Использование возможностей модели SRTM (shuttle radar Satel- Lite mission) в анализе рельефа как фактора почвообразования (на примере Брянского лесного массива)

УДК - 631.48

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МОДЕЛИ SRTM

Л.А. Соколов, Г.В. Лобанов, A.B. Полякова

Работа посвящена вопросу изучения взаимосвязи рельефа, почвообразующих и подстилающих горных пород и почв. На основании детального анализа топографической основы части территории Брянского лесного массива средствами программы Mapinfo 9.0 построена оригинальная электронная цифровая модель рельефа (ЦМР) в системе 3D. Рассматривается возможность использования ЦМР средствами программ Global Mapper 11.0, CorelDraw для анализа влияния рельефа на пространственное распределение свойств почв, почвообразующих и подстилающих горных пород.

Ключевые слова: рельеф, горные породы, почвы, модель, профиль

Развитие технологий пространственного анализа привело к выделению в почвоведении особой группы методов - цифрового почвенного картографирования и моделирования [14]. Теоретической основой в обоих случаях является математико-картографическое моделирование, базовой технологией - геоинформационные системы. Методы взаимно дополняют друг друга в отношении целей и результатов использования и различаются аспектами применения. В первом, используются возможности картографического представления пространственно координированной информации о типах и свойствах, находящейся в цифровом виде. Во втором -на основании пространственных отношений объектов моделируются изменения свойств и типов почв при реализации некоторого сценария. Пространственным объектом в геоинформатике считается цифровое представление некоторого объекта реальности. Состояние пространственного объекта описывается зависимостью от ряда параметров, сценарий изменения которых во времени используется как основа прогноза и ретроспективного анализа развития почвенного покрова. Начиная от работ В.В. Докучаева [2], определяющими группами почвообразующих условий и факторов полагают особенности рельефа, климата, почвообразующих пород, деятельности организмов, антропогенного воздействия и возраст почвы. Предложены разнообразные подходы к формальному описанию отношений почвообразующих факторов, подробный обзор которых представлен в работе McBratney [19]. Тип и свойства почвы территории полагаются связанными функциональными или эмпирическими зависимостями от некоторых известных параметров или степенью пространственной близости к изученному ранее участку. Пространственный масштаб проявления зависимостей остается неоднозначно решаемой задачей. Свойства почв удовлетворительно экстраполируются данными с нескольких ключевых точек в пределах площади до 100 га [28]. Возможность распространения локальных закономерностей на соседние участки или территории большей площади некоторыми авторами признается ограниченной из-за нелинейного и неоднозначного характера зависимостей свойств почвы от состояния почвообразующих факторов [17]. Другие авторы полагают, что распространение закономерностей допустимо на территории-аналоги в отношении почвообразующих факторов, причём предсказательная сила модели уменьшается с удалением от исходного участка [11].

Пространственное и временное разрешение цифровых почвенных моделей существенно различается в зависимости от целей исследования. McBratney[18] объединил модели с разным пространственным разрешением в 5 групп: менее 25^25 м, 25-100 м, 100-1000 м, 1-10 км и более 10 км, охватывающие территорию соответственно от десятых долей гектара до миллионов квадратных километров. Для разных уровней разрешения известны варианты моделирования типов почв [12], содержания органического вещества [23], физико-механических и физико-химических характеристик [9, 10], эрозионной устойчивости.

Среди почвообразующих условий и факторов параметры рельефа признаются одним из наиболее перспективных для моделирования свойств почв [13]. Согласно результатам исследований Томсона [28] на 3-х модельных участках (Кентукки) в 28-67 % случаев свойства почв имеют существенную корреляционную связь с параметрами рельефа. Характер и теснота связи свойств почвы с отдельными параметрами рельефа имеют, по-видимому, локальную специфику. Главными источниками информации о рельефе в современных почвенных исследованиях являются цифровые модели рельефа (ЦМР), которые представляют матрицы аппликат, чаще всего высот местности, или совокупность записей об изолиниях. В визуализации ЦМР определяются задачами исследования и могут быть представлены картами изолиний,

