Зольников И.Д.   Лямина В.А.   Глушкова Н.В.   Смоленцева Е.Н.   Королюк А.Ю.  

Использование ГИС и ДДЗЗ при картографировании геолого-геоморфологических объектов (на примере Чуйской котловины)

Докладчик: Лямина В.А.

При исследовании природных систем какой-либо территории мы зачастую имеем дело с пространственной неоднородностью геолого-геоморфологической основы ландшафтов. В значительной степени она обусловлена существованием полигенетических типов четвертичных отложений, наряду с простыми генетическими типами. Нередко простые генетические типы объединяются в полигенетические комплексы отложений и рельефа. В таких случаях возникают проблемы выделения и разграничения в пространстве сложных геолого-геоморфологических образований, обуславливающих наличие пестрых, мозаичных природно-территориальных комплексов. Особенно остро такие проблемы встают при использовании Данных Дистанционного Зондирования Земли из космоса (ДДЗЗ) для картографирования рельефа, четвертичных отложений, ландшафтов. В работе рассматривается применение технологий ГИС и ДЗ для анализа гетерогенных комплексов четвертичных отложений и рельефа.
В практике научно-исследовательских и съемочных работ компьютерное картографирование геолого-геоморфологических объектов чаще всего проводится вручную путем векторной оцифровки по растровым подложкам - цифровым моделям рельефа, растровым топокартам, аэро и космоснимкам. Ручная оцифровка вносит значительную долю субъективности в картографические материалы, создаваемые на основе ДДЗЗ. Использование технологий автоматической обработки растровых изображений в случаях со сложно организованными природно-территориальными комплексами вызывает затруднения в связи с неоднозначностью проведения границ между внутренне неоднородными выделами, представляющими собой области мозаичного распределения пикселей, существенно различающихся по яркости спектров. Аналогичные проблемы возникают при анализе цифровых моделей рельефа (ЦМР), полученных на основе спутниковой съемки из космоса. Нами предпринята попытка использования космических снимков мелкого (MODIS) и среднего (Landsat) пространственного разрешения, а также ЦМР на основе Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) для анализа и картографирования комплексов четвертичных отложений и рельефа разной сложности.
Территорией исследования для апробации технологического подхода выбрана Чуйская высокогорная котловина в Горном Алтае. Данный выбор обусловлен тем, что Чуйская котловина расположена в межгорной впадине, ограниченной горными хребтами, массивами и плато. Поэтому она является достаточно автономной в морфолитогенетическом и ландшафтном аспектах территорией, имеет конечный и вместе с тем довольно разнообразный набор природно-территориальных комплексов (ПТК). Кроме того, исключение из геоинформационного анализа горного обрамления Чуйской степи позволяет снизить эффект влияния угла наклона и экспозиции склонов на отраженный от земной поверхности сигнал в связи со слабой расчлененностью рельефа. На этой территории на протяжении нескольких лет сотрудниками ЦСБС, ИПА, ИГМ СО РАН проводились комплексные междисциплинарные экспедиции. В результате наземных исследований и сбора данных была разработана унифицированная система многопараметрической характеристики ландшафтов, включающая описание геолого-геоморфологического строения, почв и растительности [1, 2]. Особое внимание уделялось индикаторным признакам, играющим ключевую роль в формировании спектральных характеристик космоснимков. Таким образом, исследуемая территория в достаточной мере обеспечена натурными полевыми наблюдениями для верификации результатов обработки ДДЗЗ.
Разработанная технология реализована на базе программных пакетов ENVI и ArcGIS, с использованием космических снимков различного пространственного разрешения (QuickBird, Landsat, SPOT, MODIS) и ЦМР (SRTM, ASTER) на различных эталонных полигонах Западной Сибири. В статье обсуждаются конкретные результаты, полученные в результате обработки ДДЗЗ мелкого и среднего разрешения: Landsat, MODIS, SRTM. Комплексная технология состоит из нескольких этапов.
1) Анализ ЦМР. Цифровые модели рельефа для Чуйской степи были построены на основе SRTM в двух вариантах: среднего пространственного разрешения с шагом сетки 30 м (соответствие космоснимку Landsat) и мелкого пространственного разрешения с шагом сетки 500 м (соответствие космоснимку MODIS). На их основе были получены морфометрические классификации территории, как для обзорного, так и для среднемасштабного уровня.
2)Анализ спектральных характеристик космоснимков. Для анализа использовались следующие каналы Landsat (1-5, 7) и следующие каналы MODIS (1-7, исключая канал 3, поскольку он имеет дефекты). На основе комплексных характеристик баз геоданных были сформированы спектральные библиотеки на территорию Чуйской степи с эталонными спектрами типовых геолого-геоморфологических объектов. Затем, на основе обучения по эталонным участкам была сделана управляемая классификацией методом максимального правдоподобия. Верификация результатов обработки цифровых изображений была проведена с использование данных наземных наблюдений из баз геоданных.
