Применение методов цифрового моделирования рельефа для картографирования эрозионных земель

DOI: 10.12731/wsd-2016-2-12 УДК 528.92: 631.11

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ЦИФРОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕЛЬЕФА ДЛЯ КАРТОГРАФИРОВАНИЯ ЭРОЗИОННЫХ ЗЕМЕЛЬ

Павлова А.И.

В статье рассматриваются вопросы картографирования эрозионных земель. Применение методов цифрового моделирования рельефа позволяет изучать геометрические особенности рельефа, связанные с определением геоморфометрическими параметрами. Для картографирования эрозионных земель предложено использовать совокупность информации, получаемой с морфометрических карт рельефа (гипсометрической, крутизны склонов, плановой и профильной кривизны, мощности линейной эрозии) и почвенной карты.

Ключевые слова: ГИС; эрозия почв; цифровое моделирование рельефа; геоморфометрия; морфометрический анализ рельефа.

THE APPLICATION OF DIGITAL MODELING OF RELIEF FOR AN ASSESSMENT OF EROSIVE DANGER OF LANDS

Pavlova A.I.

In article questions of definition of the indicators characterizing extent of development of a water erosion are considered. Use of methods of digital modeling of a relief allows to study the geometrical features of a relief connected with a bias, an exposition and length of slopes. For an assessment of erosive danger of lands it is offered to use an index of power of an erosion (SPI). It allowed to develop the card ofpotential washout of soils.

Keywords: GIS; erosion of soils; digital modeling of a relief; geomor-phometry; morphometric analysis of a relief.

Рельеф рассматривается как один из основных и ведущих факторов, в значительной степени влияющий на протекание различных природных процессов. Литолого-геоморфологические условия рельефа влияют на развитие ландшафтно-геофизических процессов, контролирующих распределение потоков вещества и энергии, развитие эрозионных процессов. Интенсивность водной эрозии значительно выше на распаханных землях. Результаты оценки условий рельефа востребованы при геоморфологическом районировании [1] разработке противоэрозионных мероприятий, проектировании и размещении севооборотов [2-3], проведении кадастровой оценки земель сельскохозяйственного назначения [4]. Значительный вклад в изучение эрозионных процессов внесли Г.И. Швебс [5], Г.П. Сурмач [6], Ф.Н. Лисецкий [7], М.Н. Заславский [8], А.Д. Орлов [9-10], Г.А. Ларионов [11], Я.Р. Рейнгард [12] и другие ученые.

Использование методов геоинформационного моделирования на основе анализа цифровой модели рельефа (ЦМР) позволяет изучать и характеризовать рельеф по геометрическим, морфометрическим, гидрологическим параметрам [14-15]. Результаты моделирования при этом будут получены с определенной точностью, в зависимости от исходных данных и технологии создания ЦМР. Среди морфометрических характеристик рельефа наиболее часто используют углы наклона и экспозицию склонов, плановую и профильную кривизну поверхности.

Целью работы являлось применение методов цифрового моделирования рельефа для картографирования эрозионных земель.

Объектом исследований служила территория хозяйства «Салаир» Маслянинского района Новосибирской области. В качестве основного источника данных использована топографическая карта масштаба 1:10000 с высотой сечения рельефа 5 м. При создании цифровой модели землепользования использованы почвенная карта (М 1:25000), карта внутрихозяйственного землеустройства (1:25 000), литературные источники.

Определение основных морфометрических параметров и построение соответствующих карт рельефа осуществлено с помощью ГИС ArcGIS10.

Соответствующие определения углов наклона, экспозиции склонов, плановой, профильной и общей кривизны поверхности основывалось на вычислениях сети высот, GRID модели с минимальным размером ячейки растровой модели 5 метров. Это позволило создать морфометрические карты: гипсометрическую, углов наклона, экспозиции склонов, плановой, профильной и общей кривизны земной поверхности.

Анализ информации, полученной с гипсометрической карты показал, что в высотном отношении перепады высот составляют в среднем до 100 м, пониженные участки рельефа относятся к речным долинам и лощинам, распаханные земли распространены на склонах разной крутизны (рис. 1).

