АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
В настоящее время весьма актуальной проблемой в научно-исследовательской и образовательной деятельности является применение компьютерных технологий, которые дают возможность освоить передовые методы естествознания и получить практические навыки использования ГИС-технологий.
Район Даховской котловины характеризуется горным рельефом, хорошей обнаженностью горных пород палеозойско-четвертичного возраста, разнообразием природных условий. В течение 50 лет в данном районе проводятся учебные практики студентов геологов, географов и биологов ЮФУ. В этот период было накоплено большое количество материалов в виде текстовых описаний, карт, схем, диаграмм в традиционном бумажном виде, не приспособленных к использованию в ГИС. В связи с этим в настоящее время возникла острая необходимость в преобразовании данных в цифровые форматы, доступные для компьютерных технологий. Наличие таких сведений позволяет создать банк цифровых данных для исследуемой территории.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Основная цель данной работы — исследование лито-генной основы района Даховской котловины и ее влияния на другие природные компоненты с использованием банка ГИС-данных. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:
• Разработать состав и структуру банка ГИС-данных с учетом имеющихся исходных графических и содержательных материалов, а так же программы географической практики.
• Провести сбор картографических и иных фондовых и опубликованных материалов по природным компонентам исследуемой территории, их редактирование и подготовку для преобразования в цифровые форматы.
• Сформировать основу базы ГИС-данных для студентов-географов и геоэкологов, в которую должны быть включены все виды исходных материалов, включая фото-, космо-, аэрофотоснимки, таблицы, графики и диаграммы, составленные специально для формируемого банка ГИС-данных.
• Оцифровать основные базовые карты в различных форматах по крупномасштабной основе, позволяющей использовать модели для детальных полевых наблюдений (1:25 000 — 1:10 000) и среднемас-штабного картирования (1:100 000 — 1:200 000).
• На основе оцифрованных базовых карт рассчитать количественные и качественные данные по следующим картам: геологической, гидросети, глубины и густоты эрозионного расчленения, углов па-клона топографической поверхности, солярной экспозиции.
• Генерализовать электронные модели карт, имеющихся в банке ГИС-данных, совместить отдельные карты и выяснить взаимосвязь основных элементов литогенной основы и ее влияние на другие природные компоненты, выполнить картометрические измерения площадей различных, количественных и качественных характеристик исследуемого района.
• По полученным электронным данным провести исследование литогенной основы района Даховской котловины.
• На основе созданного банка ГИС-данных разработать методическое пособие под названием «Рабочая тетрадь», предназначенную для учебных практик ЮФУ.
ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Объектом исследования яв2 ляется район Даховской межгорной котловины общей площадью 445 км, расположенный в южной части республики Адыгея, и включающий базу практик «Южного Федерального университета».
Для работы с текстовым и графическим материалом использовались следующие компьютерные программы: MS Word и Excel, Easy Trace 7.5, «Нева» и Corel Draw 10−13 версий.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впервые для исследуемого района создан банк цифровых данных, который служит основой для решения учебных и научных задач с использованием ГИС-технологий. Анализ пространственного распространения морфометрических показателей рельефа, основных стратиграфических подразделений и разноосвещенных склонов позволил оценить эффективность применения ГИС при комплексных географических исследованиях. ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ Достоверность научных положений и выводов обеспечивается большим количеством данных, построенных впервые в электронном виде для района учебных практик ЮФУ, включающие электронные карты, а так же атрибутивные данные: графики, диаграммы, таблицы с данными, а также аэро — и космос-нимки изучаемой территории.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. Цифровые материалы, образующие банк данных, используются в учебном процессе геолого-географического и биолого-почвенного факультетов ЮФУ. На основании банка данных опубликована в электронном виде методическое пособие для учебных практик под названием «Рабочая тетрадь», рекомендованная к использованию кафедрой физической географии, экологии и охраны природы и УМК географического отделения. Результаты исследования могут быть задействованы при решении научно-производственных задач южной Адыгеи.
Создание банка цифровых данных для учебной базы практик в числе задач изначально преследует практическую цель обеспечения учебных задач Южного Федерального университета. Цифровые материалы, образующие банк данных, могут уже сейчас использоваться в учебном процессе ряда факультетов «Южного Федерального университета». «Рабочая тетрадь учебных практик» представлена и принята к применению решениями кафедр, а также УМК «Южного Федерального университета». Кроме того, графические материалы, содержащиеся в банке, могут использоваться при решении производственных задач на территории Южной Адыгеи.
