Определение характеристик водосбора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Физико-географическое описание района

1.1 Общегеографическое положение

1.2 Рельеф

1.3 Геологическое строение

1.4 Климат

1.5 Почвы и растительность

1.6 Общая характеристика гидрографической сети

2. Описание используемых методов

2.1 Определение ЦМР

2.2 Использование данных SRTM

2.3 Характеристика используемого программного обеспечения

2.4 Порядок работы при определении морфометрических характеристик

2.5 Порядок работы при определении гидрографических характеристик

3. Расчеты и анализ результатов

3.1. Общее описание существующих гидрологических характеристик

3.2 Определение морфометрических характеристик

3.3 Определение гидрографических характеристик

Заключение

Список литературы

морфометрический водосбор гидрографический программный



Введение

Данная курсовая работа посвящена разбору и анализу использования цифровых моделей рельефа для определения морфометрических характеристик водосбора, в частности его площади, уклона, средней высоты, а также анализу использования современного ПО для определения гидрографических характеристик водосбора. Данная тема довольно актуальна, так как в наше время компьютерные технологии все больше применяются при решении различных географических задач.

Компьютерные возможности вкупе со спутниковыми данными позволяют решать в частности и проблемы гидрологии. Таким образом, современные методы значительно облегчают и ускоряют процессы определения морфометрических и гидрографических характеристик водных объектов.

Цель представленной курсовой работы - дать оценку точности определения морфометрических характеристик водосбора с помощью цифровых моделей рельефа, а также оценить возможность применения настольного ПО для определения гидрографических характеристик. Задачи, которые необходимо выполнить:

­ Выбрать подходящий для изучения водосбор на территории России

­ Составить список водомерных постов, лежащих в пределах рассматриваемого района, для получения данных о водных объектах из гидрологических ежегодников и ОГХ

­ Подобрать подходящую для рассматриваемого района цифровую модель рельефа из перечня доступных для определения расчетов морфометрических характеристик бассейна

­ Подобрать качественные спутниковые снимки для определения гидрографических характеристик бассейна

­ Произвести расчеты площади, уклона, средней высоты водосбора с помощью ГИС-технологий

­ Определить такие гидрографические характеристики, как залесённость, озерность, долю урбанизированных территорий

­ Сравнить полученные результаты расчетов с данными ежегодников и ОГХ, дать оценку точности определения рассматриваемых характеристик.



1. Физико-географическая характеристика

1.1 Общегеографическое положение

Рассматриваемая территория расположена в пределах Русской равнины между 61^о13' и 52^о16' с.ш. и 31^о59' и 48^о00' в.д. Протяженность ее с севера на юг 1000 км, с востока на запад 900 км, занимаемая площадь 604 тыс. км². Район охватывает бассейн р. Волги до г. Чебоксары, большая его часть расположена в лесной зоне и только южная - в лесостепной. На севере граница проходит по водоразделу с бассейнами рек Онеги и Северной Двины, на западе - с бассейнами рек Волхова, Западной Двины и Днепра, на востоке - с бассейном р. Вятки и правобережных притоков р. Волги и на юге - с бассейном р. Дона. По административному делению территория включает Ярославскую, Костромскую, Ивановскую, Нижегородскую, Московскую, Владимирскую, Калужскую, Рязанскую области, республику Мордовию, а также юго-восточную часть Ленинградской, восточную Новгородской, западную Вологодской, восточную часть Смоленской, большую часть Тульской, северо-западную часть Ульяновской, большую часть Орловской и Пензенской, северо-восточную часть Тамбовской областей, западную часть республик Марий Эл и Чувашия.

1.2 Рельеф

Поверхность в общем равнинной территории района представляет собой чередование низменных равнин и возвышенностей с колебанием абсолютных отметок в пределах 100-300 м. На формирование рельефа большое влияние оказало геологическое строение и тектонические особенности Русской платформы. Основная часть рассматриваемой территории еще в мезозое вступила в стадию континентального развития, в период которой сформировались крупные элементы рельефа. В западной и юго-западной частях территории, где на поверхность выступают плотные карбонатные породы каменноугольной и девонской систем, простираются Валдайская, Смоленско-Московская, Среднерусская возвышенности, а в юго-восточной части - Приволжская возвышенность. В северной и восточной частях района, сложенных более рыхлыми породами перми и мезозоя, располагаются обширные низменности: Верхневолжская, Ветлужско-Унжинская, Мещерская, Окско-Донская. В эту общую схему рельефа, сложившуюся в доледниковое время, большое разнообразие внесли оледенения четвертичного периода, в значительной степени определившие современные формы поверхности. Описываемая территория не менее четырех раз перекрывалась ледниками, но на формирование рельефа в основном оказала влияние деятельность трех последних ледниковых покровов: днепровского, московского и валдайского. Границы оледенений во многих местах четко прослеживаются в рельефе. Формы поверхности, возникшие в результате деятельности ледников в последующее время в разной степени были преобразованы воздействием флювиальных и эрозионных процессов.

Наиболее сильное воздействие денудационные процессы оказали на поверхность внеледниковой области, в результате чего Среднерусская и Приволжская возвышенности характеризуются более зрелыми эрозионными формами, чем северная часть района.

1.3 Геологическое строение

Рассматриваемая территория расположена в центральной части кристаллического фундамента Русской платформы, в основном в пределах Московской впадины, заполненной толщей осадочных пород мощностью 1500--3000 м. Поверхность кристаллических пород ограничена на юге выступами Воронежской и Волго-Уральской антиклиз и повышается на северо-запад в сторону Балтийского щита. Поверхность докембрийского фундамента осложнена множеством структур второго порядка в виде валов и прогибов.

Кристаллические породы не выходят непосредственно на поверхность и залегают на глубинах 2500-- 3000 м в Ветлужско-Унжинском районе, 1500-- 2000 м в центральной части территории и 500-- 1500 м на юго-западе в районе Среднерусской возвышенности. Осадочная толща представлена системами нижнего палеозоя, девона, карбона, перми и мезо-кайнозоя.

