CC BY
33
УДК 556;551.4
НИКИТЕНКОВ АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ, канд. геол.-мин. наук, corestone@mail. ru
ДУТОВА ЕКАТЕРИНА МАТВЕЕВНА, докт. геол.-мин. наук, профессор, dutova@sibmail. com
Томский политехнический университет,
634050, г. Томск, пр. Ленина, 30
ПОКРОВСКИЙ ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ, докт. геол.-мин. наук, профессор, dsp@sibmail. com
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
КАРТОГРАФИЧЕСКИЕ ПОСТРОЕНИЯ И ОЦЕНКА МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОДОСБОРОВ ГОРНО-СКЛАДЧАТЫХ ТЕРРИТОРИЙ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОЙ СЪЕМКИ (SRTM) (НА ПРИМЕРЕ СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ КУЗНЕЦКОГО АЛАТАУ)
В статье рассмотрена методика картографических построений и оценки морфометрических параметров водосборов горно-складчатых территорий на основе данных спутниковой съемки (SRTM). Показаны общие операции, выполняемые средствами ГИС над данными SRTM, результатом которых являются карты речной сети и водосборных бассейнов территории исследований, сопровождаемые оценкой их морфометрических параметров.
Ключевые слова: дистанционное зондирование; SRTM; морфометрический анализ; речная сеть; водосборный бассейн.
NIKITENKOV, ALEXEY NIKOLAYEVICH, Ph.D., corestone@mail. ru
DUTOVA, EKATERINA MATVEYEVNA, Prof Dr. Tech. Sc., dutova@sibmail. com Tomsk polytechnic university,
30 Lenin Avenue, 634050, Tomsk, Russia
POKROVSKY, DMITRY SERGEYEVICH, Prof. Dr. Tech. Sc.,
dsp@sibmail. com
Тomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
CARTOGRAPHY AND ESTIMATION OF MORPHOMETRICAL CHARACTERISTICS OF RIVER BASINS OF MOUNTAIN_AREAS ON THE BASIS OF SRTM DATA (EXEMPLIFIED BY THE NORTHERN PART OF KUZNETSKY ALA-TAU)
The article considers the methodology of cartography and estimation of morphometrical characteristics of river basins at mountain areas on the basis of SRTM data. The basic hydrological functions in GIS are shown on this example. As a result of this work the authors got maps of
© А.Н. Никитенков, Е.М. Дутова, Д.С. Покровский, 2013
the river network and river basins of studied territory, accompanied with detailed attributive information.
Key word: remote sensing; SRTM; morphometric analysis; the river network, catchment of water.
Введение
Выяснение взаимосвязей морфометрических параметров рельефа и различных гидрологических, гидрогеологических характеристик является основой для решения ряда теоретических и прикладных задач в областях экологии, оценок количественных и качественных характеристик водных ресурсов, планирования развития территорий и др. [1-3].
Проведение этих действий классическими методами, основанными на результатах натурных исследований, является достаточно трудоемким, дорогостоящим и сложно выполнимым процессом. Альтернативой классическим подходам может служить анализ цифровых моделей рельефа (ЦМР) средствами современных геоинформационных систем (ГИС), получивших развитие и ставших широко доступными пользователям в 90-х гг. ХХ в. Появление ЦМР достаточно высокого пространственного разрешения, а также рост вычислительных возможностей персональных компьютеров способствовали развитию в геоинформационных системах функционала по анализу гидрологических и морфометрических характеристик территорий.
В нашей работе в качестве источника информации для создания ЦМР были использованы данные высотной съемки SRTM-3 Национального управления США по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) [4-7]. Последующая обработка высотных данных осуществлялась средствами ГИС Ilwis 3.5, позволяющей проводить построения гидрографической сети и получение ее морфометрических характеристик с использованием расширенного набора средств анализа, и ГИС ArcGIS 9.3, применяемой для создания итогового картографического материала.