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты исследований были представлены на республиканской конференции по ГИС (г. Тула. 2004), региональной конференции (Лиманчик, 2006, 2007), научно — студенческих конференциях «Южного Федерального университета», заседаниях Ученого совета геолого-географического факультета «Южного Федерального университета», а также — кафедры физической географии, экологии и охраны природы. По теме диссертации имеется 6 публикаций и 2 тезиса докладов конференции, в которых изложены основные, в том числе защищаемые положения.
Предметом защиты данной работы является банк цифровых данных, включающий 15 впервые построенных крупномасштабных электронных карт, а также атрибутивные данные в виде текстовых файлов, схем, фотоизображений, всесторонне характеризующих район.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:
• Структура банка данных с использованием ГИС.
• Связи морфометрических характеристик, полученных по картометриче-ским измерениям.
• Влияние литогенной основы на другие природные компоненты и комплексы.
• Применение набора генерализованных карт, созданных на базе электронных моделей при проведении учебных практик.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из пяти глав, введения, заключения и Приложения. Список использованной литературы содержит 106 наименований. Общий объем работы составляет 155 страниц машинописного текста. Работа включает 34 рисунков, 6 диаграмм и 9 таблиц. В Приложении на 23 страницах представлен макет учебного пособия «Рабочая тетрадь» для полевой географической практики.
Диссертационная работа выполнена на кафедре физической географии, экологии и охраны природы «Южного Федерального университета» под руководством доктора географических наук профессора Ю. А. Федорова, которому автор выражает глубокую признательность. В ходе работы над диссертацией автор ощущал помощь и поддержку сотрудников кафедр геолого-географического факультета «ЮФУ» кандидатов г. м. наук доцента A.A. Ищен-ко, доцентов Т. А. Смагиной, B.C. Кутилина, В. И. Денисова, С. Я. Черноусова, Б. В. Талпы, А. Г. Грановского, Д. А. Рубана, зам. декана по информационным технологиям геолого-географического факультета ст. преподавателя C.B. Левченко, которым автор глубоко благодарен.
Диссертационная работа осуществлялась в рамках грантов № 00/6−188 от 30.05.07 по программе развития ФГОУ ВПО «Южный Федеральный университет» на 2007 г. и Гранта президента РФ «Ведущая научная школа РФ» (Гос. науч. шк. № 02.5/5.11.50.49).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В настоящее время преподавание основ ГИС в системе высшего образования закреплено в учебных программах, и уже ведётся во многих ВУЗах России. В печати публикуются результаты работ по тематике ГИС целого ряда университетов страны. Проводятся они также и на геолого-географическом факультете «Южного Федерального университета», где в течение 2002 — 2007 г. г. выполняется работа по формированию банка ГИС-данных для полигона учебных практик, определившая тему данной диссертации.
Основная цель работы — создание банка цифровых данных, необходимых для обеспечения учебных практик на учебной базе ЮФУ в формате, обеспечивающем возможность их использования наиболее популярными отечественными и зарубежными ГИС-программами. Создание такого банка — актуальная, практически важная и довольно трудоёмкая задача, которая не выполнима в рамках одной работы и одним исполнителем. Его создание в полном объёме требует коллективных усилий.
Структура и содержание банка определены исходя из целей и задач учебных практик. Кроме того, они дополнены задачами ГИС — образования. Представленный в работе вариант структуры и содержания банка данных это «максимальный» вариант, который вероятно нуждается в совершенствовании. При этом необходимо участие специалистов соответствующих конкретных направлений наук о Земле.
Основу банка составляют атрибутивный и графический блоки. Атрибутивные данные (в основном компилятивные) получены из различных источников, и представлены в банке в виде текстовых и табличных файлов, обзорных схем, диаграмм. Кроме того, использованы фондовые материалы «Южного федерального университета», опубликованные текстовые данные, а также материалы полевых наблюдений и фотосъёмки автора в процессе учебных практик в 2003 и 2004 г. г.