Наиболее древние отложения верхнего девона, выходящие на дневную поверхность в юго-западной части, района (бассейн Верхней Оки), представлены известняками, доломитами, мергелями с прослоями ангидрита и гипса. Породы каменноугольной системы широко распространены по всей западной окраине территории от бассейна р. Кеми на севере до притоков верхней Оки (реки Упа, Жиздра) на юге. Отложения карбона представлены преимущественно известняками: в районе Смоленско-Московской гряды --песками и глинами с прослоями известняка, в Московско-Окском междуречье -- известняками и доломитами, в осевой части Окско-Цнинского вала -- пестрыми глинами, мергелями и известняками, в верховьях Среднерусской возвышенности -- песками и глинами с прослоями угля и известняков.

Коренные породы обычно выходят на поверхность по берегам рек, а в междуречьях почти повсеместно перекрыты четвертичным чехлом. В четвертичный период большая часть территории района не менее четырех раз перекрывалась ледниками, о чем свидетельствуют четыре самостоятельных горизонта морен, разделенных межледниковыми отложениями. Внеледниковая область испытывала воздействие ледниковых вод. Зона распространения ледника в период максимальной (днепровской) стадии оледенения охватывала всю территорию, за исключением Среднерусской возвышенности южнее г. Орла и Приволжской возвышенности. Ледник и его воды оставили сложный комплекс отложений мощностью в десятки (реже до 100 и более) метров, представленных мореной, ленточными глинами, флювиогляциальными песками, а также покровными суглинками.

Пространственное распределение ледниковых отложений как по мощности, так и по составу имеет весьма пестрый и разнообразный характер. На северо-западе бассейна в верховьях Волги и ее левобережных притоков наибольшее распространение имеют валунные суглинки, а в пределах холмистого ландшафта -- суглинки с прослоями супесей и песков; в низинах преобладают озерные и флювиогляциальные пески и глины; большие площади занимают древние аллювиальные пески. Толща ледниковых и послеледниковых отложений составляет в среднем 50--60 м.

Карст. Наличие обширных площадей, сложенных карбонатными породами, местами выходящими на поверхность или прикрытыми маломощными водопроницаемыми отложениями, определяет развитие карстовых форм на территории района, главным образом в виде воронок, провалов, западин, карстовых озер и трещин. Влияние карста на режим стока в основном проявляется в уменьшении поверхностного стока и переводе его в подземный. В бассейне р. Сережи были выявлены участки полного поглощения поверхностного стока. Разгрузка водоносных горизонтов нередко наблюдается в долинах рек, например в нижнем течении р. Пьяны; значительное подземное питание получают р. Зуша и ее притоки из источников девонского водоносного горизонта, водообильность которого в немалой степени связана с карстовыми процессами.

1.4 Климат

Территория Верхне-Волжского района расположена в зоне умеренно-континентального климата с холодной зимой и умеренно-теплым летом. Континентальность климата увеличивается с северо-запада на юго-восток. Основные климатические характеристики и их изменение по территории района определяются влиянием общих и местных факторов: солнечной радиации, циркуляции атмосферы, подстилающей поверхности. По географическому положению район находится под воздействием воздушных масс Атлантики, Арктического бассейна, а также масс, сформировавшихся над территорией Европы. В конце лета - начале осени, нередко во второй половине зимы и весной преобладает западный тип атмосферной циркуляции, сопровождающийся обычно активной циклонической деятельностью, значительными осадками, положительными аномалиями температуры воздуха зимой и отрицательными летом. Западный тип атмосферной циркуляции характеризуется значительной устойчивостью и нередко сохраняется на протяжении до двух месяцев. На востоке и юго-востоке территории циклогенез менее активен.

С октября по май в результате воздействия сибирского максимума, западная циркуляция нередко сменяется восточной, что сопровождается малооблачной погодой, большими отрицательными аномалиями температуры воздуха зимой и положительными летом. Восточный тип циркуляции более вероятен и активен в юго-восточной части территории.

Менее вероятна в данном районе меридиональная циркуляция, которая связана с мощными арктическими вторжениями воздушных масс и сопровождается резким понижением температуры воздуха.

Радиационный баланс. Средний годовой радиационный баланс поверхности района равен 31-39 ккал/см², что составляет около 40% суммарной радиации. Величина радиационного баланса увеличивается с северо-запада на юго-восток и существенно изменяется в зависимости от подстилающей поверхности. В среднем за многолетний период с марта по октябрь имеет место положительный радиационный баланс с максимумом в июне, с ноября по февраль баланс отрицателен (-0,4 - 0,8 ккал/см²).

Температура воздуха. Среднегодовая температура воздуха на рассматриваемой территории изменяется от 1,4^оС на северо-востоке до 4,6-4,8^оС на юге и юго-западе. Величина годовой амплитуды между средней месячной температурой самого холодного и самого теплого месяца увеличивается с запада на восток от 27^о (Гжатск) до 31-32^оС (Ветлуга, Тамбов).

В холодное время года изотермы средней месячной температуры воздуха направлены с северо-запада на юго-восток. Наиболее холодным месяцем в году является январь, средняя температура которого колеблется от -9, -9,5^оС на юго-западе, до -13,5, -14^оС на северо-востоке. Самые низкие абсолютные минимумы также наблюдаются преимущественно в январе: до -42^оС на юге и -50^оС на севере.

Начало весны определяется устойчивым переходом температуры воздуха через 0^оС. На юго-западе района переход температуры через 0^о в среднем отмечается 1-3 апреля, а через 5^о - 15-18 апреля, на северо-востоке - соответственно 3-6 апреля и 23-28 апреля; таким образом, разница в сроках наступления весны в пределах территории не превышает 5-10 дней.

В теплый период года температура воздуха повышается с северо-запада на юго-восток. В самый теплый месяц (июль) средняя температура повышается от 17-17,5^оС на севере до 19-20^оС на юге и юго-востоке территории.

Продолжительность наиболее теплой части лета со средней суточной температурой выше 15^оС в среднем составляет 55-60 на севере и северо-востоке и 90-100 дней на юге.