поверхностями, 3-х мерными моделями рельефа [1]. По исходной матрице высот на основании подходов математико-картографического моделирования рассчитываются производные цифровые модели как совокупности записей о морфометрических и морфологических характеристиках рельефа, в частности экспозиции, уклоне, форме склона. Алгоритмы перехода к производным характеристикам, разработаны и апробированы в 80-х годах XX века [3]. Актуальной задачей остается обеспечение точности производных характеристик при использовании их в цифровом моделировании почв, особенно для территорий со значительной пестротой почвенного покрова. Адекватность моделирования рельефа повышается с увеличением горизонтального и вертикального пространственного разрешения цифровых моделей, что подтверждается проверкой параметров инструментальными методами. Разрешение ЦМР полагается критическим фактором в пространственном моделировании компонентов ландшафта, в том числе почвенного покрова [28]. Установлены зависимости расчетных параметров рельефа от разрешения модели. Для горизонтального разрешения зависимость проявляется однозначно - с уменьшением его величины крутые склоны «выполаживаются», крутизна пологих возрастает, ландшафт приобретает смягченные очертания [15]. Для вертикального разрешения установлена более сложная зависимость. Повышение точности моделирования возможно при пропорциональном увеличении горизонтального и вертикального разрешения, иначе проявляются обратные эффекты [27]. Необходимость увеличения разрешения ЦМР для задач моделирования почв не является, по-видимому, однозначной. Степень корреляционной зависимости характеристик почвенного покрова (мощности почвенного профиля или гумусового горизонта) и некоторых морфометрических характеристик рельефа для случаев относительно однообразного почвенного покрова остается близкой для ЦМР разного пространственного разрешения.

В представленных материалах на уровне качественного анализа рассматривается возможность использования ЦМР для анализа влияния рельефа на пространственное распределение свойств почв в пределах Брянского лесного массива, занимающего Придеснинскую аллювиально-зандровую равнину [6]

В геоморфологическом отношении территория представляет фрагмент ступенчатой аллювиально-зандровой равнины, связанную с Деснинским прогибом [5]. Общий уклон местности направлен от Среднерусской возвышенности на запад к современной долине Десны. Ступени рельефа образованы речными террасами, которых на участке южная граница области - устье р. Болва выделяется четыре [6]. Наиболее высокое гипсометрическое положение занимает 4-я цокольная терраса. Абсолютные отметки поверхности террасы и относительная высота цоколя увеличиваются: от 180-195 м в северной части территории до 195-205 м в южной и соответственно от 50-60 до 80 м. Особенностью террасы является сложность её геологического строения. Цоколь образуют коренные породы, которые выше сменяются аллювиальными отложениями мощностью от 3 до 12 м. С поверхности терраса сложена лессовидными и делювиальными суглинками среднего и позднего плейстоцена. Наиболее вероятно, что аллювиальные отложения террасы сформированы в эпоху максимальной дегляциации днепровского ледника и имеют озерно-аллювиальный генезис. Третья цокольная терраса более выдержана по высоте поверхности - 175-180 м. Цоколь образован коренными породами, которые перекрыты последовательно вверх аллювиальными разнозернистыми песками, глинами и алевритами днепровского возраста. Последовательность пород отражает смену фаций от русловой к пойменной и озерной. С поверхности терраса перекрыта лессовидными суглинками верхнего плейстоцена. Поверхность второй цокольной надпойменной террасы находится на высоте 25 м над меженным урезом Десны. Мощность аллювиального чехла - 8-12 м, относительная высота цоколя - до 5 м. Аллювиальная толща сложена разнозернистыми песками московского возраста. Мощность аллювия существенно изменяется от 1-3 до 30 м. Поверхность террасы осложнена дюнами, переход к 3-ей террасе плавный. Первая надпойменная терраса аккумулятивная, цоколь на 2-3 м ниже уровня реки. Аллювиальная толща представлена разнозернистыми песками московского возраста. Поверхность террасы всхолмлена.

