Космическая индикация ландшафтов земли
Современное развитие космических технологий привело к широкому использованию космической информации для решения различных научных и практических задач, в том числе и для развития современного картографирования геосистем. Космические снимки служат источником для исследования, отображения и картографирования пространственно-временных данных. Карта геосистем, созданная на основе космических снимков разного масштаба и разрешения, является хорошей базой для решения различных географических задач, т.к. она отображает не только пространственные характеристики геосистем, но и их изменения во времени, тем самым показывает их динамику. Пространственно-временной характер отображения природно-территориальных комплексов на космических снимках (КС) позволяет экстраполировать материалы локальных наземных полевых исследований. В конечном итоге данные космических съёмок раскрывают структуру, динамику и направления преобразования геосистем. С другой стороны, отображенный участок местности, дополненный наземными точечными и линейными полевыми данными, повышает точность карт и, соответственно, эффективность проводимых исследований.
Индикация и определение основных индикативных свойств геосистем
Наиболее универсальной формой представления информации при космических исследованиях является снимок – изображение, полученное в результате дистанционной регистрации техническими средствами собственного или отраженного излучения Земли. Он предназначен для обнаружения, качественного и количественного изучения объектов, явлений и процессов путем дешифрирования, измерения и картографирования. КС рассматривается как метрическая картинно-образная модель местности. Генерализованный характер изображения составляет важное свойство снимка как модели, который имеет много общего с образно-знаковой моделью – картой [3].
Термин «геосистема» введен в научную географическую литературу В.Б. Сочавой и означает «особый класс управляющих систем; земное пространство всех размерностей, где отдельные компоненты природы находятся в системной связи друг с другом и как определённая целостность взаимодействуют с космической сферой и человеческим обществом» [5, с. 292]. Другими словами, геосистема – это совокупность взаимосвязанных компонентов географической оболочки, объединённых потоками вещества, энергии и информации.
Один из первых шагов, которые необходимо провести при создании карт геосистем на основе космических снимков, – это определение основных индикаторов и индикативных признаков природно-территориальных комплексов (ПТК).
Индикация – методы и приёмы наблюдения, фиксации, контроля, характеристики и оценки состояния и стадий развития различных процессов, объектов и систем исследования для установления и контроля зависимостей от изменения условий во времени, статистики количественного и качественного порядка, сопоставления с нормой. Иными словами, индикация – это определение индиката с помощью индикатора, т.е. определение труднонаблюдаемых компонентов ландшафта по его внешнему облику [1].
Ландшафтная индикация – совокупность методов оценки состояния природно-территориальных комплексов, отдельных их компонентов и протекающих в них процессах по легко доступным для непосредственного наблюдения компонентам или аэрофотоснимкам/космоснимкам.
Индикатами могут служить не только отдельные компоненты ПТК и их свойства, но и протекающие в них процессы. При этом существуют три вида такой индикации:
- индикация процессов, происходивших в ПТК в прошлом и прекратившихся к настоящему времени;
- индикация процессов, протекающих в настоящее время;
- индикация процессов, которые будут происходить в будущем.
Наиболее распространенной разновидностью индикации процессов является стадийно-синхронная индикация, представляющая собой распознавание с помощью ландшафтных индикаторов характера и направленности процессов, протекающих в настоящее время. Индикаторами в этом случае выступают эктоярусы ландшафтно-генетических рядов. Эктоярус – верхний ярус, образован физиономическими компонентами, участками открытой почвы, поверхностью водоемов и следами деятельности человека. Эктоярус может быть беспрепятственно наблюдаем при маршрутных исследованиях, а также наиболее явно отображается на аэрофотоснимках/космоснимках.
Выбор «центрального» индикатора горных геосистем
Следующим этапом является определение ландшафтно-генетических рядов. Ландшафтно-генетическими рядами называются ряды, образованные природно-территориальными комплексами, расположенными в пространстве в той последовательности, в какой эти комплексы сменяют друг друга во времени. Каждый ПТК, входящий в такой ряд, отражает определенную стадию процесса. При этом ландшафтно-генетический ряд не обязательно должен представлять единый сопряженный комплекс на одном профиле, а может быть скомпонован путем описаний на нескольких участках.