Природный блок банка обеспечивает всестороннюю характеристику основных компонентов природного комплекса района, и может использоваться как при составлении общих характеристик в отчётах о практике, так и для учебных задач по составлению справочно-содержательных компьютерных блоков. Необходимо отметить, что приведённые в банке данных характеристики основных компонентов природного комплекса не претендуют на окончательный вид и содержание. При постановке учебных задач по созданию справочной базы допустимы и даже желательны требования их редактирования — придания более компактного вида, дополнения новыми данными, схемами, фотоматериалами, а также сведениями, полученными при полевых наблюдениях в процессе практики. Одной из таких задач является пополнение цифрового фотоальбома.
Графическая база включает пакет цифровых карт по компонентам природного комплекса. В качестве исходных материалов использованы топографическая карта М 1: 25 ООО (ГУГК, 1981), геологическая карта района М 1: 25 ООО, а также блок морфометрических карт (карты горизонтального и вертикального расчленения, углов наклона, солярной экспозиции, все в М 1: 25 ООО), построенных автором для формируемого банка данных. Исходные картографические материалы, использованные для банка отредактированы, масштабированы и приведены в удобную для оцифровки форму.
Цифровые карты были созданы на современной компьютерной технике с применением новейших на момент работы графических программных продуктов — Easy Trace 7.5, «Нева», а так же Corel Draw 12 и 13.
Для создания цифровой модели карты топографической поверхности методом «дигитирования по подложке» использовалась топографическая основа в М 1: 25 ООО общей площадью 445 км .
В настоящее время банк данных включает следующие карты: топографическуюгеологического строениягидросетигустоты эрозионного расчлененияглубины эрозионного расчлененияуглов наклона топографической поверхностисолярной экспозиции склонов.
Дополнительно в банк данных включены различные варианты совмещения основных карт: совмещения карт густоты и глубины эрозионного расчленениясолярной экспозиции и углов наклона топографической поверхностигеологического строения и топографической поверхности.
К графической базе данных относятся также аэрои космофотоснимки, представленные в цифровом виде, и «привязанные» к топографической основе.
Проведя ряд вычислительных операций с цифровыми моделями карт, имеющихся в банке ГИС-данных были получены довольно интересные данные, которые отчетливо отражают специфику рельефа исследуемого района.
Литогенная основа оказывает существенное влияние на формирование всех абиогенных и биогенных компонентов. Большая часть территории сложена породами юры (73%). Известняки и мергели верхней юры слагают вершинную часть Скалистого хребта. Нижняя юра слагает склон и дно Даховской котловины. Нижнемеловые (14%) отложения образуют, Пастбищный хребет в северной части района у п. Каменомостский, занимают 10% площади и представлены песками, песчаниками, алевролитами, глинами, гравелитами. В юго-западной части обнажаются протерозойские и палеозойские породы, протерозой (2%) представлен сильно метаморфизированными породами (слюдяные сланцы, гнейсы, амфиболиты). Для палеозоя (7%) характерны метаморфические и интрузивные породы (гранитоиды биотитовые и амфибол-биотитовые, граниты биотитовые двуслюдяные). Верхнеплейстоценовые отложения (7%) распространены лишь по долине рек Белой и Даха в районе ст. Даховская и п. Камме-номостский.
На изучаемой территории преобладает низкогорный рельеф — 75%, сред-негорный — 15%, и возвышенный (долинный) — 10%.
Основными морфометрическими характеристиками рельефа являются углы наклона топографической поверхности, вертикальное и горизонтальное расчленение. На электронной карте углов наклона топографической поверхности.
Даховской котловины выделено 8 градации. Для повышения наглядности составлена более обобщенная карта с раскраской по четырем градациям.
Для водоразделов в центральной и северной части характерны крутые склоны (20−40 градусов), обращенные в сторону долины р. Белой и Даха. Они образуют отдельные полосы и пятна. На Юго-западе у гранитного массива доминируют крутые склоны, а на отдельных приподнятых участках очень крутые. Более крутые склоны характерны для среднегорного рельефа. В нижней части долины р. Белой господствуют пологие склоны.
Густота эрозионного расчленения изменяется от 0,6 до 3,2 км на км. Преобладающая часть территории расчленена слабо (1−2 км на км км) 56% и очень слабо (мене 1 км на км км) 9%. Очень слабое расчленение отмечено южнее п. Камменомостский и севернее ст. Даховская.
Скалистый хребет выделяется средним расчленением и составляет 2−2,6 км на км км2. Отроги Передового хребта отличаются повышенным расчленением от среднего (2.0) до сильного (более 3 км на км км2).