Понижение температуры осенью происходит медленнее, чем повышение ее весной. Устойчивый переход средней суточной температуры через 5^о в сторону низких температур в среднем отмечается 1-5 октября на севере и 10-15 октября на западе и юге территории; переход через 0^оС происходит 22-25 октября на севере и 2-8 ноября на юге. Устойчивые морозы наступают 12-17 ноября, на юге 26-30 ноября.

В продолжение всей зимы наблюдаются оттепели. За период с ноября по апрель среднее число дней с оттепелями составляет 20-25 на востоке и 30-40 на западе района. Оттепели могут непрерывно продолжаться в течение 9-22 дней.

Осадки. Территория Верхне-Волжского района относится к зоне влажного климата, и только крайний юго-восток района находится в зоне недостаточного увлажнения. Средняя многолетняя сума осадков изменяется по территории от 800 до 600 мм и уменьшается с северо-запада на юго-восток. Для преобладающей части района норма годовых осадков составляет 750-650 мм. Такое распределение определяется в основном циркуляцией атмосферы и в первую очередь циклонической деятельностью. На распределение осадков оказывает также влияние рельеф местности. Несколько увеличивается количество осадков на западных склонах и вершинах возвышенных участков (Валдайская, Среднерусская, Смоленско-Московская возвышенности). Увеличение осадков прослеживается при выпадении зимних осадков и малоинтенсивных обложных летних дождей, тогда как влияния рельефа на ливневые дожди не отмечается.

Средняя сумма осадков за теплый период изменяется по территории от 500 до 350 мм. Наибольшее ее количество отмечается на северо-западе района (450-500 мм), а наименьшее - на юго-востоке. В отдельные годы месячные и сезонные суммы осадков значительно отклоняются от средних, особенно в теплый период года. Месячные осадки в многоводные года превышают соответственные величины маловодных лет в десять раз и более. Так, в Москве в августе 1938 г. выпало только 1 мм осадков, а в августе 1953 г. - 164 мм (при норме 72 мм). В течение года наблюдается в среднем 160-190 дней с осадками более 0,1 мм за сутки, при этом количество дней с осадками 1,0 мм составляет 40-45%, с осадками 1-5 мм - около 40%, а с осадками более 20 мм за сутки - всего лишь 1-2% от числа дней с осадками. В холодный период чаще отмечаются дни с осадками от 1,0 до 5,0 мм за сутки (40%), а количество дней с осадками свыше 5,0 мм увеличивается до 25-35%. Наибольшая повторяемость осадков более 5,0 мм отмечается в июле.

Наибольшие суточные осадки достигают 100-120 мм, однако такие величины имеют очень редкую повторяемость. Интенсивность осадков меняется в широких пределах и тесно связана с их продолжительностью. Продолжительность выпадения осадков изменяется очень сильно: от нескольких минут до нескольких суток.

Снежный покров. На северо-востоке территории покров появляется в среднем 22-25 октября, на юго-западе - в конце первой декады ноября. Первый снежный покров чаще всего быстро стаивает во время оттепелей.

Устойчивый снежный покров образуется на северо-востоке территории 15-18 ноября, а в центральной части территории 20-25 ноября, на юго-западе - в первой декаде декабря. В зависимости от преобладающего типа атмосферной циркуляции в предзимний период даты установления устойчивого снежного покрова в отдельные годы существенно сдвигаются. Так, на северо-востоке района ранние сроки установления снежного покрова приходятся на первую половину октября, а на юго-западе - на конец октября, поздние сроки - соответственно на середину декабря и первую декаду января. С образованием снежного покрова высота его постепенно увеличивается и достигает максимума на западе района в конце февраля, в центральной части в первой декаде марта и на востоке в середине марта. Наибольшая высота снежного покрова наблюдается на северо-востоке территории - 55-65 см, в центральной части - 35-50 см, на юге - 25-30 см.

Продолжительность периода с устойчивым снежным покровом составляет 150-160 дней на северо-востоке, 130-145 дней в центральной части и 116-125 дней на юге района. Процесс снеготаяния весной проходит довольно быстро, длительность интенсивного снеготаяния на северо-востоке составляет 6-12 дней, а на юге уменьшается до 3-5 дней. Средняя дата устойчивого схода снежного покрова изменяется по территории от 1-6 апреля на юго-западе до 15-20 апреля на северо-востоке.

Наибольшая плотность снежного покрова (в поле) изменяется по территории в небольших пределах - от 0,22 до 0,29. Средние величины из наибольших запасов воды в снежном покрове убывают в направлении с северо-востока на юго-запад от 140-150 до 70-80 мм и на большей части территории составляют 90-110 мм. Величина запаса воды в снеге, как и высота снежного покрова, может сильно изменяться в зависимости от высоты и рельефа местности, степени защищенности растительностью.

Промерзание почвы. Глубина промерзания почвы зависит от высоты и плотности снежного покрова, степени увлажнения, механического состава почвы, а также ее сельскохозяйственной обработки, микрорельефа, температуры воздуха и вследствие этого изменяется как по территории, так и по годам. Средняя из наибольших глубин промерзания изменяется по территории от 50 до 100 см. Устойчивое промерзание почвы начинается в первой декаде ноября на севере и в середине ноября на юго-западе и юго-востоке. Полное оттаивание почвы в южной части района наблюдается в среднем 15-23 апреля, а в северной - 28 апреля - 6 мая. Средняя многолетняя продолжительность периода устойчивого промерзания почвы составляет 160-180 дней.

1.5 Почвы и растительность

Почвы. Почвенный покров Верхне-Волжского района разнообразен по составу. Наряду с широтной закономерностью почвенных зон - подзолистой в пределах лесной зоны и черноземной в южной части лесостепной - территория характеризуется мелкоконтурным и мозаичным характером почвенных сочетаний, а на отдельных участках отличается микрокомплексностью.

Наиболее распространенными являются дерново-подзолистые почвы, представленные всеми видами по степени оподзоленности; значительное развитие имеют подзолисто-болотные и болотные почвы.

