Геоморфометрия

Для более широкого освещения этой темы см. Пространственный анализ .

Геоморфометрия , или геоморфометрия ( древнегреческий : γῆ , латинизированный : gê , букв.   «земля» + древнегреческий : μορφή , латинизированный : morphḗ , букв.   «форма», + древнегреческий : μέτρον , романизированный : métron , букв.   «мера» '), — это наука и практика измерения характеристик местности , формы поверхности Земли и влияния этой формы поверхности на человеческую и природную географию. Он объединяет различные математические, статистические методы и методы обработки изображений, которые можно использовать для количественной оценки морфологических, гидрологических, экологических и других аспектов поверхности суши. Обычными синонимами геоморфометрии являются геоморфологический анализ (после геоморфологии ), морфометрия местности , анализ местности и анализ поверхности суши . Геоморфометрия — это дисциплина, основанная на вычислительных измерениях геометрии , топографии и формы горизонтов Земли , а также их временных изменений. Это основной компонент географических информационных систем (ГИС) и других программных инструментов пространственного анализа.

Проще говоря, геоморфометрия направлена ​​на извлечение параметров поверхности (морфометрических, гидрологических, климатических и т. д.) и объектов (водоразделов, сетей ручьев, форм рельефа и т. д.) с использованием входной цифровой модели поверхности суши (также известной как цифровая модель рельефа , DEM). и программное обеспечение для параметризации. Извлеченные параметры поверхности и объекты затем можно использовать, например, для улучшения картографирования и моделирования почв, растительности, землепользования, геоморфологических и геологических особенностей и т.п.

В связи с быстрым увеличением количества источников ЦМР сегодня (и особенно благодаря миссии «Шаттл» по радиолокационной топографии и проектам на основе лидара ), извлечение параметров земной поверхности становится все более и более привлекательным для многочисленных областей, начиная от точного земледелия , моделирования почвенно-ландшафтного ландшафта и т. д. климатические и гидрологические применения в городском планировании, образовании и космических исследованиях. Топография . почти всей Земли сегодня была получена или отсканирована, так что ЦМР доступны с разрешением 100 м или выше в глобальном масштабе Параметры земной поверхности сегодня успешно используются как для стохастического, так и для процессного моделирования, единственной остающейся проблемой является уровень детализации и вертикальная точность ЦМР.

История

Хотя геоморфометрия началась с идей Бриссона (1808 г.) и Гаусса (1827 г.), эта область не получила большого развития до тех пор, пока в 1970-х годах не были разработаны наборы данных ГИС и ЦМР.

Геоморфология (которая фокусируется на процессах, изменяющих поверхность суши) имеет долгую историю как концепция и область исследований, причем геоморфометрия является одной из старейших смежных дисциплин. Геоматика — это субдисциплина, возникшая сравнительно недавно, и еще более поздней является концепция геоморфометрии. Это было разработано лишь недавно, поскольку появилось более гибкое и функциональное программное обеспечение географической информационной системы (ГИС), а также цифровая модель рельефа (DEM) с более высоким разрешением. Это ответ на развитие технологии ГИС для сбора и обработки данных DEM (например, дистанционного зондирования , программы Landsat и фотограмметрии ). Последние приложения включают интеграцию геоморфометрических данных с переменными анализа цифровых изображений, полученными с помощью дистанционного зондирования с воздуха и спутников . Поскольку триангулированная нерегулярная сеть в качестве альтернативной модели представления поверхности местности возникла (TIN), были разработаны соответствующие алгоритмы получения на ее основе измерений.

Градиент поверхности. Производные

См. также: Градиент поверхности.