Рис. 1. Фрагмент гипсометрической карты с горизонталями

Крутизна склонов оказывает определяющее влияние на формирование поверхностного стока, степень развития эрозионных процессов. Исследуемая территория характеризуется пересеченным рельефом с древовидным рисунком благодаря хорошо развитой эрозионной сети. На территории хозяйства выделены склоны разной крутизны (табл. 1). Установлено, что распределение земель по типам склонов неравномерное. Значительную часть территории примерно 88,2% занимают склоно-

вые земли с разной крутизной. При этом очень пологие и пологие склоны в совокупности распределены по 35,1% территории, а крутые и очень крутые склоны встречаются на 5,9% территории (табл. 1). Среднее значение крутизны склонов и стандартного отклонения составляет 3,9° и 3,4 соответственно. Это свидетельствует о значительных колебаниях значений крутизны склонов на изучаемой территории.

Таблица 1.

Распределение территории по крутизне склонов

Тип склонов Крутизна ската, ° Процентное отношение

Плоские поверхности Менее 1 11,8

Очень пологие склоны 1,1-2,0 17,1

Пологие склоны 2,1-3,0 18,0

Слабопокатые склоны 3,1-5,0 22,3

Покатые склоны 5,1-8,0 18,9

Сильнопокатые склоны 8,1-10,0 5,9

Крутые склоны 10,1-15,0 4,6

Очень крутые склоны Более 15,1 1,3

100

В ходе работы составлена карта плановой кривизны земной поверхности по цифровой модели рельефа. Горизонтальная кривизна характеризует первый механизм аккумуляции вещества, который определяется способностью потока сходится или расходится по земной поверхности. Области отрицательной плановой кривизны соответствуют зонам конвергенции, схождению линий тока [14-15]. Области положительной плановой кривизны определяют зоны дивергенции, на которых происходит расхождение линий тока. Это позволило разделить формы рельефа на две категории: выпуклые и вогнутые. На рис. 2. приведена классификация элементарных поверхностей путем (светлым тоном отражены выпуклые поверхности, темный тоном -вогнутые поверхности, плоские поверхности - серым тоном). Линия нулевой кривизны, или морфоизографа, отображена на рис. 2 в виде изолинии.

Рис. 2. Классификация поверхностей на основе плановой кривизны

В проведенных исследованиях выполнена классификация поверхностей на основе профильной кривизны (рис. 3). Профильная кривизна, или вертикальная составляющая второй производной высоты, характеризует меру изменения градиента. На вогнутых участках скорость поверхностного и внутрипочвенного стока замедляется, а на выпуклых - ускоряется. Как видно на рис. 3 при помощи вертикальной кривизны на карте отражаются положение зон аккумуляции на вогнутых участках и зон сноса вещества - на выпуклых склонах.

Для картографирования эрозионных земель использован индекс мощности линейной эрозии SPI (Stream Power Index) [14-15]. Площадь удельного водосбора и крутизна склонов влияют на степень проявления и развития эрозии, чем больше их значения, тем выше вероятность развития эрозионных процессов:

SPI = Atan в,

где A - водосборная площадь; в - угол наклона рельефа.

I

Value

High : 8,83929

Low : -9.79835

Рис. 3. Фрагмент карты профильной кривизны земной поверхности

При использовании формулы (1) индекс SPI принимает большие значения, т.к. определяется в виде произведения водосборной площади на угол наклона рельефа. В связи с этим предложено определять индекс SPI, вычисляемый согласно формуле [16]:

Статистический анализ результатов вычислений показал, что для хозяйства значения индексов SPI находятся в пределах от -13,81 до 12,93; среднее значение составляет -0,48, а стандартное отклонение 2,57. Это объясняется распространением по территории склоновых земель, различных по крутизне и форме поверхности. Для построения карты мощности линейной эрозии предложено классифицировать значения индексов SPI способом естественных интервалов [17]. При таком способе классифицируемые показатели автоматически делятся на естественные интервалы при заранее заданном количестве классов. Таким образом, на территории хозяйства выделены классы земель: эрозия отсутствует (значения индексов от -13,80 до -6,47), низкий потенциал развития (от -6,46 до -1,54), средний потенциал развития (от -1,54 до 0,24), высокий потенциал раз-

SPI = Ln(A/ß),

вития эрозии (от 0,25 до 2,76), очень высокий потенциал развития эрозии (от 2,76 до 12,93). На рис. 4 представлен фрагмент карты потенциального плоскостного смыва, линий стока и участками пашни. Как видно из рис. 4 в границах участков пашни выделяются склоны с различными значениями индекса SPI.