Опыт показывает, что от применяемого подхода к дешифрированию КС зависит и эффективность исследований. Несомненно, что некоторая часть результатов, полученных разными способами, совпадает, однако есть и много различий, вплоть до противоречивых. Иногда полученные выводы трудно сравнивать в силу выбора неодинаковых элементов, которым придается особое, «центральное», значение. В результате такого рода анализа выявляются несколько наиболее информативных признаков, по которым производится дальнейшее деление территории, классификация геосистем [3].
Чаще всего в качестве «центрального» фактора выбирается рельеф, биота, литогенная основа либо почвенный покров на лишенных древесно-кустарниковой растительности пространствах. Вместе с тем вопрос о ведущем факторе в индикационных исследованиях до сих пор не решен, т.к. не получено бесспорных доводов в пользу его выбора. Это связано с тем, что на разных территориях основным или центральным фактором может быть принят разный фактор, например, в силу отсутствия того или иного элемента ПТК или в случае наиболее выраженного из выбираемых компонентов. Так же выбор может зависеть от цели производимых исследований. Противоречие сглаживается развитием разных индикационных направлений. Вместе с тем проблема ведущего компонента неразрешима по следующим причинам: изменение любого элемента геосистемы оказывает влияние на все остальные; воздействие геосистемы на другие формируется с участием всех ее элементов; придание тому или иному компоненту ведущей роли фактически влечет за собой сведение целого к части, т.е. к редукции [3].
Дистанционные исследования индикации геосистем базируются на представлении о том, что отражательные и излучательные характеристики объектов являются не только индикационными дешифровочными признаками, но и свойствами природы, сформировавшимися в течение длительной эволюции, которые играют существенную роль в функционировании геосистем [2].
Процесс исследования осуществляется на основе анализа систем дешифровочных признаков: яркостных, геометрических, текстурных и косвенных. Спектральный и временной диапазон космических съемок выступает критерием дифференциации качественно различных объектов, а анализ фототона, структуры или текстуры изображения КС дает возможность выявлять определенную базу данных, которая затем переводится в теоретический блок знаний. При этом параметр «текстура» (структура изображения + характерный рисунок) относится в целом к геосистеме, а яркостные и геометрические показатели применимы непосредственно лишь к отдельным ее компонентам. Косвенные признаки (особенности смежности, соседства, взаимосвязей) характеризуют дешифрируемый объект опосредованно [4].
Дешифровочные признаки геосистем делятся на три группы:
1) прямые – свойства объектов, непосредственно проявляющиеся на поверхности Земли и отображающиеся в виде набора характеристик дистанционного изображения;
2) косвенные – свойства объектов, непосредственно не выраженные на поверхности, но тем или иным образом связанные с набором прямых признаков;
3) контекстуальные (топологические) – свойства объектов земной поверхности, выявляющиеся для текущего объекта при анализе признаков его окружения.
Косвенные и контекстуальные признаки имеют непосредственное отношение к процедурам индикации. Кроме того, признаки дешифрирования обладают различной индикационной способностью или степенью достоверности. Далеко не всегда прямые признаки оказываются более достоверными по сравнению с косвенными и контекстуальными. Однако число косвенных и контекстуальных признаков дешифрирования практически всегда существенно превышает число прямых. Следовательно, оперируя ими, можно более уверенно подтверждать гипотезу отнесения текущего объекта к тому или иному классу легенды.
Индикаторы геосистем и их компонентов (ландшафтно-индикационный метод)
Геосистемы на космических снимках выделяются как специфическими особенностями их строения в целом, так и физиономическими особенностями компонентов природной среды – рельефа, растительности, почв и т.д. При дешифрировании геосистем используют различные индикаторы, по тематическому типу они подразделяются на гео-, лито-, почво-, био-, гидро- и другие [4].
Одним из важнейших элементов геосистем, а значит, и наглядным индикатором является рельеф, особенно на участках поверхности Земли с его резкой расчленённостью, т.е. в горных территориях.
Рельеф и его элементы являются основополагающими индикаторами внутреннего строения горного ландшафта, основанием для его детальной сегментации. Элементы рельефа возникли в результате взаимодействия атмо-, гидро-, крио- и биосферы с геологической средой и процессов внутри последней. Рельеф разрушения (деструктивный) формируется при воздействии различных экзогенных процессов на субстрат при изменении климатических условий или смене групп агентов разрушения.