Для южной части района характерны оподзоленные черноземы, серые лесные почвы, встречаются и типичные черноземы. В северо-западной части территории наибольшее распространение имеют дерново-средне- и слабоподзолистые почвы в сочетании с торфяно-подзолистыми и болотными, встречаются типичные подзолы и сильноподзолистые почвы. В северо-восточной части района наибольшее развитие имеют дерново-подзолистые почвы с различным механическим составом, такие же почвы характерны для Смоленско-Московской возвышенности. Для Верхневолжской низменности южнее Рыбинского водохранилища характерны дерново-среднеподзолистые почвы, относительно небольшие площади занимают дерново-слабоподзолистые почвы.

На юго-западе района в пределах Среднерусской возвышенности распространены суглинистые дерново-подзолистые, светло-серые и серые оподзоленные лесные почвы, на крайнем юге - оподзоленные и выщелоченные черноземы. Юго-восточная часть района, включая Окско-Тамбовскую равнину и Приволжскую возвышенность, характеризуются распространением серых лесных почв, а также оподзоленных и выщелоченных черноземов.

Растительность. Большая часть рассматриваемой территории расположена в лесной зоне. В направлении с северо-запада на юго-восток типы лесной растительности и их сочетания меняются от хвойных до широколиственных. Лесистость уменьшается от 80% на севере до 2-10% на юге района. К подзоне южной тайги относится северная часть территории, граница которой протягивается примерно от 57° с. ш. на западе до 56° с. ш. на востоке. Залесенность бассейнов рек в пределах подзоны изменяется от 50 до 80--90%. Наибольшее распространение имеют еловые, а в верховьях рек Унжи, Межи и Ветлуги -- елово-пихтовые леса. Нередко встречаются елово-сосновые и елово-березовые леса, а на супесчаных и заболоченных почвах -- сосновые. Наиболее плоские переувлажненные участки рельефа заняты осиновыми лесами. Подзона тайги сменяется подзоной смешанных лесов, граница которой с подзоной широколиственных лесов проходит примерно вдоль широтного участка р. Оки. Смешанные широколиственио-еловые леса подзоны характеризуются очень разнообразным составом и степенью залесенности. Преимущественное распространение имеют сочетания елово-березовых, хвойно-мелколиственных, осиново-березовых, осиново-сосновых лесов наряду с чисто еловыми, березовыми лесами и сосновыми борами. Разнообразие состава тесно связано с рельефом, экспозицией склонов, характером и увлажненностью почво-грунтов. Лесистость бассейнов рек в пределах подзоны изменяется очень сильно. Участки с наиболее плодородными почвами и рельефом, удобным для распашки, практически безлесны.

Для равнинной части бассейна р. Волги до Рыбинского водохранилища характерно преобладание мелколиственных и сосновых лесов. Залесенность в подзоне широколиственных лесов (бассейны рек Упы, Осетра, низовьев р. Прони) определяется в основном наличием участков, неудобных для сельскохозяйственного использования, и составляет 15--25%. Южная часть района относится к лесостепной зоне. Залесенность бассейна верховьев р. Оки, включая бассейн р. Зуши, не превышает 5--10%.

1.6 Общая характеристика гидрографической сети

Гидрографическая сеть района принадлежит к бассейну Каспийского моря. Главной водной артерией территории является р. Волга, которая до г. Чебоксар протекает по территории Верхне-Волжского района.

Бассейн Оки вытянут с запада на восток. Густота речной сети 0,2--0,5 км/км2. Водосборы притоков асимметричные, преимущественно груше-виднбй формы. Долины рек преимущественно трапецеидальные и ящикообразные, в пределах Среднерусской возвышенности V-образные, в Мещерской низменности неясно выраженные. Глубина вреза рек Среднерусской возвышенности 20--40 м, рек Мещерской, Окско-Донской низменностей и бассейна р. Клязьмы 10--20 м; в бассейне р. Мокши 20--30 м. Долины притоков р. Оки, за исключением рек Среднерусской возвышенности, террасированы. Ширина долин малых рек в пределах Среднерусской и Приволжской возвышенностей менее 0,5 км, средних -- 0,5--1,5 км, больших (Угра, Проня, Мокша)--до 2--3 км, р. Оки в среднем течении -- до 10--20 км. В пределах низменностей ширина долин рек всех размеров сильно меняется: от 0,2--0,4 до 3--6 км в озеровидных расширениях. Ширина поймы на малых реках не превышает 1 км, на средних увеличивается от истока к устью от 0,5--0,8 до 3--6 км, на больших достигает 5--10 км.

Поймы малых рек ровные, луговые, у средних и больших рек пересечены ложбинами, гривами и староречьями, в пределах Мещерской низменности увлажнены и заняты низинными болотами. Русла рек извилистые, с' песчаным или глинисто-песчаным дном. Для малых рек характерна ширина русла 10--15 м с расширениями до 30--40 м, для средних -- 30--50 м с расширениями до "80 м, для больших-- преимущественно 100--150 м, а на приустьевых участках рек Клязьмы и Мокши достигает 200--300 м. Реки мелководны, преобладающие глубины малых рек 0,8--1,5 м, средних -- 1,5--2,5 м, больших -- 2,5--3,5 м. На перекатах на реках всех размеров глубина менее 1 м и только на отдельных плесах достигает 4--10 м. Скорости, течения изменяются от 0,2--0,4 м/сек на плесах до 1,2--1,5 м/сек на перекатах.

Продольные профили рек, как правило, вогнутые, лишь в пределах Мещерской низменности прямолинейные. Преобладающие средневзвешенные уклоны малых рек 0,7--1,1°/оо, средних -- 0,4--0,6^о/оо. больших --0,1--0,2 ^о/оо.



2. Описание используемых методов

2.1 Определение ЦМР

Для определения морфометрических характеристик водосбора расчетным путем за основу была взята цифровая модель рельефа. Цифровая модель рельефа - цифровое или 3D представление поверхности ландшафта (для планет, их естественных спутников и других небесных тел), созданный на основе данных о возвышениях рельефа. ЦМР - это растровое представление непрерывной поверхности. Точность этих данных определяется в первую очередь разрешением (длина и ширина одного пикселя растра). Также существуют и другие факторы, влияющие на точность ЦМР, о них чуть ниже. Тем не менее, максимальная точность модели получается при построении по данным воздушного лазерного сканирования, а также при построении по данным наземного лазерного сканирования.

