CC BY
85
УДК 551.4 ББК 26.823 В 18
Т.П. Варшанина
Объектно-ориентированная модель подсистемы «Рельеф»
ГИС геодиагностики территории
(Рецензирована)
Аннотация:
Предлагается технология разработки системной объектно-реляционной модели рельефа, основанной на фундаментальных географических знаниях. Модель обеспечивает возможности многовариантной системной оценки всех аспектов эколого-ресурсного потенциала рельефа, а также мониторинга и прогноза риска на основе экспертной модели знаний.
Ключевые слова:
Объектно-ориентированная модель рельефа, оценка эколого-ресурсного потенциала рельефа, подсистема рельефа в ГИС.
Основанием для реализации объектно-ориентированной территориальной модели являются: декомпозиция (районирование) предметной области по иерархии взаимосвязанных реальных геообъектов в результате исследования общего поведения природно-хозяйственной системы; выявление геообъектов, определение их параметрических и описательных характеристик, формирующих базу знаний региона.
В географии разработаны принципы классификации/районирования иерархии объектов, как по вертикальной, так и по горизонтальной составляющим геосистем. Препятствием на пути формирования объектно-ориентированных системных географических моделей является отсутствие средств геоинформационной реализации формализованного объектного структурирования данных по рельефу, в то время как комплекс исходных методов для этого уже разработан отечественными географами. Первую математическую модель поверхности рельефа, адаптируемую под объектно-ориентированную технологию, разработал профессор Санкт-Петербургского университета А.Н. Ласточкин (1991), иерархическую модель тектонических структур (морфоструктур), контролирующих современный рельеф, разработали представители Института географии РАН Е.Я. Ранцман и М.П. Гласко (2003), известны подходы морфоклиматического районирования (Кружалин, 2003). Несмотря на это, в современных ГИС пакетах для построения модели рельефа продолжают использоваться формальные математические методы, не учитывающие физическую природу рельефообразующих процессов, что не позволяет выделять естественные объекты поверхности рельефа и, соответственно, строить цифровую модель рельефа как модель сложной структурнонеоднородной и иерархической природной системы.
В настоящей работе объектная модель данных подсистемы «Рельеф» разрабатывается на основе следующих положений. Рельеф - совокупность обладающих определенным строением элементарных форм, создающих структуру земной поверхности, как закономерное пространственное расположение иерархии ее элементов. Возникновение форм рельефа происходит в ходе перемещения литогенного вещества, обусловленного тектоническим поведением территории, ее геологическим строением и в целом физико-географическими условиями. Деформация поверхности литосферы в ходе движения вещества, называемая морфогенезом, связана с перемещением вещества как по земной поверхности и в тропосфере, так и в результате процессов, протекающих в глубинах Земли.
Теоретическим основанием для выделения иерархии объектов модели рельефа является положение о морфосистеме (Мысливец, 2004), как сфере, ограниченной верхней границей тропосферы и нижней границей тектоносферы, в которой пространственно дифференцирован комплекс эндогенных и экзогенных рельефообразующих процессов, обусловливающих формирование рельефа земной поверхности.
В соответствие с этим определена система вертикальной иерархии суперкласса объектов рельефа территории исследования с принадлежащими им атрибутивными данными, соответствующая следующему ряду пространственных единиц: морфоструктура (иерархия морфоструктурных блоков, узлов и линеаментов) - морфоклиматический район (тип морфоскульптурного рельефа) - иерархия объектов поверхности рельефа. Выделение иерархии объектов класса тектонических структур, контролирующих формирование современного рельеф на уровне морфоструктур, производится по методике морфоструктурного районирования Е.Я. Ранцман и М.П. Гласко (2003), иерархии объектов морфоклиматической системы, контролирующей формирование морфоскульптурного рельефа, произведено по классификации, приведенной В.И. Кружалиным (2003). Выделение иерархии объектов поверхности рельефа производится методом «сферической квадроангуляции» (Плисенко, 2005). Типизация структурных линий, характеристических точек и элементарных поверхностей рельефа производится по классификации А.Н. Ласточкина (2002).