Рельеф характеризует условия увлажнения, дренажа, влияет на интенсивность склоновых процессов и накопление минеральных, органических веществ, их перенос, почвообразование, характер почв. Указанные взаимосвязи позволяют использовать элементы рельефа в качестве геоиндикаторов.
Элементы рельефа в виде осевых хребтов и их отрогов чётко отображают и характеризуют конфигурацию водотоков, отражая особенности сети речных долин, которые также являются хорошими индикаторами.
Литогенный фактор в различных климатических и неотектонических условиях проявляет разные свойства субстрата. Демаскирующие свойства рельефа зависят от степени различия эрозионной и денудационной устойчивости субстрата, размеров транспортируемых обломков, значений пористости, способности к размоканию и набуханию пород, типов агентов денудации. Близость этих свойств и характера их распределения внутри смежных геологических тел предопределяет их неразличимость в характеристиках поверхности. Площади, занятые такими монотонными комплексами горных пород, наиболее неблагоприятны для дешифрирования. Контрастность свойств смежных тел определяет их особое отражение в рельефе.
Например, литофицированная толща с мелкослоистым распределением свойств дешифрируется плохо, реже удовлетворительно: могут быть выделены системы трещин, разрывы, фрагментами складчатая структура, оценено общее простирание. Толща, сложенная пачками горных пород с различным распределением свойств, характеризуется анизотропией слоистого типа: могут быть установлены границы между пачками, складчатая структура, системы разломов и трещин – дешифрируемость хорошая.
Под воздействием тектонического фактора формируются:
1) первично-тектонические поверхности, возникшие в результате разрыва сплошности пород и выхода на поверхность крыла разрыва;
2) деформации поверхностей аккумулятивного рельефа, образованного в процессе денудации (сноса, удаления и накопления продуктов физико-химического выветривания) и др.
Элементы гидрографии являются индикаторами литокомплексов, зон тре-щиноватости, дробления, разломов, что выражается в густоте и рисунке речной сети, аномальных изгибах или, наоборот, прямолинейности долин. Речная сеть на космических снимках распознается до 5–6-го порядка. Древовидный тип сети отражает наклонное или горизонтальное залегание слоев, радиальный – антиклинальное или синклинальное строение, параллельный – параллельно согласное направление структур, решетчатый свойствен складчатым областям с удлиненными складками.
Растительность и почвы демаскируют участки фронта выветривания (т.е. полосы между выветрелой и невыветрелой горной породой) на литифицированных, кристаллических породах, что отражается в структуре однородного растительного покрова или в характере размещения растений с разной развитостью вегетативных органов. Экспозиция склонов и их крутизна также выражены соответствующей растительностью, связанной с количеством солнечной энергии, мощностью почвенного покрова, его составом и т.д.
Вопросы оценки состояния горных геосистем затронуты в аэрокосмических исследованиях достаточно мало. Развитие методов индикации геосистем является одним из приоритетных направлений дистанционного зондирования Земли.
Каждый вид дистанционной съемки дает свою специфическую информацию о геосистемах: фотографический – хорошо выявляет детальную плановую структуру, но плохо – видовой состав и ритмику; многоспектральный – видовой состав и ритмику, но хуже – структуру и привязку; тепловой и радиотепловой – некоторые физические и геометрические параметры. Различия в характере местности и её свойствах, соотношение прямых и косвенных признаков, созданных разными факторами, определяет выбор космической информации и методов ее дешифрирования. Связи индикаторов и демаскируемых ими объектов всегда вероятностны. Чем строже и определеннее они оценены, тем достовернее результат дешифрирования, максимально отвечающий целям, задачам и тематической направленности исследования. При комплексном изучении различных геосистем особое внимание уделяется интеграции данных о природной среде. Дистанционная индикация является одним из методов, при котором интеграция осуществляется в процессе образования электромагнитного сигнала.
Лишь совокупное использование различных дистанционных методов, а также полный и правильный выбор индикаторов обеспечивает получение многосторонней информации о геосистемах – составе, ритмике, динамике, плановой структуре и геофизических характеристиках.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 16-05-00902).
