящий этап развития наук о Земле и связанных с ними технологий, к которым, бесспорно, относится и геоинформатика, требует системного и комплексного, а главное, сбалансированного подхода к предмету исследования методами ГИС. Только при таком подходе узкий специалист, как говорил Козьма Прутков, не будет «подобен флюсу», а ГИС-технологии смогут оптимально выполнять свое предназначение.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Карпик А.П. Методологические и технологические основы геоинформационного обеспечения территорий. - Новосибирск: СГГА, 2004. - 260 с.
2. Симонов Ю.Г. Региональный геоморфологический анализ. М.: Изд-во Моск. унта, 1972.- 252 с.
3. Ступин В.П. Принципы картографирования морфосистем на региональном уровне // Геодезия, картография, кадастр земель Прибайкалья.- Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2004. - С.107-111.
4. Спиридонов А.И. Рельеф и его изображение на топографических картах. - М.: Изд-во РИО ВТС, 1953. - 147с.
© В.П.Ступин, 2006
