ГІС для геоморфологічних досліджень

Геоінформаційні методи вивчення рельєфу передбачають застосування комп’ютерних програм для відображення й аналізу рельєфу. Відомі програми сім’ї ГІС:

• пропрієтарні (платні, потребують ліцензії на використання): ArcGIS for Desktop (США); MapInfo Professional (США); ГИС Панорама;
• вільні (безкоштовні, з відкритими вихідними кодами): GRASS GIS, Quantum GIS (QGIS), SAGA GIS, GvSIG, uDIG GIS.

Однією з функцій, яку виконують геоінформаційні програми і, зокрема, ArcGIS, є двоі тривимірні представлення рельєфу. Двомірне представлення – це відображення поверхні рельєфу у вигляді плоскої моделі у координатних площинах Х та Y. Двомірна модель рельєфу відображена у модулі ArcMap програми ArcGIS у вигляді трикутної нерегулярної мережі з відтіненими схилами, що створює ефект об’єму. Тривимірну модель отримують у просторі X, Y, Z. Цією моделлю можна керувати у модулі ArcScene, якщо задавати азимут огляду, кут нахилу моделі та відстань до спостерігача [10].

Моделі рельєфу у геоінформаційних програмах називають цифровими (подібно до математичних моделей), оскільки вони зображені числовими значеннями. Отримують цифрову модель рельєфу (ЦМР) векторизацією (оцифруванням) горизонталей у робочому вікні геоінформаційної програми і присвоєнням їм значень висот у табличній формі. Кожна горизонталь стає головним компонентом цифрової моделі і формує зовнішній вигляд рельєфу. Її можна заново виділити, редагувати конфігурацію, присвоювати інше значення висот. ЦМР є частиною цифрової моделі місцевості (ЦММ), яка охоплює також оцифровані дороги, квартали лісів, будівлі та інші споруди чи типи використання земель [1].

Через мережу Інтернет одержують готові дані ЦМР, завдяки американській програмі зі сканування земної поверхні, яка має назву SRTM (Shuttle radar topographic mission). Знімання проводили методом радіолокаційної інтерферометрії (radar interferometry) у 2000 р. Дані поширюють квадратами розміром 1×1° всім зацікавленим користувачам. Назва квадрата відповідає розграфленню карти масштабу 1:1 000 000 і задана координатами його лівого нижнього кута. Масштаб утвореної моделі рельєфу становить приблизно 1:75 000.

Моделі рельєфу на підставі SRTM використовують для середньомасштабних досліджень. Для великомасштабних досліджень виконують спеціальні операції зі створення ЦМР. На початку роботи створюють прив’язку карти до географічних координат місцевості, далі виконують векторизацію горизонталей, які записують у вигляді шейп-файла (.shp). Після цього ArcGIS будує об’ємну модель рельєфу. Ця модель відома за назвою DEM – Digital Elevation Model. Однією з реалізацій DEM є система невпорядкованих трикутників, які поєднуючись, формують поверхню рельєфу (рис. 4.9.1). Така система трикутників має назву TIN – Triangular Irregular Network (трикутна нерегулярна мережа). Нерегулярною вона є тому, що розміри трикутників різні залежно від щільності горизонталей [9].

Рис. 4.9.1. TIN, яка відображає форму рельєфу [5]

Крім перетворення векторних даних у TIN, програма виконує класифікацію рельєфу за значеннями його висот (рис. 4.9.2). Кожній градації висот присвоєний певний колір. Збільшенням чи зменшенням кількості класів отримують густішу чи рідшу градацію висот, внаслідок чого зростає чи знижується гіпсометрична деталізація рельєфу. Детальність відображення поверхні рельєфу задають перед класифікацією, виставляючи розміри комірок моделі (cell size) [6].

