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 , латинизированный : 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 СЗ	eв	и северо-восток
Вон тот	e 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 множество инструментов 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

Из-за того простого факта, 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):

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

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.