Геоинформационное моделирование долинно-речных ландшафтов среднерусской лесостепи

А.А. Глотов, В. Б. Михно

Воронежский государственный университет, Россия.

Применение методов ГИС-моделирования позволяет автоматизировать решение множества задач, начиная от вычисления расстояний и площадей, и заканчивая построением моделей сложных геосистем и процессов с целью управления и прогнозирования будущих состояний.

Моделирование ландшафтных комплексов и, в частности, долинно-речных, методами геоинформатики целесообразно именовать геоинформаци- онным моделированием ландшафта. Созданные на его основе модели ландшафта относятся к классу информационных моделей [2]. Отдельные аспекты ГИС-моделирования ландшафта (картографирование, морфометрический анализ и др.) и применения ГИС в литературе по физической географии освещены и имеют определенную апробацию [8, 14, 9, 13, 17]. Однако, до сих пор не уделено должного внимания таким представлениям как

Долинно-речные ландшафты - важнейшая категория природно-территориальных комплексов Среднерусской лесостепи. Они образуют здесь остов основного ландшафтно-экологического каркаса, роль которого в поддержании оптимальной экологической обстановки региона исключительно велика и требует к себе самого пристального внимания. Вместе с тем, долинно-речные ландшафты вносят значительное разнообразие в структурно-функциональную организацию среднерусской лесостепи, предопределяют ее устойчивость и высокий почвенно-растительный потенциал, снижают негативное влияние засух и суховеев, создают комфортные условия для жизни и деятельности населения.

Ландшафтные комплексы речных долин тесно взаимосвязаны направленными потоками вещества (жидкий и твердый сток, миграции химических элементов и др.) и образуют своеобразные парагенетические ландшафтные системы - наиболее динамичные структурно-функциональные элементы речных бассейнов. Учет ландшафтообразующей роли и состояния долинно-речных комплексов необходим при решении многих задач, связанных с совершенствованием системы природополь-

«ландшафтная модель данных», «структурно-динамическая организация природно-территориальных комплексов», «модель ландшафтного процесса» и другие. Кроме того, отсутствует сама теоретическая концепция геоинформационного моделирования ландшафта.

При осуществлении геоинформационного моделирования долинно-речных ландшафтов Среднерусской лесостепи решался ряд методических задач. В частности, были обоснованы объект, предмет, пути моделирования и реализации моделей.

Объектом исследования геоинформационного моделирования ландшафта выступает ландшафт (природно-территориальный комплекс).

В качестве предмета исследования рассматривались особенности представления и анализа структурно-динамической организации ландшафтов средствами ГИС.

К числу основных методических задач геоин- формационного моделирования ландшафта были отнесены следующие положения: 1) разработка и реализация теоретической модели ландшафта в среде ГИС (концептуальная ландшафтная модель данных) - подразумевается набор теоретических положений моделирования структуры, динамики, межкомпонентных взаимосвязей, а также па- радинамических связей между ландшафтами;

формирование прикладных ландшафтных моделей данных, характеризующих структурно-динамическую организацию природно-территориальных комплексов для определенных целей исследования; 3) разработка алгоритмов анализа данных - математических методов анализа формализованного представления геосистемы; 4) разработка геоинформационных моделей ландшафтных процессов.

Геоинформационное моделирование долинноречных ландшафтов потребовало привлечение четких и наиболее устоявшихся определений и понятий ландшафта. Как известно, в науке не существует единого понимания термина «ландшафт» [3, 7, 10, 12, 15, 16]. Это затрудняет использование представлений о ландшафте в процессе геоинформа- ционного моделирования.

В настоящее время в литературе существует три основных трактовки термина «ландшафт»: ландшафт - региональная единица; ландшафт - обобщенное типологическое понятие физико-географических комплексов; ландшафт - общее понятие, синоним региональных и типологических комплексов любого таксономического ранга [11]. Согласно общей трактовке, в пределах ландшафтной сферы выделяются региональные, типологические и парадинамические природные комплексы.

Из имеющихся трактовок ландшафта нами было избрано определение, обоснованное Ф.Н. Мильковым [12]. Согласно его взглядам, «ландшафт (природно-территориальный комплекс, ПТК) - пятимерная саморегулируемая и са- мовосстанавливаемая незамкнутая система взаимосвязанных компонентов и комплексов более низкого ранга, функционирующая под воздействием одного или нескольких компонентов, выступающего в роли ведущего фактора» [12, с. 191].