Источник статьи: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36128
Ландшафтная индикация динамики природной среды и антропогенных изменений экологических УСЛОВИЙ
С помощью метода ландшафтной индикации могут быть изучены и отражены на кар-
тах по аэрофото- и космическим снимкам основные природные экзогенные процессы; в частности: заболачивание, подтопление, засоление, опустынивание (обусловлены деятельностью подземных и поверхностных вод, атмосферных осадков); плоскостная эрозия, линейная эрозия с образованием водороин и промоин, овражная эрозия с образованием оврагов (деятельность поверхностных вод); карстовые явления и суффозия (деятельность подземных и поверхностных вод), оползневые процессы (деятельность гравитационных сил, подземных вод), ветровая эрозия, эоловые процессы ( деятельность ветра), зарастание и заторфовывание водоемов (биогенная деятельность).
Ландшафтно-индикационное дешифрирование аэро- и космической информации также позволяет наиболее объективно и на значительной площади установить и отразить на картах виды, характер, степень и силу антропогенных воздействий, проявляющихся на исследуемой территории. Развитие природно-антропогенных и антропогенных процессов определяется совокупностью факторов, возникших под влиянием деятельности человека и природных экзогенных процессов. В большинстве случаев они отличаются от природных процессов большей интенсивностью, быстротой развития, более разноообразным характером и ограниченной площадью своего проявления.
К основным антропогенным процессам, дешифрируемым на снимках относятся проседание земной поверхности (горные выработки), осушение болот, заболоченных земель (проведение осушительных мероприятий), осушение и переосушение (понижение уровня грунтовых вод при горных разработках); поверхностное переувлажнение (выпас скота), заболачивание почв (сенокошение), переувлажнение (рубка леса, лесные пожары), ветровая эрозия (проведение строительных работ, распашка земель), водная эрозия (уничтожение естественной растительности, распашка склонов), заболачивание, засоление (чрезмерное орошение), опустынивание (уничтожение растительного покрова, перераспределение поверхностного стока) и др.
Различают три степени антропогенных воздействий, прямо или косвенно влияющих на природную среду. Слабое однократно или непостоянно действующее воздействие не вызывает перестройки ландшафтной структуры, характерно для территорий с экстенсивным ведением хозяйства. Средние или сильные однократные антропогенные воздействия дают толчок для ускорения природных процессов, что приводит к перестройке структуры ландшафта. Сильное многократное или постоянно действующее антропогенное воздействие приводит к формированию новых, антропогенных ландшафтов. Примером слабого антропогенного воздействия могут служить пастбища при строгом соблюдении норм выпаса, среднего — вырубка леса, распашка земель, сильного — строительство городов, водохранилищ, горнопромышленные комплексы.
В Западной Европе выделяют несколько степеней окультуренности ландшафтов. 1. Неокультуренные ландшафты. Антропогенные воздействия отсутствуют. Скалистые, болотистые, тундровые области, высокогорья. 2. Слабоокультуренные ландшафты. Леса с незначительным уходом, слабым выпасом, развитием низинных и верховых болот. 3. Сред- неокультуренные ландшафты. Используемые луга, пастбища, вырубки и раскорчевки леса, реже распашка земель. 4. Типичные окультуренные агроландшафты с интенсивно используемыми пастбищами, регулярной вспашкой, применением удобрений, пестицидов. 5. Сильноокультуренные ландшафты с применением глубокой вспашки, почти полным уничтожением естественной растительности.
Доля чуждых, ранее отсутствовавших элементов (неофитов) во флоре ландшафтов первой степени составляет 0, второй — менее 5, третьей -5-12, четвертой — 13-17, пятой — 18-22%.
Основными методами выявления и исследования экзогенных природных и антропогенных процессов с помощью аэрокосмической информации являются изучение в полевых условиях и дешифрирование на снимках пространственно-экологических рядов, территориальных комплексов и их индикаторов с последующей экстраполяцией стадий изучаемого процесса во времени на основании смены стадий развития процесса в пространстве, либо на основе дешифрирования и сравнения аэрофото- и космоснимков, полученных при фотосъемке одной территории через значительные промежутки времени.