Модельным участком выбрана часть территории учебно-опытного лесхоза Брянской государственной инженерно-технологической академии площадью около 30 км2 (рис. 1). Выбор участка обоснован хорошей изученностью геоморфологического строения и почвенного покрова. В геоморфологическом отношении территория разделяется на 2 элемента: это фрагменты 3-ей террасы р. Десна и долины р. Снежеть, представленной 1-ой надпойменной и пойменной террасой. Терраса р. Десна является здесь водоразделом бассейнов притоков Десны Снежети и Свени. Абсолютная высота территории снижается от поверхности террасы Десны (180-190 м) к долине Снежети со средним падением 8,5 м/км в субмеридиональном направлении и 8,0 м/км в субширотном. Рельеф поверхности водораздела и частично террас осложнён дюнами с относительной высотой до 5 м, сформировавшимися в поздневалдайскую эпоху. Почвенный покров, вследствие сложившихся здесь особенностей, отличается разнообразием и пестротой. В пределах территории выделяется 50

почвенных разностей, относящимся к дерновым, подзолистым, дерново-подзолистым, перегнойно-глеевым и торфяникам верхового и низинного. Площадь отдельных участков, занятых почвенными разностями изменяется в пределах от 0,01 до 0,5 км2.

Услосмис ооожимсммя » _ —« '

Н _3л00лммия ГСИТСРРХК» нкии О » » , f

^^~АС<опст>4М> отитом иктнктм 16М70м 7 ft 5 4 3 2 1

ПсмшрСмгогъ * 0 ш т_.

АйССГ*ОГ>«ЛОТ1»Т1*ие<ГНОСГ»* 1M-1Í0U I I С*Л0и ••••••••• д«.

1---- Абсаготмм опмтомиктмос гм 170-175м

-nccauttfexip Смепть |----1 Вадэмют TJWIV4WMC1P д«ш --------- Vo~. c~...ci

*' “ Абсопопдеотштоимстмосп <í/>KCv I----''лесотпмопипямкткпигмях

Модельный участок

Рисунок 1 - Электронная 3d модель Брянского опытного лесничествас прилагаемой к ней схемой модельного участка

Предложен вариант использования цифровой модели SRTM. Модель SRTM (Shuttle Radar Satellite Mission) - цифровая модель рельефа поверхности Земли, полученная в результате работы системы 2-х интерферометров, установленных на борту шаттла Эндевор (полет 11-20 февраля 2000 г.) Rabus et al. Модель получила признание как средство построения цифровых топографических карт, изучения геологического строения поверхности, оценки биомассы сообществ [25]. Средняя горизонтальная и вертикальная точность передачи поверхности Земли для 90 % измерений оценивается соответственно ±20 ми ±16 м [21]. Эмпирически подтверждена зависимость величины ошибки от характера рельефа поверхности и особенностей растительности. Ошибка возрастает для местностей с расчленённым рельефом. Валидация SRTM проведенная на двух ключевых участках в Южной Германии - бассейн р. Траун (Баварские Альпы) с горным расчлененным рельефом и возвышенная равнина Тертиари (район Мюнхена) показала величину ошибки от более 10 м в первом случае и менее 1 м во втором. Величина ошибки зависит в свою очередь от крутизны и уклона поверхности [18]. Ошибки из-за влияния растительности нарастают на лесных участках, что создает определенные сложности в работе с такими территориями [21].

Нами использована версия модели SRTM 3.0 (ссылка на сайт NASA). Обработка модели выполнена программными средствами Global Mapper 11.0 для фрагмента N53E034 в проекции Гаусса-Крюгера (зона 6). С помощью команды «3D-Path Profile» выполнено построение 14 топографических профилей центральной части модельного участка по регулярной ортогонально ориентированной сетке с шагом 500 м (рис.2). Линии профиля проведены, исходя из принципа представления главных элементов рельефа и почвенных разностей участка. Профили 1-5 ориентированы поперек линии водораздела Снежеть-Свень, захватывают склоны южной экспозиции, обращенные к долине Свени и северной экспозиции, обращенные к долине Снежети. Профили 6-7 пересекают только склоны в бассейне Снежети. Профили 8-10 пересекают поверхность водораздела Снежеть-Свень вдоль простирания и захватывают верховья долин притоков этих рек. Профили 11-14 пересекают 1-ую надпойменную террасу р. Снежеть и 3-ю террасу Десны вдоль их простирания. Длина линии профиля составляет 3000 м. Адекватность полученных профилей оценивалась по топографическим картам масштаба 1:25000. Обнаружено общее для всех профилей превышение значений абсолютной высоты, полученной из модели SRTM в сравнении с данными топографической карты. По-видимому, ошибки связаны с влиянием на данные SRTM древесной растительности, которой покрыта территория модельного участка. Вместе с тем расхождения в пространственном положении основных элементов и линий рельефа: водоразделов, тальвегов, бровок склонов находятся в допустимых пределах для решения поставленной задачи. Сопоставление в пространстве границ элементов рельефа и почвенных разностей решалась средствами программы Map Info 9.0. Оцифрованный почвенный план