На поверхности местности можно получить множество основных измерений, обычно применяя методы векторного исчисления . Тем не менее, алгоритмы, обычно используемые в ГИС и другом программном обеспечении, используют приблизительные вычисления, которые дают аналогичные результаты за гораздо меньшее время с дискретными наборами данных, чем методы чистых непрерывных функций. Было разработано множество стратегий и алгоритмов, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Нормаль поверхности и градиент

Поверхность с образцом векторов нормалей

Основные статьи: Нормаль (геометрия) и Градиент

в Нормаль к поверхности любой точке поверхности местности представляет собой векторный луч, перпендикулярный поверхности. Градиент поверхности ( $\nabla f$) — векторный луч, касательный к поверхности в направлении наибольшего крутого спуска.

Склон

Геометрия расчета уклона

Основная статья: Оценка (уклон)

Уклон или уклон — это мера того, насколько крута местность в любой точке поверхности, отклоняющейся от горизонтальной поверхности. В принципе, это угол между вектором градиента и горизонтальной плоскостью, заданный либо как угловая мера α (обычно в научных приложениях), либо как отношение $p={\frac {rise}{run}}$, обычно выражаемый в процентах, например, p = tan α . Последний обычно используется в инженерных приложениях, таких как строительство дорог и железных дорог.

Получение уклона на основе растровой цифровой модели рельефа требует расчета дискретной аппроксимации производной поверхности на основе высоты ячейки и окружающих ее ячеек, и было разработано несколько методов. Например, метод Хорна, реализованный в ArcGIS , использует высоту ячейки и ее восьми непосредственных соседей, отстоящих друг от друга на размер ячейки или разрешение r :

и северо-запад	eв	и северо-восток
Вон тот	е 0	и Е
по ПО	eесть	eэто

Частные производные затем аппроксимируются как средневзвешенные различия между противоположными сторонами:

${\frac {\partial z}{\partial x}}\approx {\frac {e_{NE}+2e_{E}+e_{SE}-e_{NW}-2e_{W}-e_{SW}}{8r}}$

${\frac {\partial z}{\partial y}}\approx {\frac {e_{NE}+2e_{N}+e_{NE}-e_{SW}-2e_{S}-e_{SW}}{8r}}$

Затем наклон (в процентах) рассчитывается с использованием теоремы Пифагора :

$\tan \alpha ={\sqrt {({\frac {\partial z}{\partial x}})^{2}+({\frac {\partial z}{\partial y}})^{2}}}$

Вторую производную поверхности (т. е. кривизну) можно получить с помощью аналогичных вычислений.

Аспект

Основная статья: Аспект (география)

Аспект местности в любой точке поверхности — это направление, в котором «обращается» склон, или кардинальное направление самого крутого спуска. По сути, это проекция градиента на горизонтальный уклон. На практике при использовании растровой цифровой модели рельефа она аппроксимируется с использованием одного из тех же методов аппроксимации частной производной, разработанных для уклона. Тогда аспект рассчитывается как:

$\tan \beta ={\frac {\frac {\partial z}{\partial y}}{-{\frac {\partial z}{\partial x}}}}$

Это дает направление против часовой стрелки, с 0° на востоке.

Другие производные продукты

Освещенность/Затененный рельеф/Аналитическая отмывка холмов

Заштрихованная карта рельефа Нью-Джерси

Основная статья: Картография местности § Затененный рельеф

Еще одним полезным продуктом, который можно получить из поверхности местности, является затененное изображение рельефа , которое аппроксимирует степень освещенности поверхности источником света, приходящим с заданного направления. В принципе, степень освещенности обратно пропорциональна углу между вектором нормали к поверхности и вектором освещенности; чем шире угол между векторами, тем темнее эта точка на поверхности. На практике его можно рассчитать по наклону α и аспекту β по сравнению с соответствующей высотой φ и азимутом θ источника света:

$i=\cos \phi \cos \alpha +\sin \phi \sin \alpha \cos(\theta -\beta )$

Полученное изображение редко бывает полезным для аналитических целей, но чаще всего используется в качестве интуитивной визуализации поверхности местности, поскольку оно выглядит как освещенная трехмерная модель поверхности.

