Интеграция альтернативных возможностей отображения рельефа в интересах геодинамического картографирования

УДК 528.94 В.П. Ступин ИрГТУ, Иркутск

ИНТЕГРАЦИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ОТОБРАЖЕНИЯ РЕЛЬЕФА В ИНТЕРЕСАХ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО КАРТОГРАФИРОВАНИЯ

V.P. Stupin

Irkutsk State Technical University

83 Lermontova Ul., Irkutsk, 664074, Russian Federation

INTEGRATION OF ALTERNATIVE WAYS OF RELIEF IMAGING FOR GEODYNAMIC MAPPING

The article is devoted to a problem of dual nature of continuous and discrete cartographical image of a terrestrial surface. Merits and demerits of each way are considered. The concept of integration of these ways on the basis of the theory morphological systems is offered. The opportunities of using of the suggested classification of morphological systems as base for creation of exogenous and others geodynamic maps are considered.

Геодинамическое картографирование и особенно картографирование экзогенной динамики немыслимы без объективной информации о геометрии поверхности Земли. Поэтому исходные картографические данные о рельефе в идеале не должны быть плодом некоторого научного обобщения, а просто должны нести беспристрастную информацию о морфологии земной поверхности. Основными требованиями к исходным изображениям рельефа является их метричность, пластичность и морфологическое соответствие. Метричность обеспечивает возможность получения по карте различных количественных показателей (высот, превышений и т.п.). Пластичность позволяет передавать рельеф наглядно и выпукло. Морфологическое соответствие дает возможность выявить структуру, а во многих случаях и генезис рельефа. Только при выполнении вышеперечисленных требований, картографические изображения рельефа, в зависимости от масштаба карты, позволяют адекватно решать соответствующие задачи. Однако, в силу ряда объективных и субъективных причин, создание кондиционной

картографической информационной базы данных о рельефе сталкивается с существенными трудностями.

В настоящее время наиболее полную информацию о рельефе

традиционно получают с топографических карт, которые ориентированы на континуальное представление рельефа в виде непрерывного поля высот. Основным способом изображения рельефа являются горизонтали. Этот способ при всех своих достоинствах не идеален по части адекватности изображения рельефа своему оригиналу. Его слабыми местами является: противоречие между масштабом и детальностью карт; сложность отображения изолиниями (горизонталями) естественной делимости рельефа; вторичность карт как источника исходных данных о рельефе, испытавшего в ходе создания разного рода преобразования; субъективность

картографической генерализации; утрирование и сглаживание важных, но

мелких деталей рельефа в процессе интерполяции; разграфка листов карт по искусственным линиям километровой или географической сетки, разрезающим естественные формы рельефа; нестрогий, рекомендательный характер указаний руководств и наставлений по учету специфики отображения различных типов рельефа. Применение дополнительно к горизонталям других изобразительных средств картографирования рельефа (условные знаки, подписи) кардинально не решает перечисленных проблем.

Цифровые модели рельефа созданные по данным инструментальных съемок, лазерного и радиолокационного сканирования, фотограмметрическими методами на ЦФС и т. п. также ориентированы на континуальное представление земной поверхности, независимо от концепции построения ее трехмерной триангуляции и алгоритмов сглаживания (адаптивные, гладкие или иные модели).

Помимо континуальной концепции топографических карт существует также дискретная концепция, предполагающая естественную делимость земной поверхности на морфологические элементы. Такой подход более всего характерен для морфодинамического направления, которое быстро развивается в последние десятилетия. Морфодинамическая концепция предполагает, что делимость земной поверхности естественными структурными линиями, т.е. фактически морфология ее рельефа, обладает следующими свойствами:

- Отражает создавшие и преобразовавшие рельеф процессы;

- Определяет литодинамические потоки, преобразующие рельеф в настоящем;

- Является предпосылкой развития рельефа в обозримом будущем.

Исходя из указанных положений, с которыми трудно не согласится,

морфодинамическая концепция ориентирует исследователя на движение от формы к содержанию, т.е. от морфологии рельефа к его динамике в прошлом, настоящем и будущем. Другими словами, они направлены, 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 концепции морфологических систем.