Сильное расчленение наблюдается на правом берегу р. Белой в южной части и достигает 3.2 км на км. Большая часть исследуемой территории (60%) характеризуется мелким расчленением (100−250 м) очень мелкое (26%) отмечается на Западе и востоке района, а также по долинам рек Белой и Даха в районе ст. Даховской и п. Каменомостский. Средняя глубина расчленения (> 250 м) 15% свойственна приподнятым участкам на юго-западе и отдельном участке Скалистого хребта к северу и северо-востоку от ст. Даховской.
Литогенная основа так же влияет на гидрометеорологические показатели. Простирание Скалистого хребта определяет преобладание в Даховской котловине юго-восточных ветров (28%). От Майкопа к Даховской котловине уменьшается скорость ветра от 2,9 до 1,8 м/с. В январе в котловине холоднее на 0,2 градуса, в июле на 0,5 по сравнению с температурой, соответствующей высотному градиенту из-за горно-долинной циркуляции.
В Даховской котловине на высоте 504 м южнее Скалистого хребта количество осадков уменьшается на 83 мм в сравнении с п. Каменномостским, расположенного у северного подножия этого хребта.
Цитологический состав пород, слагающих бассейн реки, влияет на сток наносов (от 240 тыс. т. У Сюковской поляны до 290 тыс. т. у п. Каменномост-кий). Вниз по течению реки в составе наносов уменьшается содержание песка на 6% и ила на 11%, а пыли возрастает на 20%. В составе влекомых наносов снижается содержание гальки на 63% и увеличивается содержание гравия на 13%, а песка на 50%.
Анализ выполненных карт позволил составить структурно-генетическую модель ландшафтов с выделением класса, подклассов, типов и родов.
На основе электронных данных и карт, включённых в банк ГИС-данных учебного полигона, может решаться обширный круг учебных задач. Представляет также интерес анализ этих карт при решении научно — исследовательских и прикладных задач геологического, геоморфологического, почвенно-ботанического и экологического содержания.
Карта солярной экспозиции склонов, построенная в электронном виде, позволяет провести анализ пространственных закономерностей освещенности территории района. Эта информация даёт материал к оценке условий ландшаф-тообразования в отношении их теплообеспеченности за счёт прямой солнечной радиации. В первом приближении количество поступающей прямой солнечной радиации прямо пропорционально продолжительности экспозиции.
Анализ данных выявляет следующие особенности площадного соотношения склонов с различной солярной экспозицией:
• неравномерное распределение склонов в отношении освещенности — с явным преобладанием лишь одной группы — «холодных» склонов — и относительно близкими значениями остальных трёх групп;
• почти двукратное преобладание на данной территории склонов с наименьшей солярной экспозицией над остальными выделенными типами.
Преобладание «холодных» склонов обусловлено, по меньшей мере, двумя причинами. Первая из них — орография рельефа — простирание хребтов, определяющее северо-западное и юго-восточное направление падения противоположных склонов линейных горных массивов.
Важнейшим компонентом ладшафтообразования является наклон топографической поверхности. Очевидно, что этот фактор определяет условия увлажнения, почвообразования и как следствие, формирования растительного покрова. Эти данные в электронно-графическом виде представляет карта углов наклона топографической поверхности.
Пространственный анализ распространения склонов различной крутизны подтверждает его соответствие геолого-литологическому и морфоструктурному строению территории. Так в пределах гранитного массива, занимающего южную часть района, наблюдается довольно равномерное увеличение крутизны к вершинным частям горных хребтов. На остальной территории, имеющей сложное асимметрично-блоковое (куэстообразное) строение, наблюдается явное увеличение площадей пологих склонов с падениями северных румбов, а также увеличение крутых склонов южных румбов.
Результативным является анализ совмещения различных карт, имеющихся в банке данных. Оно в техническом отношении при использовании электронных образов представляет собой простейшую процедуру. В работе был выполнен ряд опытных совмещений отдельных карт. Наиболее очевидный эколо-го-географический смысл имеет анализ совмещения карт солярной экспозиции склонов и углов их наклона.