Извлечение топографических объектов

Естественные особенности местности, такие как горы и каньоны, часто можно распознать как закономерности высоты и ее производные свойства. Самые основные закономерности включают в себя места, где рельеф местности резко меняется, например пики (локальные максимумы высот), ямы (локальные минимумы высот), хребты (линейные максимумы), каналы (линейные минимумы) и перевалы (пересечения хребтов и каналов). .

Из-за ограничений разрешения , ориентации оси и определения объектов полученные пространственные данные могут иметь значение при субъективном наблюдении или параметризации или, альтернативно, обрабатываться как нечеткие данные для более количественной обработки различных вносящих ошибок - например, как общая вероятность 70%. точки, представляющей вершину горы, с учетом имеющихся данных, а не обоснованного предположения, позволяющего справиться с неопределенностью.

Местная помощь

Во многих приложениях полезно знать, насколько поверхность варьируется в каждой локальной области. Например, может возникнуть необходимость различать горные районы и высокие плато, оба из которых имеют большую высоту, но с разной степенью «пересеченности». Локальный рельеф ячейки — это измерение этой изменчивости в окружающей окрестности (обычно в ячейках в пределах заданного радиуса), для чего использовалось несколько показателей, включая простую сводную статистику, такую ​​​​как общий диапазон значений в окрестности, межквантильный диапазон, или стандартное отклонение. Также были разработаны более сложные формулы для учета более тонких вариаций.

Приложения

Количественный анализ поверхности посредством геоморфометрии предоставляет разнообразные инструменты для ученых и менеджеров, заинтересованных в управлении земельными ресурсами. Области применения включают в себя:

Ландшафтная экология

Основная статья: Ландшафтная экология

Склоновый эффект растительности различен на склонах северной и южной экспозиции.

Биогеография

Основная статья: Биогеография

Во многих ситуациях рельеф может оказывать глубокое влияние на местную окружающую среду, особенно в полузасушливом климате и горных районах, включая такие хорошо известные эффекты, как высотная поясность и эффект наклона . Это может сделать его важным фактором в моделировании и картировании микроклимата , распределения растительности , среды обитания диких животных и точного земледелия .

Гидрология

Основная статья: Гидрология поверхностных вод

Благодаря тому простому факту, что вода течет вниз по склону, производные от поверхности местности могут предсказать течение поверхностного потока. Это можно использовать для построения речной сети, разграничения водосборных бассейнов и расчета общего накопления стока.

Видимость

Основные статьи: Viewshed и анализ Viewshed

Горы и другие формы рельефа могут блокировать видимость между локациями на противоположных сторонах. Прогнозирование этого эффекта является ценным инструментом для таких разнообразных приложений, как военная тактика и определение местоположения сотовых станций . Общие инструменты в программном обеспечении для анализа местности включают вычисление видимости по прямой видимости между двумя точками и создание зоны обзора — области всех точек, которые видны из одной точки.

Карта с изображением выемок и засыпок строительной площадки.

Земляные работы

Основная статья: Земляные работы (инжиниринг)

Многие строительные проекты требуют существенной модификации поверхности местности, включая удаление и добавление материала. Моделируя текущую и проектируемую поверхность, инженеры могут рассчитать объем выемок и насыпей, а также спрогнозировать потенциальные проблемы, такие как устойчивость склонов и потенциал эрозии.

Геоморфометристы

Будучи относительно новой и неизвестной отраслью ГИС, тема геоморфометрии имеет мало «знаменитых» пионеров, как и в случае с другими областями, такими как гидрология ( Роберт Хортон ) или геоморфология ( Г.К. Гилберт). ). В прошлом геоморфометрия использовалась в широком спектре исследований (включая некоторые громкие статьи по геоморфологии таких ученых, как Эванс, Леопольд и Вулман), но только недавно специалисты по ГИС начали интегрировать ее в свою работу. Тем не менее, его все чаще используют такие исследователи, как Энди Тернер и Джозеф Вуд.