3)Картографирование гомогенных и гетерогенных геолого-геоморфологических выделов. Картографирование геолого-геоморфологических объектов осуществлялось от общего к частному. Сначала картографировались крупные выделы, проявившиеся в спектральных и морфометрических характеристиках ДДЗЗ обзорного уровня (ЦМР и космоснимок MODIS), затем более детальные выделы по результатам классификаций ДДЗЗ среднего пространственного разрешения (ЦМР и космоснимок Landsat). На обзорном уровне в результате генерализации геолого-геоморфологических характеристик местности выделились преимущественно гомогенные области, а на среднемасштабном – увеличилось число выделов и многие из них приобрели гетерогенный характер. В результате статистического анализа были выделены типовые сочетания элементарных выделов (с характерными диапазонами спектральных и морфометрических признаков), формирующие гетерогенные области. Для выявления границ между геолого-геоморфологическими объектами сложного состава использовались плотностные сетки, позволяющие учесть территориальное изменение удельного площадного содержания элементарных выделов, составляющих сложные природно-территориальные комплексы.
При анализе ЦМР мелкого пространственного разрешения ярко проявились морфоструктурные особенности Чуйской котловины, обусловленные спецификой ее неотектонического развития. Сочетание анализа спектров и морфометрических показателей по ДДЗЗ мелкого пространственного разрешения позволило выявить новые морфоструктурные особенности территории, которые не выделялись ранее ни при геологической съемке масштаба 1 : 200 000, ни при геоморфологическом анализе топографических бумажных карт. Отчленились друг от друга по морфометрическим и спектральным характеристикам коллювиальные комплексы эрозионных останцов на днище и средне-пологих склонов на бортах котловины; пологие делювиально-пролювиальные шлейфы; гляциокомплексы, аллювиальные и озерные равнины.
При переходе на среднемасштабный уровень исследований некоторые геолого-геоморфологические объекты, выделенные как однородные области по морфометрическим и спектральным характеристикам на ДДЗЗ мелкого пространственного разрешения, приобрели гетерогенный характер. Так, природно-территориальный комплекс на моренном цоколе, имевший на мелкомасштабном уровне северо-восточные азимуты падения, при переходе на среднемасштабный уровень распался на мозаику эталонных площадок северо-восточной и восточной экспозиции. Такая пестрота элементарных площадок пологой озерной равнины обусловлена унаследованностью погребенного ледникового палеорельефа, позднее выровненного озерной деятельностью.
Другим примером гетерогенного ПТК на среднемасштабном уровне является аллювиальный комплекс. На ЦМР аллювиальная долина представлена на мелкомасштабном уровне крупным выделом северо-западного простирания, при этом в северной ее части выделяются области западного простирания ограничивающие древнюю долину. На уровне среднемасштабного пространственного разрешения, также как и на обзорном, по комбинаторике морфометрических признаков более молодая северо-западная часть долины р. Чуя отчетливо отделяется от юго-восточной. Эта граница также проявлена и на космических снимках линейной границей пойменного аллювия. Сопряженный анализ морфометрических и спектральных характеристик позволил выявить некоторые, скрытые до сих пор морфоструктурные особенности территории, а также закартографировать наиболее типичные гомогенные и гетерогенные комплексы четвертичных отложений и рельефа.
В результате проведенных исследований разработана комплексная технология картографирования геолого-геоморфологических объектов на основе обработки ДДЗЗ, которая может быть использована как для составления схем геолого-геоморфологической основы ландшафта, так и для морфоструктурных геоморфологических карт, а также для карт четвертичных отложений. Оригинальными компонентами новой методики являются сопряженный анализ ЦМР и мультиспектральных космоснимков мелкомасштабного и среднемасштабного пространственного разрешения, использование плотностных сеток для оконтуривания границ распространения гетерогенных полигенетических комплексов четвертичных отложений и рельефа. Использование баз геоданных с унифицированным междисциплинарным описанием эталонных участков (рельеф, геология, почвы, растительность) позволяет верифицировать результаты обработки ДДЗЗ. Разработанная технология позволяет выявлять морфоструктурные и морфоскульптурные особенности геолого-геоморфологического строения территории, которые не фиксируются на топокартах и натурными наблюдениями на дневной поверхности.

Литература

1. Добрецов Н.Н., Зольников И.Д., Королюк А.Ю., Мистрюков А.А., Смоленцев Б.А., Смоленцева Е.Н., Мартысевич У.В., Макунина Н.И., Мальцева Т.В. Разработка системы комплексного описания полигонов для интерпретации данных космической съемки // Сибирский экологический журнал. - 2005. - № 6. - С. 1031-1038.
2. Зольников И.Д., Королюк А.Ю., Смоленцева Е.Н., Лямина В.А., Добрецов Н.Н., Мартысевич У.В. Разработка и составление базы геоданных для картографирования и моделирования наземных экосистем средствами ГИС и ДЗ на примере Чуйской степи Горного Алтая // Сибирский экологический журнал. 2010, № 2, С. 209-220.


К списку докладов