Необходимым условием получения модели рельефа по данным воздушного лазерного сканирования является проведение полного комплекса аэросъемочных работ, включающих лазерную локацию и аэрофотосъемку (при необходимости создания текстурированной модели), а также камеральных работ по классификации и регуляризации (при необходимости создания регулярной модели) точек лазерных отражений, трансформированию и нарезке снимков, созданию триангуляционных моделей рельефа и их текстурированию (при необходимости создания текстурированной модели). (http://www.geokosmos.ru)

Цифровая модель является полностью трехмерным отображением реального рельефа местности на момент производства аэросъемочных работ, что позволяет использовать его для решения следующих прикладных задач:

· вычисление уклонов и экспозиции склонов, что важно в строительстве дорог и продуктопроводов, сельском хозяйстве при выборе полей под культуры с разными требованиями к освещенности и др.;

· анализ поверхностного стока на территории;

· моделирование затопления территорий;

· анализ видимости, который используют при планировании коммуникационных сетей, в военном деле и других отраслях;

· ортокоррекция изображений;

· измерение площадей и объемов, получение профилей поверхности;

· просмотр данных в трех измерениях, создание виртуальных полетов над местностью и светотеневых моделей.

Для решения таких задач требуются цифровые модели рельефа с различной плановой и высотной точностью. Источниками информации для построения ЦМР служат топографические карты, стереопары аэро- и космических снимков, данные радиолокационной съемки и т.п. На точность построения рельефа оказывают влияние многие факторы, такие как, пространственное разрешение и геометрическое качество изображений, состояние атмосферы, масштаб карты, точность опорных точек и др.

Рис. 1 Пример цифровой модели рельефа

Обычно первичные данные существуют или с использованием тех или иных операций приводятся к одному из двух наиболее широко распространенных представлений поверхностей (полей) в ГИС: растровому представлению (модели) и модели TIN.

Растровая модель пространственных данных -- разбиение пространства (изображения) на далее неделимые элементы (пиксели) -- относительно ЦМР это обозначает матрицу высот: регулярную (обычно квадратную) сеть высотных отметок в ее узлах, расстояние между которыми (шаг) определяет ее пространственное разрешение. Именно таковы ЦМР, создаваемые национальными картографическими службами многих стран (например, Национальная ЦМР США в формате DEM, подготовленная USGS). Преимущество такой модели -- в удобстве ее компьютерной обработки. Иногда, а в последнее время довольно часто, регулярная сеть (решетка) применительно к представлению рельефа именуется "гридом". К растровой, или как ее чаще называют матричной или регулярной модели, путем интерполяции, аппроксимации, сглаживания и иных трансформаций могут быть приведены ЦМР всех иных типов, что чаще всего и делается на практике. Для восстановления поля высот в любой его точке (например, в узле регулярной сети) по заданному множеству высотных отметок (например, по цифровым записям). (http://edu-knigi.ru/tikunov/geoinformatika.php)

2.2 Использование данных SRTM

Shuttle radar topographic mission (SRTM) - Радарная топографическая съемка большей части территории земного шара, за исключением самых северных (>60), самых южных широт (>54), а также океанов, произведенная за 11 дней в феврале 2000г с помощью специальной радарной системы. Двумя радиолокационными сенсорами SIR-C и X-SAR, было собрано более 12 терабайт данных (что примерно равно объему информации библиотеки конгресса). Осуществлена в феврале 2000г с борта космического корабля многоразового использования "Шаттл".



Рис.2, Распространение SRTM

В последнее время с помощью метода называемого радарной интерферометрией (radar interferometry) было собранно огромное количество информации о рельефе Земли, ее обработка продолжается до сих пор. Но определенное количество информации уже доступно пользователям. Матрица SRTM с размером ячейки 3х3 угловых секунды (~90 м) является общедоступной.

Данные SRTM существуют в нескольких версиях: предварительные (версия 1, 2003г) и окончательная (версия 2, февраль 2005 г). Окончательная версия прошла дополнительную обработку, выделение береговых линий и водных объектов, фильтрацию ошибочных значений. Данные распространяются в нескольких вариантах - сетка с размером ячейки 1 угловая секунда (~30 м) и 3 угловые секунды (~90 м). Более точные односекундные данные (SRTM1) доступны на территорию США, на остальную поверхность земли доступны только трехсекундные данные (SRTM3). Файлы данных представляют собой матрицу из 1201ґ1201 (или 3601ґ3601 для односекундной версии) значений, которая может быть импортирована в различные программы построения карт и геоинформационные системы (например ArcView).

Кроме того, существует версия 3, распространяемая в виде файлов ARC GRID, а также ARC ASCII и в формате Geotiff, квадратами 5x5 секунд в датуме WGS84. Эти данные получены организацией CIAT из оригинальных высотных данных USGS/NASA путем обработки, которая обеспечила получение гладких топографических поверхностей, а так же интерполяцию областей, в которых отсутствовали исходные данные.

Данные находятся в свободном доступе для скачивания на сайте USGS.

Данные SRTM могут применяться для оценки сложности предстоящих топографо-геодезических работ, планирования их проведения, а также могут оказать помощь при проектировании расположения профилей и других объектов еще до проведения топосъемки.

Полученные по результатам радарной съемки SRTM значения превышений точек местности могут быть использованы для обновления топоосновы территорий, где отсутствуют данные детальных топографо-геодезических работ (http://www.gis-lab.info)

2.3 Характеристика используемого программного обеспечения

ArcGIS -- семейство программных продуктов американской компании ESRI, одного из лидеров мирового рынка геоинформационных систем. ArcGIS построена на основе технологий COM, .NET, Java, XML, SOAP. Новейшая версия -- ArcGIS 10.2.