Под геоинформационным моделированием понимается метод, основанный на построении и использовании моделей пространственных объектов, их взаимосвязей и динамики процессов средствами ГИС [4]. Данный метод относится к группе методов информационного моделирования и основан на теории информационных систем.

При геоинформационном моделировании наиболее важными понятиями являются модель данных и алгоритм анализа. Под моделью данных понимается совокупность принципов организации данных; математическая конструкция для представления географических объектов или полей, а под алгоритмом анализа данных - логически обусловленная последовательность программных действий с целью получения определенного результата. Собственно модель данных и определяет методы анализа.

Базовыми моделями данных в географических информационных системах являются векторная (нетопологическая и топологическая) и растровая. В настоящее время активное развитие технологии объектно-реляционных баз данных привело к формированию модели базы геоданных (БГД), или пространственной БД, основанной на таких понятиях как сущность (таблица) и связь. База геоданных по существу выступает прототипом моделируемых объектов, ситуаций, отношений. В зависимости от решаемых задач исследователь проектирует структуру БГД, в которой могут быть использованы различные более простые модели данных - как векторные, так и растровые, но уже как части единой информационной модели.

При решении конкретных задач средствами ГИС возникает необходимость в использовании прикладных моделей данных. Эти модели являются виртуальной имитацией объектов управления или изучения. В них можно воспроизводить свойства или взаимоотношения реальных объектов, их поведение [1]. Вопросам проектирования прикладных моделей данных и баз геоданных посвящена работа М. Зейлера [20].

Модель объекта, используемая при исследовании, определяет набор инструментов анализа и специфику алгоритмов обработки данных. При этом можно выделить следующие основные аналитические возможности ГИС: 1) аналитические функции работы с базами данных; 2) картометрические функции; 3) моделирование поверхностей и анализ растровых изображений; 4) построение буферных зон; 5) оверлейные операции; 6) районирование (зонирование) и др.

На наш взгляд, необходимо различать геоин- формационные модели компонентов ландшафта, ландшафтных процессов и собственно ландшафтов. Создание перечисленных видов моделей позволяет получить полную, в т.ч. скрытую, информацию о структурно-функциональных особенностях долинно-речных ландшафтов.

Геоинформационные модели компонентов ландшафта представлены цифровыми моделями рельефа, климата, литогенной основы, флоры и фауны, а также цифровыми моделями использования земель (антропогенный фактор). Подобные модели используются для изучения особенностей и анализа отдельных компонентов ландшафта, и являются источником информации при моделировании самого ландшафтного комплекса.

Кроме того можно выделить модели неполных физико-географических систем (рельеф - почва, рельеф - климат - растительность и пр.).

Геоинформационные модели ландшафтных процессов (landscape evolution models, LEM) представляют собой определенные алгоритмы анализа данных в ГИС, в результате использования которых появляется информация о будущих состояниях исследуемой территории. Эти модели служат для изучения динамической составляющей ПТК, их эволюции, а также возможных последствий в результате различного типа воздействий. Примером подобных механизмов моделирования являются SIBERIA, GOLEM, CHILD, CAESAR, WEPP, LAPSUS и др. [19]

Геоинформационная модель ландшафта представляет собой определенную модель данных, раскрывающую структурно-динамическую организацию ПТК с позиции цели исследования. При этом можно выделить концептуальную и прикладные ландшафтные модели данных. Концептуальная ландшафтная модель данных представляет собой способ организации БГД, наиболее полно соответствующей современным теоретическим представлениям о ландшафте, т.е. идеализированную модель. Прикладные модели данных разрабатываются для решения конкретных задач научно-практической деятельности. Например, ландшафтная модель данных для целей анализа склоновых процессов речной долины, эволюции долинно-речных ландшафтов и т.д.

С позиции геоинформационного моделирования любой долинно-речной ландшафтный комплекс можно представить как сложную функцию, а ее параметры представляют собой более простые функции:

L = f(p, г, c, h, s, b, a, t), где L - ландшафт; p - литогенная основа; г - рельеф; c - климат; h - воды; s - почвенный покров; b - биота (растительность и животный мир); a - антропогенный фактор; t - время.