------мпшт

------ *иЯ"Г» I_I

модельного участка привязывали к системе координат в проекции Гаусса-Крюгера (зона 6). В связи с разнообразием и пестротой почвенного покрова линия профиля трассировалась вручную. Данные о границах почвенных разностей в пределах профиля помещали в отдельную таблицу. Наложение профилей выполняли средствами программы СогеГОга^'.

Профиль 1. Пересекает 3-ю террасу Десны и 1-ю террасу Снежети. Строение водораздела Снежеть-Свень на линии профиля асимметрично - южный склон более пологий с выровненными площадками. Поверхность водораздела осложнена дюнными всхолмлениями. Границы почвенных разностей в основном плохо согласуются с элементами рельефа.

Профиль 2. Пересекает водораздел Снежеть-Свень в его выровненной части. Разница относительных высот не превышает 5 м. На сравнительно плоской поверхности выделено 5 разновидностей почв.

Профиль 3. Пересекает всхолмленный участок водораздела Снежеть-Свень и участок террасы р. Снежеть. Границы почвенных разностей и элементов рельефа относительно независимы в пространстве. Границы одной разности, например, включают целиком крупную дюну длиной около 800 м и относительной высотой до 8 м.

Профиль 4. На большей части представляет склоновую поверхность северной экспозиции с чередованием с чередованием участков разной крутизны. Отмечается увеличение разнообразия почв на относительно крутых участках и снижение на относительно пологих.

Профиль 5. Пересекает плоский участок водораздела Снежеть-Свень и надпойменную террасу р. Снежеть. Участки высокого разнообразия почвенного покрова отмечены как на склонах разной крутизны, так и на выровненной поверхности 3-ей террасы.

Профили 6-7. Пересекают всхолмленные фрагменты 3-ей террасы Десны и надпойменной 1ой террасы Снежети. Разнообразие почв в целом увеличивается на участках с пересеченным рельефом, но эта закономерность не является строгой. При общей схожести облика рельефа линия профиля 6 пересекает 16 почвенных разностей, линия профиля 7-11 почвенной разностей.

Профиль 8. Пересекает всхолмленный участок 3-ей террасы Десны вдоль линии водораздела Снежеть-Свень и верховья долин притоков этих рек. Разнообразие почв в целом увеличивается на крутых участках склонов, верховьях дюн и уменьшается к плоским участкам водораздела. В то же время, при большей крутизне на склоне восточной экспозиции долины притока Свени выделяется одна почвенная разность, на противоположном более пологом, западном - 4 почвенных разности.

Р»о» Рм 6406100 ООО. 1997000 «То Ро* <40<500 000. 5>ХЮОО ООО Ргоо» Ро« 640<000 ООО. 5*97000 ОГГо Ро. 6606000 000. 55*00000 ООО 200 О ю -195 0*

1*00«

Ргоо Рое «405000 ООО. 5897000 0*То Го« <405000 ООО. 5900000 ООО

> 00 кл»

¥*<*» Ро* «О«500 ООО. 5*97000 ОГГо Ро« <404500 ООО. 5900000 ООО

0 5кж 1 Окт 15 кя 20 к»

Ьс* Рое <404000 ООО. 5*97000 ООо Ро* <404000 ООО. 5900000 ООО Иго» ро« <404000 ООО. 5897000 ООо Ро, <407000 000. 5*97000 000

и > "ю У_я» " 1 5 кха ? О кяР

Р(0€> Ро* <404000 ООО. 5897500 ОГГо Го. «07000 ООО. 5397500 ООО ргол р0, 6604000 ООО. 5898000 0<То Ро* <¿07000 ООО. 5898000 ООО

~ ' гг : ~ \г ' * Ггг. Т "г

ЬооРо* «040СС ООО. 5898500 0<То Ро* <607000000.5898500 000 Ьс«Ро* «0*000 ООО. 5899000 0<То Ро* «07000 000.5899000 000