- Ландшафтно-индикационный подход к прогнозированию динамики экологических условий
При прогнозировании экологических условий различают пространственный и пространственно-временной географические прогнозы. К первому можно отнести прогноз нахождения того или иного объекта на территории, не обследованной непосредственно, а
Физиономичные компоненты ландшафта (индикаторы)
Труднонаблюдаемые компоненты ландшафта (объекты индикации)
Основные дешифровочные признаки индикаторов
ность
условия
опасности
Холмистые моренные суглинистые равнины на палеозойском фундаменте (известняки, доломиты с прослоями глин, песков, песчаников и гипса)
Злаково-разно- травные луга чередуются с небольшими участками пашен
Грунтовые воды спорадического распространения. Глубина залегания 1-2,5; 3-5 м, местами более 5 м. Местами верховодка в прослоях и линзах песков и супесей среди валунных суглинков моренных отложений на глубине 0-0,5; 0,5-1,Ом
опасные
супеси
Продолжение табл. 8
лишь на основе экстраполяционных построений. Ко второму — прогноз пока еще не существующих изменений экологических условий, но возможных при естественном ходе развития природной среды или осуществлении тех или иных мероприятий (Востокова, Сущеня и др., 1988).
В соответствии с двумя указанными видами прогнозов динамики природной среды составляют два типа прогнозных карт:
- карты, отражающие распределение в пространстве какого-либо индикатора природных процессов, на основании чего можно прогнозировать наличие этих процессов, стадии и скорости их развития на всей площади исследования;
- карты, отражающие возможное состояние природной среды в будущем при тех или иных условиях антропогенного воздействия или естественного развития ландшафтов.
В настоящее время наибольшее распространение получили пространственно-временные прогнозы динамики природной среды под воздействием антропогенных факторов. Они начали особенно широко разрабатываться в связи с планированием строительства крупных гидротехнических сооружений, мелиорацией земель, перераспределением стока крупных рек.
Составление пространственно-временных прогнозов проводится в несколько этапов, каждый из которых завершается разработкой специальных карт.
На первом этапе изучается современное состояние территории и использование ее природных ресурсов на основе аэрокосмической информации, топографических карт, полевых исследований наземными методами с составлением ландшафтной карты и других карт современного состояния природной среды, в том числе современного использования земель.
Цель второго этапа — изучение динамики природной среды и ее естественных тенденций на основе анализа разновременных аэро- и космических снимков одной территории, ранее составленных ландшафтной и тематических карт, многолетних наблюдений за динамикой природных процессов на ключевых участках. В итоге этого этапа получают карты динамики природной среды.
На третьем этапе изучают проектные материалы, устанавливают возможные или планируемые антропогенные воздействия, составляют карты размещения планируемых мероприятий.
На четвертом этапе исследуют особенности устойчивости природных территориальных комплексов к антропогенным воздействиям, возможной реакции комплексов на воздействия с использованием литературных сведений, фондовых материалов по свойствам отдельных компонентов среды, их взаимосвязям, динамике, возможным реакциям; разновременной аэрокосмической информации. Результатом этого этапа является составление оценочных карт устойчивости территориальных комплексов, схем ландшафтных взаимосвязей, предварительных прогнозных карт.
На заключительном пятом этапе на основе данных, полученных на предыдущих этапах, разрабатываются карты прогноза динамики природной среды, карта оптимального варианта планируемых воздействий. В большинстве случаев основой прогнозных карт являются ландшафтно-индикационные карты, на которых объектами индикации являются литология и засоление поверхностных отложений, гидрогеологические условия (глубина залегания и степень минерализации грунтовых вод ), почвы, тектонические движения и др.
При разработке прогнозных карт большое значение имеет комплексная оценка экологических условий территории, системный подход к их построению, учет региональных особенностей, существующих и планируемых хозяйственных мероприятий, устойчивости территории к фактору воздействия.
В легенде карты прогноза динамики природной среды указываются современные состояния ландшафтов, степени их изменения, прогнозируемые состояния основных компонентов, производных природно-территориальных комплексов, появление которых предполагается в результате изменения условий.
Источник статьи: http://uchebnikfree.com/ekologicheskiy-monitoring-teoriya/landshaftnaya-indikatsiya-dinamiki-prirodnoy-32761.html