Рис. 4. Фрагмент карты мощности линейной эрозии

На основе анализа информации, полученной с морфометрических карт рельефа и почвенной карты на основании методики [13] выделены классы эрозионных земель (рис. 5): слабоэрозионные с крутизной склонов от 1,5° до 3°, слабосмытыми почвами и низким потенциалом развития эрозии; среднеэрозионные земли с крутизной склонов от 3° до 5°, среднесмытыми почвами, средним потенциалом развития эрозии; сильноэрозионные земли с крутизной склонов от 5° до 8° с силь-носмытыми почвами и высоким потенциалом развития эрозии; очень сильноэрозионные земли с крутизной склонов более 8°, сильносмы-тыми и намытыми почвами с очень высоким потенциалом развития эрозии.

/yüi |j| очень сильноэрозионные

I—I не эрозионные

I—I слабоэрозионные I—I среднеэрозионные I—I сил1ьноэрозион:н1ы:е

Рис. 5. Карта эрозионных земель

Предложенные подходы позволяют автоматизировать процесс вычисления морфометрических параметров рельефа, связанных с крутизной склонов, экспозицией, формой поверхности при моделировании с сведений по цифровой модели рельефа. Использование методов цифрового моделирования рельефа позволило установить количественные показатели рельефа и составить морфометрические карты на изучаемой территории. Данные карты служили основой для классификации форм земной поверхности и вычисления индекса мощности линейной эрозии. Использование совокупности цифровых морфометрических рельефа и почвенной карты позволило выделить эрозионные земли.

Полученные результаты исследований могут быть использованы в дальнейшем для более детального анализа условий рельефа в границах полей и рабочих участков пашни с целью совершенствования подходов для определения потенциального смыва почвы, а также верификации сведений о пространственных границах различных классов эрозионных земель, требующих полевые измерения.

Список литературы

1. Павлова А.И., Каличкин В.К. Использование материалов космической съемки и ГИС для геоморфологического районирования территории // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2009. № 11. С. 5-14.

2. Каличкин А.И., Павлова А.И. Технология автоматизированной оценки земель сельскохозяйственного назначения // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2008. № 4. С. 5-11.

3. Каличкин В.К., Павлова А.И. Автоматизированное проектирование севооборотов // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки, 2008. №12. С. 5-11.

4. Каличкин В.К., Павлова А.И. Применение ГИС в кадастровой оценке сельскохозяйственных земель/ РАСХН Сиб. отд.-е ГНУ СибНИИЗХим. Новосибирск, 2006. 76 с.

5. Швебс Г.И. Формирование водной эрозии стока наносов и их оценка (на примере Украины и Молдавии). Л.: Гидрометеиздат, 1974. 184 с.

6. Сурмач Г.П. Рельефообразование, формирование лесостепи, современная эрозия и противоэрозионные мероприятия. Волгоград: 1992. 174 с.

7. Лисецкий Ф.Н. Современные проблемы эрозиоведения = Recent developments in erosion science / Ф.Н. Лисецкий, А.А. Светличный, С.Г. Черный. Белгород: Константа, 2012. 455 с.

8. Заславский М.Н. Эрозиоведение. М.: Высш. шк, 1983. 320 с.

9. Эрозия и диагностика эродированных почв Сибири / А.Д. Орлов и др. Новосибирск, Наука, 1988. 118 с.

10. Орлов А.Д. Водная эрозия почв Новосибирского Приобья. Новосибирск: Наука, Сиб. отд.-е, 1971. 175 с.

11. Ларионов Г. А. Эрозия и дефляция почв: основные закономерности и количественные оценки. М.: Изд-во МГУ, 1993. 200 с.

12. Рейнгард Я.Р. Деградация почв экосистем юга Западной Сибири. Омск, ОмГАУ, Лодзь [Польша], 2009. 634 с.

13. Агроэкологическая оценка земель, проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий. Метод. рук-во. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2005. 784 с.