Методика применения ГИС для анализа цифровых моделей рельефа
Общую схему действий, производимых для создания цифровых карт речной сети и водосборных бассейнов, можно условно разделить на три этапа (рис. 1). Первый и второй являются вспомогательными, третий - основным, где осуществляются картосоставительские процедуры, сопровождаемые оценкой морфометрических параметров картируемых элементов.
Исходные данные SRTM представлены в виде растровых изображений размером 1201^1201 пикселей (с перекрытием соседних растров в 1 пиксель), что соответствует территории площадью в 1 угловой градус, характеризующейся пространственным разрешением в 3 угловых секунды (~90 м). Значения пикселей соответствуют высотным отметкам рельефа, сведения о пространственной привязке отдельных изображений зашифрованы в именах содержащих их файлов.
На первом этапе исследований осуществляются сшивка исходных растров в единую сетку высот, проверка точности пространственной привязки полученных данных и оценка их полноты.
Сшивка исходных данных Передача ЦМР в ГИС
і
Создание ЦМР, свободной от локальных понижений рельефа Построение карты направлений уклонов поверхности Построение карты аккумуляционных значений стока
і
Построение карты речной сети Классификация речных долин Построение карты водосборных бассейнов Анализ морфометрии речной сети и водосборных бассейнов
Рис. 1. Основные этапы проведения исследований территории на основе ЦМР
Несмотря на достаточно широкое применение данных SRTM, штатных средств для их слияния в единый растр и импорта в наиболее распространенные ГИС (ArcGIS, MapInfo, Ilwis) на данный момент не существует. В связи с этим авторами в среде BDS 2006 (Turbo C++) создана программа, объединяющая исходные данные в единое полотно определяемого пользователем размера и позволяющая осуществлять импорт данных в ГИС. Алгоритм работы программы, конвертирующей данные SRTM в формат, пригодный для открытия в ГИС, показан на рис. 2.
Результирующей процедурой, завершающей первый этап, является передача полученной ЦМР в ГИС.
На втором этапе производится обработка созданной ЦМР. В целях обеспечения расчета направлений стока со всей территории выполняется процедура по ликвидации бессточных понижений рельефа за счет их выравнивания относительно окружающего пространства (средствами инструмента fill sinks).
Выбор шяиоитгааі исходных хоордовт ■ ржшфож ЦМР
1
2
3
Осушес
Геяфілп фжкэох форштож bdrabltv, нищи формОсушесшкпе кыборхх сходных Ф ЖИЛОЕ с .цнкьгми о рельефе ■ кх □ок ж едюг.ю ЦМР с шюлянвтм фооуаоя
Рис. 2. Алгоритм работы конвертирующей программы
Ликвидируемые при выполнении данной процедуры бессточные понижения рельефа могут рассматриваться как объекты накопления поверхностного стока и транзита подземного.
Затем на основе выровненной ЦМР определяется направление стока в пределах каждой её элементарной ячейки. Для этого производится расчет величин уклонов для центральной ячейки в блоке размером 3^3. Направление стока определяется путем обнаружения наибольшего уклона (инструмент flow direction, метод определения направления потока - steepest slope). Помимо направлений стока указанная операция позволяет охарактеризовать экспозицию элементарных ячеек ЦМР.
Далее для каждой элементарной ячейки ЦМР производится расчет кумулятивных значений стока. Эти значения представляют собой число ячеек, вносящих свой сток в оцениваемую ячейку под действием сил гравитации, т. е. фактически характеризуют площадь водосбора. Данная операция реализуется инструментом flow accumulation.
На третьем, заключительном, этапе производится построение карт речной сети и водосборных бассейнов территории исследований, сопровождаемое оценкой их морфометрических параметров.
Построение карты речной сети осуществляется путем вычитания из матрицы кумулятивных значений стока всех его значений ниже заданного порогового (представляющего собой минимальную величину, формируемую путём суммирования элементарных ячеек водосбора, сток с которых попадает в оцениваемую ячейку). Пороговое значение выбирается исходя из представлений о том, при какой минимальной площади водосбора образуются поверхностные водотоки с устойчивым стоком в течение всего года. В нашем случае пороговое значение принято в 300 элементарных ячеек, что соответствует площади водосбора порядка 2,5 км2. Затем выполняется идентификация отдельных водотоков на основе данных по точкам слияния и их векторизация. Для выполнения этих операций использовался инструмент drainage network extraction.