Рис. 4.9.2. ЦМР, класифікована за відмітками висот

Отримавши TIN, можна оцінити морфометричні показники рельєфу. До таких показників, які можна отримати шляхом аналізу ЦМР, зачисляють:

1. відносне перевищення висот;
2. горизонтальне розчленування рельєфу;
3. крутість схилів або їхній ухил;
4. експозицію схилів;
5. поздовжню та поперечну кривизну контурів;
6. частоту та щільність розміщення об’єктів;
7. форму контурів об’єктів.

Деякі зі зазначених показників отримують автоматично, шляхом перекласифікації ЦМР, інші визначають аналітичним способом. Перекласифікація ЦМР означає групування значень за іншими критеріями, відмінними від попередніх. Такими критеріями, крім значень висот і крутості, є експозиція та кривизна поверхні. Операції виконують командами “Surfase analysis” модуля 3d Analist. Вибираючи зазначені пункти, отримуємо зображення ЦМР у палітрі кольорів, кожен відтінок кольору відповідає крутості схилів (від 0 до 90º), експозиції (від 0 до 360º) чи кривизні (-0,1 ≤ 0 ≤ 0,1). Ухил схилів (у %) обчислюють як відношення висоти перерізу горизонталей до величини їхнього закладення, перпендикулярного ізолінії в заданій точці. Шлях у версії ArcGIS 10.3: ArcToolbox / 3D Analyst Tools / Raster Surface/ Slope (крутість схилів) або Aspect (експозиція).

Горизонтальне розчленування рельєфу в ArcGIS отримують за умови наявності векторизованих тальвегів долинних форм або виокремлених із растру ЦМР. Програма автоматично подає результати через вибір команди у модулі ArcToolBox / Spatial Analyst Tools / Density / Line Density [3].

Для побудови карт порядків водотоків використовують набір інструментів пакета ”Hydrology”, що викликають з програмного комплексу ArcToolbox у модулі Spatial Analyst. Перед тим дані TIN конвертують у модулі 3d Analist у растр-грід, який зберігає значення висот. Будують карту порядків водотоків. Виконують послідовні опереації: “Fill” (заповнення понижень у гріді), “Flow Direction” (напрям стоку для кожного пікселя цифрового зображення), “Flow Accumulation” (акумулятивний потік на основі поверхні ухилу). Перейшовши на команду “Умови” вибирають “Con” і будують чергову карту умов стоку. Далі знову працюють командами ”Hydrology” і задають функцію “Stream Order”. Вона визначає порядок потоків у растровій моделі. На останньому кроці гідрологічного моделювання растрову модель мережі потоків конвертують у векторну (“Stream to Feature”) і для кожного елемента мережі визначають його порядок.

Далі працюють з вибором об’єктів за певними властивостями. Його виконують за допомогою функції Select Layer by Attribute, яка вибирає предмети в одному шарі, просторово пов’язаному з іншим шаром. У вікні “Qery Builder” треба задати значення порядку долини (наприклад, порядок ≥ 4), програма автоматично вибере водотік за зазначеним порядком. За допомогою команди “Copy features” копіюємо вибрані об’єкти в новий клас об’єктів бази геоданих. Перетворюємо лінії на точки вибором “Future to point” для кожного порядку долини. Присвоюємо значення растру кожній точці за допомогою команди “Extract Values to Point”, у вікні якої задаємо вхідний растр – SRTM або tingrid. Отримуємо карту, де є лише лінії певного порядку водотоків, сформовані точками растру з значеннями висот [4].

Вертикальне розчленування рельєфу задають шляхом ArcToolBox / Spatial Analyst Tools / Neighborhood (Cусідство) / Point Statistics.

Відносні перевищення вершин над долинами рік можна обчислити і графічно зобразити за допомогою інструмента “Создать график профиля” модуля 3d Analist. Частоту та густоту розташування об’єктів, форму поверхонь здобувають виконанням вимірювань у просторі ЦМР і подальшими розрахунками за формулами. За відмітками абсолютних висот, зазначених у легенді ЦМР, визначають середню висоту місцевості й амплітуду абсолютних висот.

