Введение

Анализ рельефа Геоморфометрия, или геоморфометрия (γῆ + μορφή + μέτρον), - это наука и практика измерения характеристик рельефа, формы поверхности Земли и влияния этой формы поверхности на человеческую и природную географию. В нем собраны различные математические, статистические и методы обработки изображений, которые могут быть использованы для количественного определения морфологических, гидрологических, экологических и других аспектов поверхности суши. Общие синонимы геоморфометрии - геоморфологический анализ (после геоморфологии), морфометрия рельефа, анализ рельефа и анализ поверхности земли. Геоморфометрия - это дисциплина, основанная на вычислительных измерениях геометрии, топографии и формы горизонтов Земли, а также их временных изменениях. Это важнейший компонент географических информационных систем (ГИС) и других программных средств для пространственного анализа. Проще говоря, геоморфометрия направлена на извлечение параметров (земли) поверхности (морфометрических, гидрологических, климатических и т. д.). и объекты (водоемы, сети ручьев, рельеф и т.д.) использование входных цифровых моделей поверхности суши (также известных как цифровые модели высоты, DEM) и программного обеспечения для параметризации. Полученные поверхностные параметры и объекты могут затем использоваться, например, для улучшения картографирования и моделирования почв, растительности, землепользования, геоморфологических и геологических особенностей и тому подобного. С быстрым увеличением источников DEM сегодня (и особенно из-за миссии Shuttle Radar Topography Mission и проектов на основе LIDAR) извлечение параметров поверхности земли становится все более привлекательным для многочисленных областей, начиная от точного сельского хозяйства, моделирования ландшафта почвы, климатических и гидрологических приложений до городского планирования, образования и космических исследований. Топография почти всей Земли была сегодня отображена или отсканирована, так что DEM доступны с разрешением 100 м или лучше в глобальном масштабе. Параметры поверхности земли сегодня успешно используются как для стохастического, так и для процессового моделирования, единственным остающимся вопросом является уровень детализации и вертикальная точность DEM.

История

Хотя геоморфометрия началась с идей Бриссона (1808) и Гаусса (1827), область не развивалась сильно до разработки ГИС и DEM наборов данных в 1970-х годах. Геоморфология (которая фокусируется на процессах, которые изменяют поверхность земли) имеет долгую историю как концепция и область исследования, причем геоморфометрия является одной из старейших смежных дисциплин. Геоматика - это более недавно развившаяся поддисциплина, и еще более недавно - концепция геоморфометрии. Это было разработано только недавно с появлением более гибкого и мощного программного обеспечения географической информационной системы (ГИС), а также цифровой модели высоты (DEM) с более высоким разрешением. Это ответ на развитие этой технологии ГИС для сбора и обработки данных DEM (например, дистанционного зондирования, программы Landsat и фотограмметрии). Недавние приложения продолжают интеграцию геоморфометрии с переменными анализа цифрового изображения, полученного с помощью аэрофотосъемки и спутниковой дистанционной съемки. Поскольку треугольная нерегулярная сеть (TIN) возникла как альтернативная модель для представления поверхности местности, были разработаны соответствующие алгоритмы для получения измерений из нее.

Производные градиента поверхности

Из поверхности местности можно получить различные базовые измерения, обычно применяя методы векторного исчисления. Тем не менее, алгоритмы, обычно используемые в ГИС и других программных средствах, используют приблизительные вычисления, которые дают аналогичные результаты за гораздо меньшее время с дискретными наборами данных, чем методы чистой непрерывной функции. Разработано множество стратегий и алгоритмов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Нормальная поверхность и градиент

Поверхностная норма в любой точке на поверхности местности представляет собой векторный луч, который перпендикулярен поверхности. Градиент поверхности - это векторный луч, который касается поверхности в направлении наиболее крутого спуска.

Аспект

Аспект местности в любой точке поверхности - это направление, в котором склон "направлен", или кардинальное направление самого крутого спуска. В принципе, это проекция градиента на горизонтальный наклон. На практике, используя растровую цифровую модель высоты, она приближается с использованием одного из тех же методов приближения частичной производной, разработанных для наклона. Это дает направление в противоположном направлении часовой стрелки, с 0° на востоке.