14. Wilson J.P. Terrain Analysis: Princeples and Applications, 2000. 520 p.

15. Florunsky I. Digital Terrain Analysis in soil science and geology. Elselver, 2012. 379 p.

16. Глотов А.А. Применение данных о рельефе для эффективного исполь- зова-ния сельскохозяйственных земель // Геопрофи. Москва, 2013. № 4. С. 20-22.

References

1. Pavlova A.I., Kalichkin V.K. Sibirskiy vestnik sel 'skokhozyaystvennoy nauki. 2009. № 11. Pp. 5-14.

2. Kalichkin A.I., Pavlova A.I. Sibirskiy vestnik sel'skokhozyaystvennoy nauki. 2008. № 4. Pp. 5-11.

3. Kalichkin V.K., Pavlova A.I. Sibirskiy vestnik sel'skokhozyaystvennoy nauki, 2008. №12. Pp. 5-11.

4. Kalichkin V.K., Pavlova A.I. Primenenie GIS v kadastrovoy otsenke sel'skok-hozyaystvennykh zemel [Application of GIS in a cadastral assessment of agricultural lands]. Novosibirsk, 2006. 76 p.

5. Shvebs G.I. Formirovanie vodnoy erozii stoka nanosov i ikh otsenka (na primere Ukrainy i Moldavii) [Formation of a water erosion of a drain of deposits and their assessment (on the example of Ukraine and Moldova)]. L.: Gidrometeizdat, 1974. 184 p.

6. Surmach G.P. Rel'efoobrazovanie, formirovanie lesostepi, sovremennaya ero-ziya i protivoerozionnye meropriyatiya [Relief formation, the formation of steppe, modern erosion and anti-erosion measures]. Volgograd: 1992. 174 p.

7. Lisetskiy F.N., Svetlichny A.A., Cherny S.G. Sovremennye problemy ero-ziovedeniya [Recent developments in erosion science]. Belgorod: Konstanta, 2012. 455 p.

8. Zaslavskiy M.N. Eroziovedenie [Eroziovedenie]. M.: Vyssh. shk, 1983. 320 p.

9. Orlov A.D. et al. Eroziya i diagnostika erodirovannykh pochv Sibiri [Erosion and diagnostics of bald-headed soils of Siberia]. Novosibirsk, Nauka, 1988. 118 p.

10. Orlov A.D. Vodnaya eroziya pochv Novosibirskogo Priob'ya [Water erosion of soils of Novosibirsk Priobya]. Novosibirsk: Nauka, 1971. 175 p.

11. Larionov G.A. Eroziya i deflyatsiya pochv: osnovnye zakonomernosti i koli-chestvennye otsenki [Eroziya and deflation of soils: main regularities and quantitative estimates]. M.: Izd-vo MGU, 1993. 200 p.

12. Reyngard Ya.R. Degradatsiyapochv ekosistem yuga Zapadnoy Sibiri [adation of soils of ecosystems of the South of Western Siberia]. Omsk, OmGAU, Lodz' [Pol'sha], 2009. 634 p.

13. Agroekologicheskaya otsenka zemel', proektirovanie adaptivno-landshaftnykh sistem zemledeliya i agrotekhnologiy [Agroecological assessment of lands, design of adaptive and landscape systems of agriculture and agrotechnologies]. M.: Rosinformagrotekh, 2005. 784 p.

14. Wilson J.P. Terrain Analysis: Princeples and Applications, 2000. 520 p.

15. Florunsky I. Digital Terrain Analysis in soil science and geology. Elselver, 2012. 379 p.

16. Glotov A.A. Geoprofi. Moscow, 2013. № 4. Pp. 20-22.

ДАННЫЕ ОБ АВТОРЕ Павлова Анна Илларионовна, доцент кафедры Прикладных информационных технологий, кандидат технических наук, доцент Новосибирский государственный университет экономики и управления

ул. Каменская, 52, г. Новосибирск, Российская Федерация annstab@mail.ru

DATAABOUT THE AUTHOR Pavlova Anna Illarionovna, Associate Professor, Associate Professor of Applied Information Technologies, Ph.D.

Novosibirsk State University of Economy and Management 52, Kamenskaya St., Novosibirsk, Russian Federation annstab@mail.ru SPIN-code: 8714-1140