ArcGIS позволяет визуализировать (представить в виде цифровой карты) большие объёмы статистической информации, имеющей географическую привязку. В среде создаются и редактируются карты всех масштабов: от планов земельных участков до карты мира.

Также в ArcGIS встроен широкий инструментарий анализа пространственной информации.

ArcGis используется в самых различных областях: земельный кадастр, землеустройство, учёт объектов недвижимости, инженерные коммуникации, МВД и МЧС, телекоммуникации, нефть и газ, экология, государственная пограничная служба, транспорт, лесное хозяйство, водные ресурсы, дистанционное зондирование Земли, геология и недропользование, геодезия, картография, география, бизнес, торговля и услуги, сельское хозяйство, образование, туризм.

Модуль Arc Hydro -- это набор моделей данных и инструментов для работы с ArcGIS для поддержки анализа геопространственных и временных данных.

Arc Hydro предназначен для очерчивания и характеристики водосборных бассейнов в растровом и векторном формате, определения и анализа гидрогеометрических сетей, управления временными сериями данных, а также для настройки и экспорта данных в числовые модели.

Arc Hydro является системой на основе ArcGIS, обеспечивающей поддержку приложений для работы с водными ресурсами. Она состоит из двух основных компонентов:

· модели данных Arc Hydro;

· инструментов Arc Hydro.

В сочетании с общей средой программирования эти компоненты представляют собой стандартную базу данных и набор инструментов для распространенных видов анализа водных ресурсов. Arc Hydro обладает главными функциональными возможностями, которые можно расширять, добавляя в базу данных структуры и функции, необходимые для выполнения определенных задач или работы с соответствующими приложениями.

Инструменты Arc Hydro работают в среде ArcGIS. Некоторые функции требуют дополнительный модуль Spatial Analyst. Большинство инструментов доступно в панели инструментов Arc Hydro, где они распределены по шести меню и девяти наборам инструментов в соответствии с выполняемыми функциями. Дополнительные инструменты разработаны в среде геообработки и доступны в наборе инструментов Arc Hydro Tools, который может использоваться как в ArcMap, так и в ArcCatalog.

У инструментов Arc Hydro два основных назначения. Во-первых, с их помощью можно назначать главные атрибуты в модели данных Arc Hydro. Эти атрибуты служат основой для последующего анализа. Они включают ключевые идентификаторы (такие как HydroID, DrainID, NextDownID и т. д.) и атрибуты измерения (например LengthDown). Во-вторых, инструменты обладают основными функциональными возможностями, часто использующимися в приложениях для работы с водными ресурсами. Среди них построение линии водораздела на основе цифровой модели рельефа, создание сети и отслеживание по атрибутам.

QGIS (Quantum GIS) -- свободная кроссплатформенная геоинформационная система.

Работа над QGIS была начата в мае 2002 года, а в июне того же года -- создан проект на площадке SourceForge. Целью создания QGIS было сделать использование геоинформационных систем легким и понятным для пользователя, чего создатели QGIS отчасти добились: интерфейс Quantum GIS намного понятнее для неискушенного пользователя чем интерфейс того же GRASS (на котором QGIS во многом основана), а в некоторых аспектах даже превосходит широко распространённые проприетарные ГИС.

Интерфейс Quantum GIS был создан с помощью инструментария Qt.

Возможности QGIS: просмотр данных, исследование данных и компоновка карт, управление данными: создание, редактирование и экспорт, анализ данных, публикация карт в сети Интернет. (http://ru.wikipedia.org)

Global Mapper -- программа для просмотра, редактирования и конвертации огромного количества картографических форматов, как растровых, так и векторных. Программа позволяет работать со слоями, например на данные DEM (Digital Elevation Model, цифровая модель высот) может быть наложена отсканированная топографическая карта, или спутниковые снимки, для получения симпатичного 3D-вида местности. Карты могут быть автоматически загружены из сервисов в интернете по указанным координатам или названию местности. Используя встроенный скриптовый язык, можно упростить работу, задав повторяющиеся задания в качестве выполняемой функции.

SAS.Планета / SAS.Planet / SASPlanet - свободная программа, предназначенная для просмотра и загрузки спутниковых снимков высокого разрешения и обычных карт, представляемых такими сервисами, как Google Earth, Google Maps, Bing Maps, DigitalGlobe, "Космоснимки", Яндекс.карты, Yahoo! Maps, VirtualEarth, Gurtam, OpenStreetMap, eAtlas, iPhone maps, карты Генштаба и др., но, в отличие от этих сервисов, все скачанные вами карты останутся у вас на компьютере, и вы сможете их просматривать даже без подключения к интернету. Помимо спутниковых карт возможна работа с политической, ландшафтной, совмещенной картами, а также картой Луны и Марса.

Загрузка карт осуществляется как выделением некоторой области (возможно непрямоугольной), так и в процессе перемещения по карте.

2.4 Порядок работы при определении морфометрических характеристик

Определение площади водосбора. В данной курсовой работе расчеты проводились над водосбором реки Оки до г. Кашира, площадь которого составляет порядка 68700 км². При такой площади водосбора расчеты можно производить с помощью обычного пользовательского ПК, в ином случае, при обработке цифровой модели рельефа значительно большей по охватываемой территории, возникают проблемой с нехваткой ресурсов ПК ввиду большого количества вычислительных операций.

Кроме того, данный район расположен в пределах территории с достаточно пересеченным рельефом, как описано в главе "Физико-географическое описание", с характерным чередованием низменностей и возвышенностей, что благоприятно сказывается на процессе вычисления морфометрических характеристик. В ином случае, если рассматривать обширные равнинные территории с очень малым уклоном рек, могут возникать ошибки и неточности вычисления при использовании цифровой модели рельефа.