Освещение/затененный рельеф/аналитическая затенение холма

Еще один полезный продукт, который можно получить из поверхности местности, - это затененное рельефное изображение, которое приближает степень освещенности поверхности от источника света, исходящего из заданного направления. В принципе, степень освещенности обратно пропорциональна углу между нормальным вектором поверхности и вектором освещенности; чем шире угол между векторами, тем темнее эта точка на поверхности. На практике его можно рассчитать из наклона α и аспекта β, по сравнению с соответствующей высотой φ и азимутом θ источника света: полученное изображение редко полезно для аналитических целей, но чаще всего используется в качестве интуитивной визуализации поверхности местности, потому что оно выглядит как освещенная трехмерная модель поверхности.

Добыча топографических объектов

Природные особенности местности, такие как горы и каньоны, часто могут быть распознаны как модели высоты и ее производные свойства. Наиболее основные модели включают в себя места, где резко меняется рельеф местности, такие как вершины (местные максимумы высоты), ямы (местные минимумы высоты), хребты (линейные максимумы), каналы (линейные минимумы) и переходы (пересечения хребтов и каналов). Из-за ограничений разрешения, ориентации оси и определений объектов полученные пространственные данные могут иметь смысл при субъективном наблюдении или параметризации, или, в качестве альтернативы, обрабатываться как нечеткие данные для обработки различных ошибок, способствующих более количественному например, как 70% общей вероятности того, что точка представляет собой вершину горы, учитывая имеющиеся данные, а не образованную догадку для решения неопределенности.

Помощь на местах

Во многих случаях полезно знать, насколько поверхность меняется в каждой местности. Например, может потребоваться различать горные районы и высокие плато, которые имеют высокую высоту, но с разной степенью "прочности". Локальный рельеф ячейки является измерением этой изменчивости в окружающем окружении (обычно ячейки в пределах заданного радиуса), для которого было использовано несколько мер, включая простую статистическую сумму, такую как общий диапазон значений в окружении, интерквантильный диапазон или стандартное отклонение. Для того чтобы фиксировать более тонкие изменения, были разработаны более сложные формулы.

Приложения

Количественный анализ поверхности с помощью геоморфометрии предоставляет различные инструменты для ученых и менеджеров, заинтересованных в управлении земельными ресурсами. Области применения включают:

Биогеография

Во многих ситуациях рельеф может оказывать глубокое влияние на местную среду, особенно в полузасушливых климатах и горных районах, включая хорошо известные эффекты, такие как высотное зонирование и эффект наклона. Это может сделать его значительным фактором в моделировании и картографировании микроклимата, распределении растительности, среде обитания дикой природы и точном сельском хозяйстве.

Гидрология

Из-за того, что вода течет вниз, производные поверхности поверхности местности могут предсказать поток поверхностного потока. Это может быть использовано для построения сетей потоков, разграничения бассейнов дренажа и расчета общего накопления потока.

Видимость

Горы и другие рельефные формы могут блокировать видимость между местами на противоположных сторонах. Прогнозирование этого эффекта является ценным инструментом для применения в таких разнообразных областях, как военная тактика и определение местоположения клеток. Общие инструменты в программном обеспечении для анализа местности включают вычисление видимости линии обзора между двумя точками и создание раздела обзора, области всех точек, которые видны с одной точки.

Земляные работы

Многие строительные проекты требуют значительных изменений поверхности местности, включая как удаление, так и добавление материала. Моделируя текущую и проектируемую поверхность, инженеры могут рассчитать объем разрезов и заполнений и предсказать потенциальные проблемы, такие как устойчивость наклона и потенциал эрозии.

Геоморфометрики

Как относительно новая и неизвестная отрасль ГИС, тема геоморфометрии имеет несколько "известных" первопроходцев, как и в других областях, таких как гидрология (Роберт Хортон) или геоморфология (Г. К. Гилберт). В прошлом геоморфометрия использовалась в широком спектре исследований (в том числе в некоторых высокопрофильных геоморфологических работах ученых, таких как Эванс, Леопольд и Вулман), но только недавно практикующие специалисты ГИС начали интегрировать ее в свою работу. Тем не менее, он все чаще используется исследователями, такими как Энди Тернер и Джозеф Вуд.

Международные организации

Крупные учреждения все чаще разрабатывают геоморфометрические приложения на основе ГИС, одним из примеров является создание программного пакета на основе Java для геоморфометрии в сотрудничестве 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 доступными в настоящее время являются онлайн-библиотека геоморфометрических ресурсов в сотрудничестве с Университетом Лидса и лекции и практические курсы, проводимые в рамках более широких модулей ГИС, наиболее полные в настоящее время предлагаются в Университете Британской Колумбии (под наблюдением Брайана Клинкенберга) и в Университете Далхаузи.