Логическая структура объектно-ориентированной базы данных, отображающая геодинамическое единство внешних и внутренних сфер Земли, содержит класс иерархии объектов морфоструктурной организации территории. Морфоструктурами называют крупные формы земной поверхности, в образовании которых главная роль принадлежит эндогенным
процессам и в морфологии которых четко отражены геологические структуры (Щукин, 1980). Результаты анализа данных точных инструментальных измерений показали, что поля современных тектонических движений тесно связаны с разного типа, возраста и ранга морфоструктурами, соответствующими блокам с поперечником от нескольких сотен километров до нескольких сотен метров (Лилиенберг, 2003). На этом уровне структуры данных выявленная закономерность определяет необходимость геоинформационного обеспечения комплексного геоморфолого-геодинамического подхода для достижения в рамках геодиагностики анализа связи тектонических процессов с динамикой и эволюцией современного рельефа.
Система методических приемов морфоструктурного районирования (МСР) позволяет однозначно выявлять иерархию блоков земной коры, а разработанные авторами методики индикационные показатели дают возможность автоматизировать процессы выделения и ранжирования тектонических элементов, контролирующих современный рельеф. Методика МСР основана на использовании картографических материалов. На настоящее время именно эти материалы дают возможность произвести объективное и наиболее точное выделение границ тектонических блоков, линеаментов и узлов и подразделить их на ранги по степени тектонической активности.
Для автоматизированного выделения элементов МСР используются возможности инновационной физико-математической цифровой модели рельефа (Варшанина и др., 2006) с помощью входящих в ее состав модулей: 1) гравитационно-динамической ЦМР «Gravity» (Пикин, 2005), которая адекватно отображает разрывы сплошности, что позволяет четко идентифицировать границы тектонических элементов (рис. 1); 2) модуля на основе метода «сферической квадроангуляции» (Плисенко, 2005). Программная реализация метода «сферической квадроангуляции» позволит полностью автоматизировать процесс идентификации элементов МСР на основе анализа изолинейных электронных карт рельефа. Г еоинформационное обеспечение методов структурной морфометрии позволяет автоматизировать вычисление относительной амплитуды и направленности новейших тектонических движений и выявление индикационных показателей для определения тектонических движений сжатия, растяжения, сдвига.
Так как, предлагаемые логическая структура базы данных и инструменты ГИС-анализа определяют корректность выявления геодинамической сопряженности внутренних и внешних сфер геопространства, ранжирование объектов блоковой структуры земной коры по тектонической активности, определения относительной интенсивности величины, знака и типа тектонических движений подсистема «Рельеф» ГИС геодиагностики предоставляет возможности геоинформационного анализа:
- связи форм рельефа со структурой и формой геологических тел;
- пространственной дифференциации современных тектонических движений на региональном уровне;
- локализации зон потенциальной разрядки региональных тектонических напряжений;
- параметрической связи тектонических движений с интенсивностью экзогенных рельефообразующих процессов (денудации, эрозии и аккумуляции);
- влияния динамики элементов современной блоковой структуры земной коры на целостность инженерной инфраструктуры;
- сопряженности геокомпонентов ландшафта с положением элементов современной блоковой структуры земной коры и т.д.
Выявление объектов морфоклиматической системы, контролирующей экзогенный рельеф, производится путем морфоклиматического районирования.
Прямые и опосредованные связи между климатом и рельефом являются причиной подчинения экзогенного рельефа климатической зональности. Совмещенный анализ данных по объектам морфоклиматического районирования и морфоструктурной организации территории проясняет условия формирования экзогенного рельефа, и обеспечивает выявление взаимосвязи эндогенных и экзогенных рельефообразующих процессов. Так, в системе
морфоклиматического районирования Адыгеи определено ее положение в умеренном климатоморфологическом поясе и в качестве объектов базы данных выделены морфоклиматических области с принадлежащими им инвариантными показателями:
- область умеренного семигумидного климата переходного к морскому субтропическому соответствует мезоблоку-II низменной Закубанской равнины и входит в сектор влияния Черноморской депрессии. Тип рельефа долинно-балочный.