2000в--- ------- - ух. " /V ;- 200

190 а 180

0‘Ь !'Ь'ко" ТТкзп 'Г 2 0 каеТ

5 НО кап

05кяь 1 О Утл I 5Ьп 2 О ко

3 00 кг»

ЬоРм «04000 ООО. 5899500 ОТ» Р»1 «07000 000.5899500 000 Ьс«Р« «0*000 ООО. 5900000ОТ»Р« «07000 000.5900000000

Рисунок 2 - Топографические профили модельного участка. Профили 1-14

Профиль 9. По облику рельефа схож с профилем 8, но отличается невысоким разнообразием почвенных тел. На линии выделяется всего 4 почвенных разности.

Профиль 10. Пересекает покатую поверхность 3-ей террасы, осложнённую верховьями балок открывающимися в долину р Снежеть. Границы почвенных разностей совпадают в пространстве с элементами балочного рельефа, но мало согласуются с элементами поверхности террасы.

Профиль 11. Пересекает изрезанную балками бровку 3-ей террасы. Разнообразие почв увеличивается на участках пересеченного рельефа и сравнительно мало изменяется вдоль простирания поверхности собственно террасы.

Профиль 12. Пересекает вдоль простирания участок террасы р. Снежеть и террасы р. Десна границы геоморфологических элементов резкие. Максимальное разнообразие почв отмечается на площадке надпойменной террасы Снежети, что, в общем, мало объяснимо характером рельефа поверхности.

Профиль 13. Линия следует в основном вдоль надпойменной террасы р. Снежеть. Разнообразие почв невысокое, профиль пересекает границы только 6 почвенных разностей, тогда как только на участке пересечения линией профиля 12 террасы Снежети выделено 8 почвенных

разностей.

Профиль 14. Характер рельефа в целом схож с профилем 13, но отличается существенно большим разнообразием. Линия пересекает границы 14 почвенных разностей.

Визуальный анализ профилей показывает, что разнообразие почв в целом возрастает с увеличением густоты расчлененности рельефа, но закономерность не является строгой. На разнообразие почвенного покрова оказывают влияние по-видимому иные факторы, связанные с особенностями геологического строения, увлажнённости территории и разнообразие растительных ценозов.

Based on detailed analysis of the topographic base of the territory of the Bryansk forest resources program Mapinfo 9.0 An original electronic digital elevation model (DEM) in the 3D. Means the program Global Mapper. Il.i CorelDraw within the model area, build four topographic profiles to identify the dependence of soil cover medley of terrain features.

The key words: terrain, rocks, soil, model profiles.

Список литературы

1. Геоинформатика. Толковый словарь основных терминов. М.: ГИС-ассоциация, 1999. 204 с.

2. Докучаев В.В. Избранные труды / под. Ред. академика Б.Б. Полынова. М.: Изд-во Академии наук, 1949. 644 с

3. Коэ Л., Тикунов B.C., Торп Л. Алгоритмизация создания карт углов наклона // Вестник МГУ. Серия Географическая, 1981. №2 . С. 52-61.

4. Почвенный план опытного лесничества учебно-опытного лесхоза Брянского технологического института Брянской области. Устройство 1975. Масштаб 1:10000.

5. Природные ресурсы и окружающая среда субъектов Российской Федерации. Центральный федеральный округ. Брянская область / Администрация Брянской обл.; под ред. Н.Г. Рыбальского, Е.Д. Самотесова, А.Г. Митюкова. М.: НИИ-Природа, 2007.

6. Миллер Н.С. Геоморфологическое строение Брянской области. Смоленск: НГПИ, 1971. Т. 6. С. 62-74.

7. Соколов Л.А., М.В. Стефуришин Прчвенно-геологические исследования в Брянском опытном лесничестве: к 90-летию образования // Почвоведение, 1997. №5. С. 647-652.

8. Физико-географическое районирование Нечерноземного центра. / Под ред. Гвоздецкого Н А., Жучковой В.К. М.: МГУ, 1963. 451 с.

9. Baker. L. Development of class pedotransfer functions of soil water retention - a refinement. // Geoderma, 2008. V. 144, P. 225-230.