Точность картографических построений (привязки вершин, конфигурация речной сети), полученных средствами ГИС на основе данных SRTM, оценивается путем сопоставления с аналогичными элементами на традиционной топографической карте масштаба 1:500 000.
Разбиение речной сети по порядкам долин производится в соответствии с классификацией Р.Е. Хортона, а последующее оконтуривание границ водосборов для полученной речной сети - на основании ЦМР и сведений по направлениям стока. Одновременно с этим проводился расчет морфометрических параметров водосборов, что реализовано инструментом drainage network ordering.
В связи с тем, что в автоматическом режиме программа Ilwis 3.5 позволяет получать картографию только по водосборам рек наименьшего порядка, создан скрипт, позволяющий расширить ее возможности на водосборные бассейны последующих порядков.
Алгоритм работы скрипта следующий: 1. Задание требуемого порядка речной долины. 2. Выделение рек требуемого порядка и создание новой кар-
ты. 3. Оконтуривание водосборов и вычисление их морфометрических характеристик средствами инструмента catchment extraction. При использовании скрипта могут быть получены морфометрические характеристики водосборов рек 2, 3, 4, 5 и 6-го порядков.
Приведенные методические приемы реализованы при оценке территории северной части Кузнецкого Алатау.
Водосборы северной части Кузнецкого Алатау
Указанная территория представляет собой систему асимметричных горных хребтов, вытянутых в направлении с юга на север.
Результатом проведенной работы является набор цифровых карт, некоторые из которых представлены на рис. 3, 4, 5, и база данных, содержащая детальную информацию по морфометрическим параметрам более 1500 водосборов и водотоков, принадлежащих бассейнам рек Томи и Чулыма.
Рис. 3. Гипсометрическая карта северной части Кузнецкого Алатау
Большая часть территории (67,9 %) приходится на низкогорье (до 800 м), 32,09 % приходится на среднегорье (800-2000 м) и всего лишь 0,01 % отно-
сится к высокогорью (район горы Большой Зуб). Речная сеть региона представлена водотоками от 1-го до 8-го порядков.
о ізд аш
О Границы Кузнецкого Алатау
90°
Речная сеть (порядки долин)
2-й порядок —6-й порядок
3-й порядок — 7-й порядок
4-й порядок
5-й порядок
Рис. 4. Речная сеть
8-й порядок
І | Водосборные бассейны (разными цветами) □ Границы Кузнецкого Алатау
Рис. 5. Водосборные бассейны 5-го порядка
В обобщенном виде данные для водосборов, обеспеченные натурным фактографическим материалом, представлены в табл. 1 и 2. Величины площадей рассматриваемых водосборов при среднем значении 2080 км2 разнятся более чем в 20 раз: от 480 км2 для р. Урюп, представляющей собой типичную горную реку, до 9887 км2 для р. Чулым, в нижнем течении приобретающей черты равнинной реки. Средние высоты водосборов составляют от 338 до 973 м абс. при амплитудах колебаний отметок рельефа в пределах отдельных водосборов от 373 до 1831 м. Уклоны речных русл различаются от 0,0016 до 0,0110. Наибольшие уклоны речных долин приходятся на водосборы бассейна р. Томи, что объясняется характером сочленения западного склона Кузнецкого Алатау с Кузнецкой котловиной [2].
На реки западного и северо-западного склонов приходятся наибольшие модули стока со значениями 25-38 л/(с-км2). На восточных склонах они составляют 8-17 л/(с-км2). Доля подземного стока в общем стоке для водосборов западных рек составляет в среднем 17 %, на восточных склонах при меньших абсолютных значениях модулей доля подземного стока составляет в среднем около 22 %. На соотношение составляющих стока оказывают влияние высотные условия водосборов: с ростом гипсометрических отметок доля подземного стока увеличивается.