Международные организации

Крупные учреждения все чаще разрабатывают геоморфометрические приложения на основе ГИС, одним из примеров является создание пакета Java для геоморфометрии на основе программного обеспечения совместно с Университетом Лидса .

Обучение

Академические учреждения все чаще выделяют больше ресурсов на обучение геоморфометрии и специальные курсы, хотя в настоящее время они все еще ограничены несколькими университетами и учебными центрами. Наиболее доступные в настоящее время включают онлайн-библиотеку ресурсов по геоморфометрии совместно с Университетом Лидса, а также лекции и практические занятия, проводимые в рамках более широких модулей ГИС, наиболее полные в настоящее время предлагаются в Университете Британской Колумбии (под руководством Брайана Клинкенберга) и в Далхаузи. Университет .

Программное обеспечение для геоморфометрии/геоморфометрии

Следующее компьютерное программное обеспечение имеет специализированные модули или расширения для анализа местности (перечислены в алфавитном порядке):

• МЫ МОЛИМСЯ
• ArcGIS (расширение Spatial Analyst)
• ТРАВЯНАЯ ГИС (r.param.scale, r.slope.aspect и т. д.)
• ИЛВИС
• ЛандСерф
• SAGA GIS (модули анализа местности)
• Инструменты геопространственного анализа Whitebox (модули анализа местности, анализа LiDAR, гидрологических инструментов и анализа сети водотоков)

См. также

• Цифровая модель рельефа — трехмерные компьютерные изображения и измерения местности. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• География – Изучение земель и жителей Земли.
• Геоматика - дисциплина географических данных.
• Геометрия – Отдел математики
• Географическая информационная система - система для сбора, управления и представления географических данных.
• Геоморфология - Научное изучение форм рельефа.
• Формы рельефа — особенности твердой поверхности планетарного тела. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Программа Landsat - американская сеть спутников наблюдения за Землей для международных исследовательских целей.
• Морфометрия – количественное исследование размера и формы. Страницы с краткими описаниями целей перенаправления.
• Фотограмметрия – проведение измерений с помощью фотографии.
• Дистанционное зондирование - получение информации на значительном расстоянии от объекта.
• Научное моделирование - научная деятельность по созданию моделей.
• Топография - Изучение форм земной поверхности.

Дальнейшее чтение

• Марк, Д.М. (1975) Геоморфометрические параметры: обзор и оценка «Географические анналы», 57, (1); стр. 165–177
• Миллер К.Л. и Лафламм Р.А. (1958): Теория и применение цифровой модели местности . Лаборатория фотограмметрии Массачусетского технологического института.
• Пайк, Р.Дж. Геоморфометрия – прогресс, практика и перспективы . Приложение к журналу геоморфологии, том 101 (1995): 221–238.
• Пайк, Р.Дж., Эванс, И., Хенгль, Т., 2008. Геоморфометрия: краткое руководство. Архивировано 3 марта 2016 г. в Wayback Machine . В: Геоморфометрия - концепции, программное обеспечение, приложения , Хенгль Т. и Ханнес И. Рейтер (ред.), Серия «Развития в почвоведении», том. 33, Elsevier, стр. 3–33, ISBN   978-0-12-374345-9
• Хенгль, Томислав; Рейтер, Ханнес И., ред. (2009). Геоморфометрия: концепции, программное обеспечение, приложения . Амстердам: Эльзевир. ISBN  978-0-12-374345-9 .

Внешние ссылки

• www.geomorphometry.org – некоммерческое объединение исследователей и экспертов.
• Обширный обзор библиографии литературы по геоморфометрии Ричарда Дж. Пайка (отчет 02-465).
• [2] - Университет Лидса - факультет географии, домашняя страница геоморфометрии.
• [3] - пример геоморфометрических результатов, разработанных Университетом Лидса, с параметрами, основанными на обработке и разрешении.
• [4] - Университет Британской Колумбии - географический факультет.
• [5] - Университет Далхаузи - модуль геоморфологии и эволюции ландшафта.