Умовою обчислень параметрів рельєфу є те, що ЦМР має бути геокодованою, тобто прив’язаною до географічних координат чи кілометрової геодезичної мережі. Тоді у робочому вікні програми вимірювання відбуватиметься не в невідомих величинах – Unknown units (фактично у розмірах величини пікселя екрана), а в реальних одиницях довжини.

Частоту явищ чи об’єктів обчислюють за формулою

Площі поширення об’єктів визначають автоматично, після оконтурювання їх інструментом “Виміряти”.

Щільність розміщення об’єктів обчислюють так:

Показник форми означують словесним способом, без застосування вимірювальних процедур. Важливо виявити відношення вписаних і описаних у цей контур кіл. Визначають також ступінь випуклості чи ввігнутості форм. Задаючи інтервали висот, виділяють структурні лінії рельєфу, такі як лінії ерозійної мережі, вододілів, а також оконтурюють басейни рік [8].

Використовуючи карти порядків водотоків, будують карти базисних поверхонь. В модулі Spatial Analyst у системі команд “Interpolation” вибирають “Natural Neighbor”. Для побудови карти вершинних поверхонь на початку операцій у гріді потрібно конвертувати координату Z в Z-1 за допомогою функції “Raster Calculator” і далі виконувати вищеописані операції з побудови карт порядків водотоків. Характерно, що в різних ГІС-пакетах інструменти аналізу ЦМР рельєфу подібні. Всі пакети обчислюють зазначені вище морфометричні показники рельєфу і наочно подають результати у вигляді карт.

Запитання для самоперевірки знань

1. Що таке цифрова модель рельєфу (ЦМР)? Якими способами її отримують?
2. Які морфометричні показники рельєфу отримують у ГІС?
3. Як будують карти базисних поверхонь у ГІС?

Бібліографія

1. Андрейчук Ю. ГІС в екологічних дослідженнях та природоохоронній справі / Ю.М. Андрейчук, Т.С. Ямелинець. – Львів: “Простір-М”, 2015. – 284 с. – ISBN 978-617-7363-00-1.
2. Байрак Г.Р. Можливості ГІС для відображення характеристик рельєфу і проявів сучасної екзодинаміки / Г.Р. Байрак // Проблеми безперервної географічної освіти і картографії. Зб. наук. праць. – Вип.19. – Харків: ХНУ ім. В.Н. Каразіна, 2014. – С. 3-6.
3. Байрак Г.Р. Методичні прийоми визначення та відображення густоти розчленування рельєфу у середовищі ArcGIS / Г. Байрак // Фізична географія та геоморфологія. Вип. 58. – Київ: ВГЛ “Обрії”, 2010. – С. 137-143.
4. Байрак Г.Р. Построение морфометрических карт средствами ГИС для изучения истории развития Гологоро-Кременецкой гряды / Г.Р. Байрак, Я.С. Кравчук // Геоморфологи: Современные методы и технологии цифрового моделирования рельефа в науках о Земле. – Вып. 6. – Москва: МедиаПРЕСС, 2016. – С. 40-44+4 іл.
5. Геоинформатика: учеб. для студ. вузов / Е.Г. Капралов, А.В. Кошкарев, В.С. Тикунов и др.; под ред. В.С. Тикунова. – Москва: Изд. центр “Академия”, 2005. – 480 с.
6. ДеМерс М.Н. Географические информационные системы / М.Н. ДеМерс. – Москва: Изд-во СП Дата+, 1999. – 491 с.
7. Раклов В.П. Картография и ГИС: Учебное пособие / В.П. Раклов. – Москва: ГУЗ, 2008 – 118 с.
8. Світличний О.О. Основи геоінформатики: навч. посібн. / О.О. Світличний, С.В. Плотницький. – Суми: ВТД “Університетська книга”, 2006. – 295 с.
9. Хромых В.В. Цифровые модели рельефа: учеб. пособие / В.В. Хромых, О.В. Хромых – Томск: ТМЛПресс, 2007. – 178 с.
10. ArcGIS 9. Начало работы. – М.: DATA+, 2004. – 272 с.