Таблица 1
Морфометрические параметры водосборов
Река, местоположение створа а о ч С Периметр, км Длина основного потока, км Отметки рельефа, абс., м Превышение, м Уклон, м/м
е 3 н Л л л а и н и м максимальные средние
Система р. Томи
Тайдон, пос. Медвеж-ка 1234 181 64,3 180 1438 504 1258 0,011
Верхняя Терсь, пос. Осиновое плесо 986 190 99,1 174 1794 578 1620 0,0103
Среднее 1110 185,5 81,7 177 1616 541 1439 0,0107
Система р. Чулым
Золотой Китат, д. Ти-хеевка 1314 187 90,2 193 566 338 373 0,0023
Кия, пгт. Макарак-ский 3317 348 172,5 203 1448 659 1245 0,0051
Дудет, с. Тамбар 487 108 52,9 297 893 460 596 0,0079
Урюп, пос. Полутор-ник 480 122 56,5 405 1228 772 823 0,0101
Белый Июс, пос. Малая Сыя 3587 284 121,1 475 2205 973 1730 0,0031
Черный Июс, пос. Сарала 3157 255 127 458 1664 848 1206 0,0064
Чулым, пгт. Копьево 9887 604 227 374 2205 802 1831 0,0022
Кожух, плотбище Кожух 1780 253 117,2 202 942 433 740 0,0016
Среднее 2721 250 113,1 339 1347 660 1008 0,005
Обобщенные данные по водосборам
Максимум 9887 604 227 475 2205 973 1831 0,011
Минимум 480 92 52,9 174 566 338 373 0,0016
Среднее 2352 235 107,4 304 1391 630 1087 0,006
Таблица 2
Характеристики стока рек северной части Кузнецкого Алатау (в числителе - объём, км3; в знаменателе - модуль стока, л/(с-км2)
Система р. Томи Система р. Чулым
Тайдон Верхняя Терсь Кожух 1 Дудет с 2 л й § 2 Л ьЙ :<Ц ё Л и К м 2 и у V? Золотой Китат
Речной сток
1,4/35 1,2/37 1,1/25 2,6/27 0,1/5,6 0,3/20 1,4/15 1,3/12 2,8/8,5 0,62/16
Окончание табл. 2
Система р. Томи Система р. Чулым
к § н Верхняя Терсь Кожух 1 Дудет с 2 л § 2 Л ьЙ :<Ц ё Л и К м 2 и у V? Золотой Китат
Поверхностный сток
1,15/29 1/31 0,92/22 2,1/21 0,98/4,8 0,2/15 1,14/12 1,09/9,3 2,3/7,2 0,55/14
Подземный сток
0,25/6,1 0,2/5,9 0,18/3,7 ,5 0, 0,02/0,77 0,1/4,5 0,26/2,6 0,21/2,8 0,5/1,3 0,07/1,8
Глубинная составляющая подземного стока
0,19/4,7 0,09/2,7 0,11/2,6 0,38/3,6 0,01/0,31 ,5 /3, ,0 0, 0,16/1,6 0,19/1,7 0,28/0,88 0,04/1
Модульные характеристики стока имеют значимые положительные связи с уклоном базисной поверхности, наиболее тесная корреляционная связь прослеживается между уклонами базисной поверхности и модулями подземного стока. Полученные данные не противоречат общим закономерностям распределения характеристик стока, но применительно к северной части Кузнецкого Алатау позволяют оценивать их с большей степенью детальности.
Заключение
Проведенные на примере северной части Кузнецкого Алатау исследования показали, что возможности современных геоинформационных систем, используемые при анализе рельефа, применительно к условиям горных территорий позволяют достаточно качественно осуществлять построения речной сети, а также получать основные морфометрические характеристики рек и водосборных бассейнов. На основе полученных данных возможно проведение комплексного анализа морфометрических параметров речной сети, построение базисных поверхностей и другие виды морфометрических исследований.