Итак, выбрав подходящий район, следующим этапом работы является подбор цифровой модели рельефа для данной территории. В данной курсовой работе использовалась ЦМР типа SRTM, подробное описание которой дано в разделе 2.2. ЦМР типа SRTM имеются в свободном доступе на интернет-ресурсе http://srtm.csi.cgiar.org, откуда, собственно, и были получены необходимые для работы участки цифровой модели. Ввиду того, что ЦМР подобного типа распространяются участками 5х5 градусов (например, с 55^о по 60^о с.ш. и с 35^о по 40^о в.д.), возникла потребность в "склеивании" и выделении из "склеенного" растра необходимого для расчетов участка таким образом, чтобы на итоговом растре хорошо размещался рассматриваемый участок водосбора р. Оки. Данная задача была выполнена с помощью приложения Global Mapper, и на выходе был получен итоговый растр с граничными координатами от 52^о до 56^о30' с.ш. и от 33^о до 39^о в.д.

Параллельно с помощью приложения SAS.Planet была загружена т.н. подложка для цифровой модели, представляющая из себя участок карты-схемы Google Maps, с подробно прорисованной гидрографической сетью. Это понадобилось непосредственно для сравнения местоположения речных русел на местности и русел, полученных в дальнейшем синтетически.

Далее работа над цифровой моделью рельефа велась в среде ArcGIS.

Первым этапом обработки растра являлось заполнение локальных понижений ЦМР. На местности это участки, не участвующие в формировании поверхностного стока рек, например, замкнутые бессточные озера. Данная операция в дальнейшем облегчит процесс оконтуривания водосбора, ввиду исключения из расчетов бессточных областей.

Таким образом, в качестве первичной обработки используем инструмент Fill sinks (Заполнение локальных понижений) из модуля Spatial Analyst Tools - Hydrology.

Данный инструмент заполняет локальные понижения в растре поверхности для удаления всех небольших ошибок и неточностей, присущих данным.

Как работает инструмент Fill Sinks?

· Локальное понижение - это ячейка с неопределенным направлением стока; вокруг нее не существует ячеек с меньшей, чем у этой ячейки, высотой. Точка устья - это пограничная ячейка с наименьшей высотой для водосборной области локального понижения. Если бы локальные понижения были заполнены водой, в этих точках вода "утекала бы" с поверхности.

· Ограничение по z задает максимальную допустимую разницу между глубиной точки локального понижения и устья и определяет, какое понижение будет заполнено, а какое останется незатронутым. Ограничение по z не является значением максимальной глубины, до которой будет заполнено локальное понижение.

Рисунок. Схематичная гистограмма высот до и после операции "Fill Sinks"

Например, рассмотрим область локального понижения, где точка устья находится в 210 футах по высоте, а самая глубокая точка локального понижения - 204 фута (то есть разница составляет 6 футов). Если ограничение по z равно 8, это конкретное локальное понижение будет заполнено. Однако, если ограничение по z равно 4, это локальное понижение не будет заполнено, поскольку глубина понижения превышает разницу и оно будет считаться допустимым понижением.

· Все локальные понижения, которые по глубине меньше, чем ограничение по z, и ниже, чем самая низкая из прилегающих соседних ячеек, будут заполнены до высоты своих точек устьев.

· Запуск инструмента Заполнение (Fill) может быть требователен к процессору, оперативной памяти и занимаемому месту на диске. Он может требовать до четырех раз большего объема дискового пространства, чем входной растр.

· Число локальных понижений, определяемых с использованием ограничения по z, будет задавать время, требуемое на обработку. Чем больше локальных понижений имеется, тем больше потребуется времени на обработку.

· Инструмент Локальное понижение (Sink) может быть использован перед тем, как запустить инструмент Заполнение (Fill), чтобы найти число локальных понижений и помочь определить их глубину. Знание глубины локальных понижений может помочь в определении подходящего значения ограничения по z.

· Инструмент Заполнение локальных понижений может быть также использован для удаления пиков. Пик - это ячейка, вокруг которой нет ячеек выше нее. Для удаления пиков входной растр поверхности должен быть инвертирован. Эту операцию можно выполнить с помощью инструмента Минус (Minus).

Следующий шаг - инструмент Flow Direction (Направление потока) из модуля Arc Hydro Tools - Terrain Preprocessing. Данный инструмент используется для получения гидрологических характеристик поверхности и определения направления стока из каждой ячейки растра. Инструмент использует растр с заполненными локальными (filled sinks) понижениями в качестве входных данных и выдает растр, показывающий направление стока каждой ячейки. Если выбрана опция "Выходной растр понижения" (Output drop raster), создается выходной растр, показывающий отношение максимального изменения по высоте из каждой ячейки вдоль направления стока к расстоянию между центрами ячеек, выраженное в процентах. Если выбрана опция "Сток из крайних ячеек направлен наружу" (Force all edge cells to flow outward), сток из всех ячеек на ребре растра поверхности будет осуществляться наружу, за края растра.

Есть 8 корректных выходных направлений относительно 8 смежных ячеек, в которые может перейти сток. Этот подход обычно называется моделью восьминаправленного стока (D8).

Рисунок. Направление потока из рассматриваемой точки и присваиваемое значение направлению.

Расстояние вычисляется между центрами ячеек. Следовательно, если размер ячейки принять за единицу, расстояние между двумя ортогональными ячейками будет равно 1, а расстояние между диагональными ячейками - 1,414 (квадратный корень из 2). Если максимальное понижение высоты до ближайших ячеек одинаково в нескольких направлениях, область соседства расширяется до тех пор, пока не будет найден самый крутой спуск.

Если найдено направление самого крутого понижения, выходной ячейке дается значение, представляющее это направление.

Если все соседние ячейки выше, чем обрабатываемая ячейка, такая ячейка будет рассматриваться как ошибка в данных; она должна быть заполнена до минимального значения высоты соседних ячеек. Сток будет осуществляться в эту ячейку. Однако в том случае, если локальное понижение размером в одну ячейку расположено на физическом краю растра, или в ее окрестностях есть хотя бы одна ячейка со значением NoData (нет данных), заполнения не происходит из-за недостаточной информации по соседним ячейкам. Чтобы ячейка могла рассматриваться как истинное локальное понижение размером в одну ячейку, для нее должна быть информация по всем соседним ячейкам. Если сток из двух ячеек осуществляется друг в друга, они являются локальными понижениями с неопределенным направлением стока. Такой метод определения направления стока по цифровой модели рельефа рассмотрен в книге Дженсона и Доминика (Jenson and Domingue, 1988).