10. Bornvka, L., Mladkova, L., Penizek, V., Drabek, O., Vasat, R. Forest soil acidification assessment using principal component analysis and geostatistics // Geoderma, 2007 V. 140, P. 374-382.

11. Chaplot, V., Walter, C., Curmi, P Testing quantitative soil-landscape models for predicting the soil hydromorphic index at a regional scale // Soil Sci. V. 168, P 445-454.

12. Du, C., Linker, R., Shaviv, A. Identification of agricultural soils using mid-infrared

photoacoustic spectroscopy // Geoderma. 2008. V.143 P. 85-90.

13. Florinsky, I.V., Eilers, R.G., Manning, G.R., Fuller, L.G., 2002. Prediction of soil properties by digital terrain modeling // Environmental Modeling Software, 2002. V. 17, P. 295-311.

14. Grunwald S. Multi-criteria characterization of recent digital soil mapping and modeling approaches// Geoderma, 2009. V. 152. P. 195-207.

15. Gyasi-Agyei, Y., Willgoose, G., de Troch, F.P., 1995. Effects of vertical resolution and map scale of digital elevation models on geomorphological parameters used in hydrology. In: Kalma.

16. J.D., Sivapalan, M. _Eds.., Scale Issues in Hydrological Modeling. Wiley, New York, pp. 121140.

17. Lagacherie P., Voltz, M. Predicting soil properties over a region using sample information from a mapped reference area and digital elevation data: a conditional probability approach. // Geoderma, 2000. V. 97. P. 187-208.

18. Ludwig R., Schneider P. Validation of digital elevation models from SRTM X-SAR for

applications in hydrologic modeling // ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2006. V. 60.

P. 339-358.

19. McBratney A.B., Mendonca Santos M.L., Minasny B. On digital soil mapping // Geoderma, 2003. V. 117. P. 3-52.

20. McBratney, A.B., Odeh, I.O.A., Bishop, T.F.A., Dunbar, M.S., Shatar. T.M., 2000. An overview of pedometric techniques for use in soil survey. Geoderma 97, 293-327.

21. Rabus, B., Eineder, M., Roth, A., Bamler, R. The shuttle radar topography mission — a new class of digital elevation models acquired by spaceborne radar // ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2006. V. 57 (4), P. 241-262.

22. Schob A., Schmidt J, Tenholtern R. Derivation of site-related measures to minimise soil erosion on the watershed scale in the Saxonian loess belt using the model EROSION 3D // Catena, 2006. V. 68. P. 153160.

23 Schulp, C.J.E., Veldkamp, A. Long-term landscape-land use interactions as explaining factor for soil organic matter variability in Dutch agricultural landscapes // Geoderma, 2008. V. 146, P. 457465.

24. Sommer M., Gerke H.H., Deumlich D. Modelling soil landscape genesis - A «time split» approach for hummocky agricultural landscapes // Geoderma, 2008. V. 145. P. 480-493.

25. Sun G., Ranson K.J., Kharuk V.I. , Kovacs K. Validation of surface height from shuttle radar topography mission using shuttle laser altimeter // Remote Sensing of Environment, 2003. Vol. 88 P. 401-411.

26. Thompson J.A., Bell J. C., Butler C.A. Digital elevation model resolution: effects on terrain attribute calculation and quantitative soil-landscape modeling // Geoderma, 2001. V. 100. P. 67-89.

27. Thompson, J.A., Kolka, R.K. Soil carbon storage estimation in a central hardwood forest watershed using quantitative soil-landscape modeling. // Soil Sci. Soc. Am. J, 2005. V. 69. P. 1086-1093.

28. Thompson J. A., Pena-Yewtukhiw E. M., Grove J. H. Soil-landscape modeling across a physiographic region: Topographic patterns and model transportability // Geoderma, 2006. V. 133. P. 5770.

29. Сайт: http://dds.cr.usgs.gov/srtm/version2 1/SRTM3/Eurasia/

Об авторах

Соколов Л.А. - кандидат наук, доцет БГИТА

Лобанов Г.В. - кандидат географических наук, доцент Брянского государственного университета имени академика И.Г.Петровского

Полякова А.В. - аспирант Брянского государственного университета имени академика И.Г. Петровского