Полученные результаты могут быть использованы для оценки ресурсов подземных вод, разработки рекомендаций по оптимизации водопользования различного рода потребителей, для изучения вопросов формирования состава, качества подземных вод и оценки их геологической роли в разрушении горных пород, формировании месторождений полезных ископаемых гидрогенного типа и пр.
Библиографический список
1. Дутова, Е.М. Высотная гидрогеохимическая зональность Алтае-Саянской складчатой области. Материалы научной конференции по проблемам поисковой и экологической геохимии Сибири / Е.М. Дутова // Проблемы поисковой и экологической геохимии Сибири. - Томск : Изд-во ТпУ, 2003. - С. 65-69.
2. Никитенков, А.Н. Речной сток и морфометрические параметры водосборов северной части Кузнецкого Алатау / А.Н. Никитенков, Е.М. Дутова // Известия Томского политехнического университета. - 2010. - т. 316. - № 1. - С. 142-147.
3. Павлова, А.Н. Геоинформационное моделирование речного бассейна по данным спутниковой съемки SRTM (на примере бассейна р. Терешки) / А.Н. Павлова // Известия Саратовского университета. - 2009. - т. 9. - С. 39-44.
4. NASA official page. - Условия доступа : http://www.nasa.gov (дата обращения: 15.05.2010).
5. Описание и получение данных SRTM. - Условия доступа : http://gis-lab.info/qa/srtm.html (дата обращения: 15.03.2011).
6. Высотные данные SRTMпротив топографической съемки. - Условия доступа : http://geo.web.ru/db/msg.html?mid=1177761 (дата обращения: 15.05.2010).
7. Оценка точности матрицы SRTM. - Условия доступа : http://www.racurs.ru/www_download/articles/SRTM.pdf (дата обращения: 15.05.2010).
References
1. Dutova E.M. Vysotnaya gidrogeokhimicheskaya zonal'nost' Altae-Sayanskoy skladchatoy ob-lasti. Materialy nauchnoy konferentsii po problemam poiskovoy i ekologicheskoy geokhimii Sibiri [Altitude hydrogeochemical zoning of Altai-Sayan region. Proceedings of the conference on the search, and environmental geochemistry of Siberia.] // Problemy poiskovoy i ekologicheskoy geokhimii Sibiri [Problems of search and ecological geochemistry of Siberia.]. - Tomsk : TPU Publ., 2003. - P. 65-69.
2. Nikitenkov A.N., Dutova E.M. Rechnoy stok i morfometricheskie parametry vodosborov severnoy chasti Kuznetskogo Alatau [River flow and morphometrical characteristics of river basins of the Northern part of Kuznetsky Ala-Tau] // Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta [Bulletin of Tomsk Polytechnic University]. - 2010. - V. 316. - No. 1. - P. 142-147.
3. Pavlova A.N. Geoinformatsionnoe modelirovanie rechnogo basseyna po dannym sputnikovoy s"emki SRTM (na primere basseyna r. Tereshki) [Geoinformation modeling of the river basin by SRTM data (Exemplified by the basin of the river Tereshka)] // Izvestiya Saratovskogo universiteta [Proceedings of Saratov State University]. - 2009. - V. 9. - P. 39-44.
4. NASA official page. - Available at : http://www.nasa.gov (date of access : 15.05.2010).
5. Opisanie ipoluchenie dannykh SRTM [Description and data acquisition of SRTM]. - Available at : http://gis-lab.info/qa/srtm.html (date of access: 15.03.2011).
6. Vysotnye dannye SRTM protiv topograficheskoy s"emki [SRTM data against surveys]. -Available at : http://geo.web.ru/db/msg.html?mid=1177761 (date of access: 15.05.2010).
7. Otsenka tochnosti matritsy SRTM [Evaluation of the accuracy of the SRTM matrix]. - Available at : http://www.racurs.ru/www_download/articles/SRTM.pdf (date of access: 15.05.2010).