Наибольшие возможности для моделирования предоставляет модель пространственной базы данных. В БГД ландшафтные комплексы могут быть представлены как сущность (таблица) или набор сущностей. Каждая таблица включает ландшафты одного таксономического уровня, при этом каждой записи соответствует конкретный природнотерриториальный комплекс (ПТК). Данный класс объектов имеет полигональный тип геометрии. Ат - рибутивное описание в наиболее полном виде может содержать координаты границы объекта, топологическую информацию (соседство, вложенность и др.), а также набор параметров, характеризующих ПТК с позиций необходимых исследователю. Например, средняя величина уклона, экспозиции, кривизны, индекса мощности эрозии.

Моделирование внутренней комплексной структуры ландшафтов в БГД реализуется посредством создания взаимосвязей между таблицами, в которых находится информация о ландшафтных комплексах различного таксономического уровня.

При изучении структурных элементов долинно-речного ландшафта локального и регионального уровня (фация - урочище - местность - район) одними из наиболее важных выступают параметры рельефа, которые могут быть получены в результате геоморфометрического анализа (анализа цифровой модели рельефа). Морфометрические параметры конкретного ландшафта в общем виде можно подразделить на несколько категорий:

геометрические (уклон, экспозиция, кривизна, зоны видимости, расчлененность рельефа и др.);

гидролого-морфологические (высота и уклон бассейна, направление и экспозиция стока, топографический индекс влажности, индекс мощности эрозии, фактор смыва почвы и др.); 3) климатические (температура подстилающей поверхности, интенсивность воздействия ветра и др.); 4) энергетические (количество солнечной радиации, гравитационная энергия, работа геомасс); 5) параметры, характеризующие высотное положение ПТК (относительная высота, глубина долины и др.);

прочие показатели [18].

Моделирование структуры долинно-речных ПТК может быть осуществлено посредством отношений между различными таблицами в БГД. Каждый природно-территориальный комплекс (кроме фации как ПТК наименьшего таксономического ранга) состоит из системы ландшафтных единиц более низкого таксономического уровня. Ландшафты разных таксономических уровней представляют собой отдельные таблицы в БГД, но, например, ряд объектов в таблице «Урочища» являются структурными частями одного объекта в таблице «Местности», их вложенность в конкретную местность определяется через создание взаимосвязи между таблицами и внешние ключи (тип связи «один ко многим»). Таким образом, каждый объект таблицы «Местности» имеет свой ключ (один из атрибутов, идентифицирующий данную запись), который указывается и в описании урочищ - структурных элементов данной местности.

Моделирование динамики долинно-речныхлан- дшафтов может быть осуществлено на основе двух подходов к анализу информации о разновременном состоянии ПТК и свойственных им процессов.

Моделирование на основе имеющейся информации о разновременных состояниях ПТК, требует разносторонних данных о динамике ландшафтов. Подобная информация может быть получена из серии динамических карт или космических снимков, на основании которых производится анализ динамики. Такой подход позволяет осуществлять ретроспективный ландшафтный анализ, а также построения моделей ландшафтных процессов, свойственных долинно-речным комплексам.

Моделирование на основе имеющихся геоин- формационных моделей ландшафтных процессов базируется на информации, раскрывающей современную структуру и параметры ландшафтных ком - плексов. В данном случае исходные данные обрабатываются с использованием модели процесса и результатом выступает информация о структурной организации ландшафта через заданный промежуток времени. Применение этого подхода наиболее уместно при осуществлении ландшафтного прогнозирования развития долинно-речных систем.

Применение моделей эволюции ландшафтов предусматривает составление вероятностных сценариев развития исследуемой территории. Сценарии в большинстве моделей (LAPSUS, GOLEM, CHILD и др.) могут быть разработаны на основе данных о тектонике, климате и других факторах, принимающих участие в формировании и функционировании долинно-речных ПТК. Таким образом, появляется возможность оценить изменения в ландшафтной структуре долинно-речных комплексов, выявить благоприятные и негативные тенденции их развития, а также разработать рекомендации по управлению природной средой и рациональной организации природопользования в условиях конкретных речных бассейнов.