Согласно системно-морфологическому подходу анализ рельефа и его аналитическое картографирование начинают с дискретизации и элементаризации земной поверхности на основе ограниченного числа формализованных структурных точек, линий и поверхностей. Совокупность структурных элементов выступает в роли жесткого каркаса земной поверхности. Другой важной составляющей структуры рельефа являются линии тока, которые отображаются векторами и представляют собой геометрическое проявление внутрисистемных нисходящих

литодинамических потоков. Полученная аналитическая карта представляет собой жесткую формальную фиксацию элементов земной поверхности и

предназначена для всевозможных специализированных интерпретаций, в частности в качестве материала для морфодинамического анализа.

Таким образом, морфодинамическая концепция предполагает строгое отделение первичных морфологических исследований, направленных на выявление естественной делимости земной поверхности на «элементарные», поддающиеся строгому математическому описанию структурные линии, поверхности, точки и формы, от вторичных субстанционно-динамических интерпретаций указанной делимости. Другими словами, при первичном познании пространственного положения и формы элементарных объектов предполагается абстрагирование от любых предварительных знаний, а тем более от любых гипотез об их субстанционных, временных и динамических аспектах. Такой подход, по мнению его приверженцев, исключает всякий произвол и приблизительность в фиксации границ геоморфологических объектов и гарантирует их строгую формализацию, в том числе и компьютерными средствами без участия человека.

Одной из важных процедур в морфодинамических исследованиях является выделение геотопов (местоположений). Для этого все выявленные элементарные морфологические элементы подразделяются в зависимости от сочетания их экспозиций по отношению к различным видам геопотоков. Среди важнейших экспозиций выделяют:

- Гравитационную экспозицию элементарного геотопа относительно вектора силы тяжести, определяющего потоки поверхностных и грунтовых вод, нисходящие лито динамические потоки и т.п.;

- Инсоляционную экспозицию относительно поступления прямого солнечного излучения в зависимости от широты места, направления падения склонов, их крутизны и т.д.;

- Циркуляционную экспозицию по отношению к преобладающим воздушным и водным потокам, например, таким как ветер, осадки.

Для дефиниции морфодинамических систем необходимо также выявить геотопологические параметры элементов земной поверхности, которые собственно и характеризуют экспозиции. К числу таких параметров относятся: абсолютная высота, крутизна, вертикальная и горизонтальная кривизна, азимут падения репрезентативных линий или линий тока, угол встречи с входящими вещественно-энергетическими потоками (воздушными, водными) и относительные превышения.

Дискретное представление рельефа в интересах различных связанных с ним наук, так или иначе, с ним связанных, является шагом вперед, по сравнению с континуальным подходом. Однако при всех достоинствах и перспективности морфодинамического направления, следует понимать границы применения данного подхода, чтобы не воспринимать его как универсальную методическую основу отображения рельефа земной поверхности.

Прежде всего, дискретный способ значительно уступает континуальному способу, как по пластике, так и по метричности изображения. Нам представляется, что в ряде случаев в целях повышения информативности и

наглядности целесообразно совместное, комбинированное применение обоих способов изображения рельефа.

Кроме того, не совсем ясно, что же вообще считать элементарными структурными линиями, поверхностями, формами рельефа. Ведь в реальном рельефе практически невозможно найти ни идеально прямых или формализуемо-изогнутых водораздельных, бровочных, подошвенных и прочих линий, ни плоских или описываемых строгими функциями криволинейных поверхностей. Любая линия или поверхность в природе всегда осложнена неровностями низших порядков, поэтому всякое ее математическое описание является лишь в той или иной степени удачным обобщением и упрощением реальной линии или поверхности. Указанное явление особенно хорошо проявляется при разномасштабном картографировании рельефа, которое неизбежно требует генерализации земной поверхности, все более радикальной по мере уменьшения масштаба карты. Очевидно, что и при картографировании «элементарных» поверхностей требуется различная степень их генерализации на различных масштабных уровнях. Но сама генерализация пока с трудом поддается формализации и представляет, во многом научный, творческий процесс. Другими словами, для каждого масштаба карты можно лишь условно выявить собственную систему генерализованных элементарных структурных единиц рельефа. При этом, генерализацию следует выполнять не механически, а основываясь на специальном (генетическом, литодинамическом и т.п.) анализе рельефа в целях определения критериев элементаризации для карт разных масштабов, отбора и обобщения выявленных элементарных форм земной поверхности, их геоморфологической дефиниции, классификации, ранжировании, прогнозировании. Даже на картах одного масштаба дефиниция элементов неоднозначна, и требует профессионального подхода при отборе и обобщении элементов и форм рельефа.