Особенность процедуры совмещения состоит в том, что число объектов, образующиеся в результате сочетаний контуров исходных карт быстро возрастает. Это хорошо демонстрирует сочетание границ разноосвещенных участков №№ 1 — 4 и наложенных на них границ склонов различной крутизны, показанные на рисунке. Очевидно, что количество возможных вариаций из четырех исходных типов солярной экспозиции и восьми градаций уклонов даёт 32 вариации. В реальности при совмещении карт солярной экспозиции и уклонов поверхности их число в сравнении, например, с картой солярной экспозиции увеличивается в среднем в 2,5 — 3 раза. Таким образом, ландшафтный смысл анализа материалов, включённых в графическую базу данных достаточно очевиден. Дифференциация поверхностей с различной крутизной и солярной экспозицией по существу позволяет приблизиться к выделению ландшафтов. Следуя геофизической концепции эти участки в случае добавления информации о гипсометрическом положении, удовлетворяют требованию выделения типового ландшафта. Получаемые при этом таксоны характеризуются сочетанием различного освещения и уклона. В свою очередь, эти показатели контролируют целый ряд факторов ладшафтообразования.
Впервые созданный для большого района банк цифровых данных является основой для решения учебных и научных задач с использованием ГИС-технологий. Анализ полученных данных позволил выявить и оценить ряд особенностей природного комплекса района, в том числе площадное и пространственное соотношение разноосвещённых склонов, пространственные закономерности эрозионного расчленения и др., а также дать оценку эффективности применения ГИС при ландшафтных исследованиях. Материалы, представленные в банке данных содержат ряд впервые созданных морфометрических карт, которые могут использоваться в научных и научно — прикладных исследованиях Южной Адыгеи.
Цифровые материалы, образующие банк данных, могут уже сейчас использоваться в учебном процессе ряда факультетов «Южного федерального университета».
Перечисленные карты, аэро — и космофотоснимки и другие материалы, имеющиеся в банке данных, собраны в учебное пособие — рабочую тетрадь для учебной практики, макет которой представлен в виде Приложения к данной работе (Подтопта, 2007, www.rsu.ru). Помимо готовых карт тетрадь включает крупномасштабные топоосновы участков детальных исследований, основы для учебных заданий, бланки для построения профилей и т. д. Данный макет ориентирован в основном на учебную географическую практику.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
Подтопта Г. Л. Тезисы докладов II всероссийской школы по компьютерным технологиям и обучающим программам в геологии. РГУ, 1999, с.21−22.
Подтопта Г. Л. Тезисы докладов IV всероссийской школы по компьютерным технологиям и обучающим программам в геологии. РГУ, 2001, с. 1921.
Подтопта Г. Л., А. А. Ищенко. Электронные карты эрозионного расчленения и их геолого-тектоническая интерпретация (район «Никель», Северный Кавказ, Адыгея)//ГИС: новые технологии, данные, области применения — Материалы совещания по ГИС: Тула, 2004, с. 160 -164.
Подтопта Г. Л. Карта солярной экспозиции склонов, созданная при Ростовском Государственном университете для учебного полигона РГУ «Никель» — ГИС-ассоциация. Информационный бюллетень: http://www.gisa.ru/goinforml (54)2006.html, № 2(54), 2006.
Подтопта Г. Л. Карта углов наклона топографической поверхности, её характеристика и область применения — ГИС-ассоциация. Информационный бюллетень: http://www.gisa.ru, 2006.
Подтопта Г. Л., А. А. Ищенко. Ландшафтная интерпретация морфометрических характеристик на основе банка ГИС данных района учебных практик РГУ «Никель» // Ростов-на-Дону: Приложение Известий ВУЗов, № 1,2006, с. 60−67.
Подтопта Г. Л. Использование банка ГИС-данных для района базы учебных практик Ростовского госуниверситета «Никель// Сборник трудов III научно-практической конференции «Экологические проблемы. Взгляд в будущее». Ростов-на-Дону, 2006. С.
Подтопта Г. Л. под ред. д.г.н., проф. Ю. А Федорова и доц. A.A. Ищенко.
Учебно-методическое пособие «рабочая тетрадь», wmv.rsu.ru, с. 21.
Подтопта Г. Л. «Разработка и применение банка ГИС-данных на примере Да-ховской межгорной котловины при Южном Федеральном университете» // Сборник трудов IV научно-практической конференции «Экологические проблемы. Взгляд в будущее». Ростов-на-Дону, 2007. С. 208−211.