Моделирование парадинамических взаимосвязей долинно-речных ПТК. В основе моделирования парадинамических взаимосвязей между ландшафтными комплексами, а также внутри их лежит информация о взаимном расположении (топологические отношения), а также параметрах, описывающих характер, направление и интенсивность перемещения вещества, энергии и информации [5].

Наиболее значимыми параметрами, характеризующими парадинамические взаимосвязи являются: 1) абсолютная и относительная высота ПТК - преобладание переноса вещества и энергии сверху - вниз, гравитационная составляющая; 2) направление стока - характеризует направленность па- радинамических взаимосвязей, осуществляемых посредством перемещения гидромасс между ландшафтными комплексами; 3) перемещение обломочного материала (deposition function) - моделирует параметры разрушения и отложения педо- и литомасс. Данная функция отражает направление и интенсивность парадинамических взаимосвязей посредством перемещения обломочного материала; 4) моделирование зон затопления - характеризует интенсивность парадинамических взаимосвязей в пределах пойменного типа местности (пара- динамическая система: русло - пойма); 5) интенсивность воздействия ветра - моделирует параметры парадинамического взаимодействия между природными комплексами посредством перемещения воздушных масс.

Практическое применение. С целью изучения эволюции долинно-речных ландшафтов Среднерусской лесостепи нами была создана база геоданных (.gdb) «Долинно-речные ландшафты» в среде ArcGIS, включающая несколько наборов классов объектов, а также различную информацию о компонентах долинно-речных ландшафтов.

Рис. Фрагмент ландшафтной карты поймы р. Хопер Условные обозначения: Пм1 - тип урочища глубоководного русла реки с аллювиальными донными отложениями; Пм2 - тип урочища старицы прирусловой поймы с илистыми грунтами и водно-болотной растительностью; Пм3 - тип урочища старицы центральной поймы с илистыми грунтами и водно-болотной растительностью; Пм4 - тип урочища низкой поймы с лугово-болотными почвами и травянисто-болотной растительностью; Пм5 - тип урочища низкой поймы с пойменными болотными почвами и тростниково-кустарниковой растительностью; Пм6 - тип урочища низкой поймы с аллювиальными луговыми насыщенными почвами и луговой растительностью; Пм7 - тип урочища низкой поймы с песчаными аллювиальными почвами и ивняковой растительностью; Пм8 - тип урочища низкой поймы с болотными лесными почвами и черноольшанниковым лесным сообществом ; Пм9 - тип урочища низкой поймы с пойменно-лесными почвами и дубравно-осиновым лесным сообществом ; Пм10 - тип урочища высокой поймы с песчаными почвами и ивняковой растительностью; Пм11 - тип урочища высокой поймы с пойменно-лесными слоистыми почвами и дубравным лесным сообществом.

Изучение современной структурно-динамической организации и эволюции долинно-речных ландшафтов Среднерусской лесостепи осуществлялось в несколько этапов.

Сбор и внесение в БГД пространственной и атрибутивной информации о компонентах ландшафта, структуре и динамике ландшафтов (разновременные космические снимки, ландшафтные карты, морфометрические параметры, вегетационные индексы др.).

Построение моделей современной структурно-динамической организации долинно-речных ландшафтов в виде системы взаимосвязанных таблиц в БД с атрибутивным описанием, а также набора растровых моделей различных параметров ландшафтов (энергетические, гидрологические, климатические и прочие параметры).

Осуществление ретроспективного ландшафтного анализа на основании палеогеографических данных, разновременных космических снимков и картографического материала.

Построение вероятностных сценариев развития долинно-речных ландшафтов на основании моделей эволюции.

Разработка рекомендаций по оптимизации системы природопользования в пределах долинно-речных ландшафтов Воронежской области.

Анализ структурно-динамической организации долинно-речных ландшафтов осуществлялся на двух масштабных уровнях: региональном (место речных долин в бассейновой организации ландшафтов Воронежской области) и локальном (крупномасштабные исследования на территории ключевых участков) (рис.).

На региональном уровне раскрывается общее положение речных долин на исследуемой территории, особенности развития их ресурсного пространства, а также их региональная структура на уровне зональный тип - ландшафтный отрезок - ландшафтный участок.