Рисунок. Пример растра направления потока. Каждая ячейка растра содержит код направления потока.

Следующим этапом работы является выполнение операции Flow Accumulation (Суммарный сток) из того же модуля, что и Flow Direction, а именно Arc Hydro Tools - Terrain Preprocessing. Инструмент Flow Accumulation вычисляет суммарный сток как суммарный вес всех ячеек, впадающих в каждую ячейку вниз по склону выходного растра. В качестве входных данных инструмент Flow Accumulation использует растр, полученный в результате выполнения операции Flow Direction, то есть растр, содержащий направления потока в каждой точке.

Ячейки с высоким суммарным стоком - это участки концентрированного стока; они могут быть использованы для определения русел водотоков. Ячейки с суммарным стоком, равным нулю, - это локальные топографические пики; они могут быть использованы для выделения хребтов или линий водораздела.

Пример:

Примером использования инструмента Суммарный сток (Flow Accumulation) с входным растром направления потока может служить определение количества дождевых осадков, попадающих в заданный бассейн. В таком случае входной растр весов может быть непрерывным растром, представляющим среднее количество дождевых осадков за определенный период. Выходные данные инструмента будут представлять количество осадков, протекающее через каждую ячейку, при допущении, что весь выпавший дождь стекает по поверхности и не существует перехвата осадков, нет испарения, и осадки не просачиваются в грунтовые воды. Этот процесс можно также рассматривать как количество дождевых осадков, которые выпадают на поверхность земли выше по склону относительно каждой ячейки.

Результаты выполнения инструмента Суммарный сток (Flow Accumulation) могут быть использованы для создания сети водотоков путем применения порогового значения для выбора ячеек с высоким суммарным стоком. (http://www. resources.arcgis.com/)

В нашем случае выходной растр, полученный в результате череды операций (Fill Sinks, Flow Direction, Flow Accumulation) представляет собой, грубо говоря, "синтетическую" речную сеть, созданную посредством математических вычислений компьютера.



Рисунок. Сравнение речной сети, полученной в результате выполнения инструмента Flow Accumulation, и карты-схемы с отображенной гидрографической сетью

По сути, каждая ячейка растра аккумуляции содержит в себе информацию о количестве ячеек, с которых идёт уклон именно в эту точку. Иначе говоря, каждый пиксель данного растра хранит в себе площадь водосбора в данной точке. Площадь водосбора отображается в количестве ячеек, но, зная параметры одного пикселя (его длина и ширина на местности в километрах), можно легко перейти к площади водосбора в квадратных километрах. Изначально, как описано выше, параметры одного пикселя определяются разрешением используемой цифровой модели рельефа. В нашем случае мы имеем дело с моделью SRTM, разрешение которой составляет 90 м, т.е. один пиксель ЦМР на местности занимает квадратный полигон со стороной 90 м. Но в связи с тем, что в ходе работы было произведено проецирование исходного растра в прямоугольную систему координат (с помощью инструмента Data management tools - Projections and Transformations - Project Raster), а именно - Пулково 1942, исходные параметры модели немного изменились. Таким образом, на местности длина и ширина одного пикселя растра, спроецированного в прямоугольную систему координат, составляют 74 м, или 0,074 км, а его площадь 5,48•10^-3 км².

Теперь, фактически имея площади водосбора в любой интересующей нас точке речной сети, не составляет труда сопоставить рассчитанные данные с данными ОГХ 1970-1975 гг. Для выполнения этой задачи был составлен список гидрологических постов, лежащих в пределах рассматриваемого района. Далее была оформлена таблица Excel, содержащая в столбцах такие данные, как река, на которой находится пост, наименование населенного пункта, где он расположен, его время действия, пространственные координаты, площадь водосбора. Затем с помощью приложения QuantumGIS произведен переход от формата .xls к формату .shp, т.е. создан шейп-файл, содержащий в себе ту самую таблицу excel с гидрологическими постами и их координатами. Данный формат можно обрабатывать в среде ArcGIS, в которой, собственно, и производится основная работа над цифровой моделью рельефа. Все это делается для того, чтобы отследить местоположение того или иного поста непосредственно на синтетически созданной речной сети и снять значение растра аккумуляции в данной точке. Таким образом, в исходную таблицу добавляется еще один столбец, содержащий рассчитанную с помощью программного оборудования, площадь водосбора (см. Приложение). Следующим шагом было сопоставление рассчитанных данных и данных ОГХ, вычисление погрешности, анализ результатов, данный этап будет описан чуть позже.

Итак, следующие этапы работы направлены на получение непосредственно определенных контуров водосбора. Были выбраны 10 конкретных бассейнов разной площади (от 1000 до 8000 км²), для которых было необходимо получить растровое изображение их контура. Данная задача выполнялась для дальнейшей работы над бассейном и определением его гидрографических характеристик (залесенность, озерность, доля урбанизированных территорий). Для этого были использованы функции модуля ArcHydro, описание которого было представлено выше в разделе 2.3. Первой была задействована функция определения направления потока (Stream Definition). В качестве входных данных использовался растр аккумуляции (Flow Accumulation Raster), а также задается пороговая площадь водосбора, т.е. ячейки растра аккумуляции, хранящие в себе площадь водосбора, меньше пороговой, в растр направления потока включаться не будут. По сути, растры Stream Definition и Flow Accumulation визуально выглядят одинаково, отличие заключается лишь в том, что ячейки растра направления потока состоят только из нулей и единиц, т.е. либо есть в данной точке пороговая площадь водосбора, либо ее нет.

Рисунок. Наложение растров Flow Accumulation и Stream Definition

На рисунке красным цветом отмечены ячейки растра Flow Accumulation, хранящие в себе площадь водосбора, синим же - ячейка растра Stream Definition, который наложен сверху. В итоге мы видим, что красным отмечены точки, хранящие в себе площадь водосбора меньше заданной пороговой при выполнении операции SD. Эта операция выполняется для того, чтобы ускорить процесс оконтуривания водосбора, отбросив слишком малые водосборы.