- область типичного умеренного климата, семигумидного переходного к морскому соответствует возвышенной равнине и низкогорьям в пределах мезоблока-III. Климат способствует развитию долинно-балочного рельефа. Вместе с тем при интенсивном снеготаянье или выпадении интенсивных жидких осадков размывающая сила водных потоков достаточна для образования промоин и оврагов. Обильные осадки могут провоцировать оползни.
- область холодноумеренного гумидного климата соответствует мезоблокам среднегорного рельефа. Климат способствует развитию физического выветривания, флювиальных процессов на склонах, лишенных растительности, селей, формированию карстовых форм рельефа в областях распространения водорастворимых пород, провоцирует оползневые процессы, зимой
- лавины.
- область субнивального и нивального горного климата, соответствует мезоблокам высокогорного рельефа. Климат способствует физическому выветриванию, накоплению значительных снегозапасов, поддержанию современного оледенения, развитию карста, гляциальных, флювиальных и склоновых процессов, в том числе, формированию селей, зимой
- лавин.
В результате взаимодействия эндогенных и экзогенных процессов и факторов рельефообразования образуется многообразие элементарных форм, формирующих структуру рельефа земной поверхности. Иерархию класса объектов поверхности рельефа создает закономерное сочетание его элементарных поверхностей, ограниченных структурными линиями и однородных по комплексу инвариантных геоморфологических параметров: форме в профиле и плане, крутизне, экспозиции, абсолютной и относительной высоте. Именно эти параметры контролируют в геосистемах вещественно-энергетические потоки и определяют экологические функции рельефа.
Объекты поверхности рельефа выявляются на основании математической модели, адекватно описывающей его элементы (Ласточкин, 1999) и обеспечивающей идентификацию каждого объекта по комплексу морфометрических параметров. Визуализация таких объектов производится средствами трехмерного геометрического моделирования, обеспечивающими векторное дискретно-континуальное представление поверхности рельефа методом «сферической квадроангуляции» (Плисенко, 2004, 2005). Исходными материалами могут служить как изолинейные карты рельефа, так и аэрофото- и космоснимки. Точность дискретноконтинуального моделирования иерархии поверхностей соответствует погрешности исходных материалов.
Предлагаемая объектная модель векторного дискретно-континуального представления рельефа обеспечивает соответствие с одной стороны между элементами и формами, выделяемыми морфологически, с другой стороны между структурно-содержательной организацией, генезисом, возрастом рельефа, характером динамики современных рельефообразующих процессов, дает возможность построения моделей развития рельефа.
Классификация поверхностей рельефа и его структурных линий по природно-экологическим свойствам (Ласточкин, 2003) позволяет выполнить детальное районирование территории по экологическим особенностям рельефа, строить адекватные математические модели перераспределения в рельефе природных и антропогенных вещественноэнергетических потоков.
Объектно-ориентированная схема базы данных подсистемы «Рельеф» ГИC геодиагностики представляет собой модель сложной иерархической системы сущностей предметной области, а точечные характеристики, являющиеся проявлением влияния различного рода полей
накапливаются в виде реляционных таблиц поддерживающих непрерывный массив данных таких параметров в различные интервалы времени. Применяемый объектно-реляционный подход поддерживает воспроизведение двуединства дискретно-континуального свойства рельефа.
Реализуемая технология разработки системной объектно-реляционной модели рельефа, основанной на фундаментальных географических знаниях, ориентирована на создание логической структуры данных, соответствующей технологиям геоэкологических исследований. Модель обеспечивает возможности многовариантной системной оценки всех аспектов экологоресурсного потенциала рельефа, а также мониторинга и прогноза риска на основе экспертной модели знаний.