Допустим далее, что местоположения элементов земной поверхности точно выделены путем оперирования чисто геометрическими понятиями, ограничены строго трассированными структурными линиями и точно закартированы. Тогда встает другая проблема: на какой методологической основе, по какому принципу и в каких границах группировать выявленные морфологические конструкции для их дальнейшей литодинамической интерпретации. Ведь содержание (литодинамика рельефа) отнюдь не следует из формы (его морфологии) напрямую. Для раскрытия связи между формой и содержанием морфогенеза необходимо изучить и понять физическую сущность, механизм и структуру процессов рельефообразования, для чего недостаточно просто выполнить дискретизацию, элементаризацию, параметризацию и экспозиционную идентификацию земной поверхности.

Таким образом, аналитические системно-морфологические карты, что, впрочем, подчеркивают и сами приверженцы морфологического картографирования, следует рассматривать как рабочий инструмент на предварительном этапе изучения морфологии, структуры, генезиса, возраста,

динамики рельефа. В этом качестве картографические отображения дискретных морфодинамических систем, особенно дополненные традиционными континуальными отображениями, представляют собой незаменимые базы данных для последующих интерпретаций: генетических, литодинамических, прогнозных, функциональных и др.

Мы предлагаем новый подход к дефиниции, ранжированию, картографической генерализации и функционально-динамической интерпретации морфологии рельефа на основе теории морфосистем, опираясь при этом на наработки как дискретного, так и континуального картографического представления земной поверхности. Кратко рассмотрим суть предлагаемого подхода.

Под морфосистемами мы понимаем динамичные открытые географические системы на основе рельефа, созданного определенными процессами в условиях определенной литологической, тектонической и ландшафтно-климатической обстановки.

В основу классификации морфосистем положен инвариант - свойство, общее для составляющих данную систему подсистем. Инвариантные свойства изменяются весьма медленно, а их утрата приводит к распаду системы. Инвариант определяет структуру системы, т.е. ее внутренние и внешние связи.

По нашей концепции, инвариантом морфосистем является сила земного притяжения, которая «пронизывает» морфосистемы на всех уровнях их иерархии в форме гравитационного поля. При анализе морфосистем рассматривается не само гравитационное поле, а производные от него поля потенциальной денудации, проявляющиеся в пределах так называемого экзогенно-активного слоя. Этот слой заключен между вершинной и базисной поверхностями любой морфосистемы. Напряженность гравитационного поля между поверхностями и определяет денудационный потенциал морфосистемы. Каждая морфосистема обладает своим полем потенциальной денудации, поглощая поля своих подсистем и находясь в поле вышестоящей системы.

Основанием для ранжирования любых систем служат эмерджентные свойства - свойства, которые отсутствуют у подсистем и выводят данную систему на новый уровень. Благодаря эмерджентным свойствам, системы являются не просто суммой подсистем, а качественно новым образованием. По нашему мнению, появление эмерджентных свойств у морфосистем отражает количественно-качественные изменения соотношения ролей эндогенной и экзогенной составляющих морфогенеза в возмущениях полей потенциальной денудации. Эти возмущения внешне проявляются в качественных же изменениях конфигураций вышеназванных полей.

Полный ряд размерностей геоморфосистем включает следующие звенья (в порядке их подчиненности с возможным выпадением отдельных звеньев): поверхность Земли в целом (геоморфоид) - геотектуры - морфоструктуры нескольких порядков размерности - бассейновые системы (также возможны

несколько порядков) - элементарные бассейны - склоновые системы -элементарные динамически однородные поверхности.

Ключевым моментом в изучении морфосистем является анализ структуры полей потенциальной денудации картографическим методом, благодаря его гибким возможностям отображать поля изолиниями, структурными линиями, векторами и пр. и получать их качественные и количественные характеристики.

Границы морфосистем разных уровней выявляются как динамические целостности путем анализа морфоструктур, рельефа, линеаментов и гидросети.

Комплексное картографирование морфосистем позволяет создать системную ранжированную геоинформационную основу изучения рельефа и морфогенеза, выявить закономерности строения земной поверхности, грамотно организовать камеральные, полустационарные и стационарные исследования рельефа, получить качественные и количественные данные по литодинамике различных территорий, выполнить интерпретацию, интер- и экстраполяцию полученных результатов и выполнить научные обобщения.

© В.П. Ступин, 2008