На локальном уровне осуществлены крупномасштабные исследования структуры и динамики речных долин в пределах различных ландшафтных отрезков. Создана обширная база данных, включающая информацию о природных комплексах ранга местность и урочище с различных позиций - геоморфологических, энергетических, климатических, биотических и пр. Данная информация наиболее полно раскрывает современное структурно-функциональное состояние долин рек Дон, Хопер, Битюг, Черная Калитва, Тихая Сосна и др., а также может быть использована при решении актуальных задач хозяйственной деятельности - создания системы рационального природопользования в пределах Среднерусской лесостепи.

Список литературы

Андрианов В. Ю. Модели данных в ГИС /

В.Ю. Андрианов // ArcReview. - М. : Дата+, 2010. - N° 4. - С. 5-6.

Арманд А. Д. Информационные модели природных комплексов / А. Д. Арманд. - М. : Наука, 1975. - 126 с.

Арманд Д. Л. Наука о ландшафте / Д. Арманд. - М. : Мысль, 1975. - 287 с.

Геоинформатика : в 2 кн. : учеб. для студентов высш. учеб. заведений / Е. Г. Капралов [и др.] - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Изд. центр Академия, 2008. - Кн. 1. - 384 с.

Глотов А. А. Теоретические аспекты геоинфор- мационного моделирования парадинамических ландшафтов / А. А. Глотов // Геоинформационное картографирование в регионах России : материалы 3-й Всероссийской науч.-практ. конф. - Воронеж : Науч. книга, 2011. - С. 34-7.

Журкин И. Г Геоинформационные системы / И. Г Журкин, С. В. Шайтура. - М. : КУДИЦ-ПРЕСС, 2009. - 272 с.

Исаченко А. Г. Ландшафтоведение и физико-географическое районирование / А. Г. Исаченко. - М. : Высш. школа, 1991. - 366 с.

Истомина Е. А. Геоинформационное моделирование и картографирование ландшафтных комплексов Прибайкалья : автореф. дис. ... канд. геогр. наук. / Е. А. Истомина. - Барнаул, 2006. - 24 с.

Линник В. Г. Построение геоинформационных систем в физической географии / В. Г. Линник. - М. : Изд-во МГУ, 1990. - 80 с.

Мильков Ф. Н. Ландшафтная сфера Земли / Ф. Н. Мильков. - М. : Мысль, 1970. - 207 с.

Мильков Ф. Н. Терминологический словарь по физической географии / Ф. Н. Мильков, А. В. Бережной, В. Б. Михно. - М. : Высш. школа, 1993. - 228 с.

Мильков Ф. Н. Физическая география: учение о ландшафте и географическая зональность / Ф. Н. Мильков. - Воронеж : Изд-во Воронеж. ун-та, 1986. - 328 с.

Михно В. Б. Этапы создания ландшафтной гео- информационной системы Центрально-Черноземных областей / В. Б Михно, А. С. Горбунов, О. П. Быковская // Геоинформационное картографирование в географии и геоэкологии : сб. ст. - Воронеж : Истоки, 2010. - 112 с.

Отображение пространственного варьирования свойств ландшафтного покрова на основе дистанционной информации и цифровой модели рельефа / Д. Н. Козлов [ и др.] // Изв. РАН. Сер. географическая. - 2008. - № 4. - С. 112-124.

Солнцев Н. А. Учение о ландшафте (избранные труды) / Н. А. Солнцев. - М. : Изд-во МГУ, 2001. - 384 с.

Сочава В. Б. Введение в учение о геосистемах /

Б. Сочава. - Новосибирск : Наука, 1978. - 320 с.

Сысуев В. В. Морфометрический анализ геофизической дифференциации ландшафтов / В. В. Сысуев // Изв. АН. Сер. географическая. - 2003. - № 4. -

36-50. Geomorphometry : Concepts, Software, Applications / by ed. Tomislav Hengl, Hannes I. Reuter/ - Amsterdam : Elsevier , 2009. - 765 p.

Tools in Fluvial Geomorpholgy / by editing G. Mathias Kondolf, Herve Piegay. - New York : Wiley, 2003. - 668 p.

Zeiler M. Modeling our World / M. Zeiler. - Redlands : ESRI, 1999. - 199 p.