10.2. Вивчення структури
Вивчення структури явищ і процесів за картами - це виявлення і аналіз їхніх елементів, розміщення в просторі, конфігурації, порядок (рівень) та ієрархія. Кінцева мета дослідження завжди полягає в пізнанні просторової організації геосистем, їхнього генезису, у розкритті механізму функціонування.
Один з найбільш інформативних способів вивчення структури - аналіз конфігурації картографічних образів, тобто вивчення геометричного малюнка зображення. За зовнішнім виглядом об'єкта можна зробити висновок про його морфологію, генезис, про фактори, що сформували той або інший об'єкт. На рис. 10.1 показані деякі типові конфігурації географічних об'єктів, за якими можна зробити припущення про їхній генезис. Так, паралельний рисунок гідрографічної мережі свідчить про систему тріщинуватості того ж простягання, якій підпорядковуються річкові долини, а радіальне розтікання водотоків - про куполоподібне тектонічне підняття. Деревоподібна конфігурація ґрунтових контурів означає їхню приуроченість до долин рік, а віялоподібний рисунок характерний для природних об'єктів, що формуються на дельтах, і т.д.
Картографічний метод дозволяє ефективно виявляти просторові закономірності і аномалії, тобто типові, стійкі, широко розповсюджені структури та відхилення від них. Карти, що мають велику оглядовість призначені для виявлення загальних закономірностей глобального і регіонального рівнів. У значній мірі цьому сприяє і генералізація, що звільняє зображення від дрібниць, деталей і проявляє головні, найбільш істотні її риси.
Рис. 10.1. Типові конфігурації об'єктів на тематичних картах природи.
а - паралельний рисунок (гідромережа Приобського плато); б - деревоподібний рисунок (ґрунтові ареали в долині р. Ігріт); в - ґратчастий рисунок (розломи в Предбайкалі); г - віялоподібний рисунок (розривні порушення в Східному Саяні);
д - віялоподібний рисунок (дельта р. Селенги); е - радіальний рисунок (річкова мережа на Путоранському піднятті); ж - дугоподібний рисунок ( р. Вілюй);
з - кільцевий рисунок (тектонічні структури в Казахстані); и - плямистий рисунок (плями талих і мерзлих порід в Якутії).
Нагадаємо, що саме завдяки оглядовості карт були встановлені такі найважливіші закономірності географічної структури, як зональність, мережа планетарних лінеаментів, єдина система серединно-океанічних хребтів і рифтових зон, структура центральної місцевості і т.п. Глобальні системи лінеаментів можна виявити при уважному аналізі карт будь-якого масштабу. На карті Півночі Російської рівнини (рис. 10.2) чітко виявлена система північно-західних і північно-східних лінеаментів. Їм підкоряються берегові лінії морів і озер, напрямки вододілів і річкових долин. Такими є контури Кольського півострова, береги Білого і Печорського морів, витягнуті озера Карелії, долини рік Північної Двіни, Онеги, Мезені, Вашки, Сухони, Печори, Уси, Тиманський кряж, Північний Урал, хребет Пай-Хой і інші великі гідрографічні елементи. Все це - відображення системи тріщинуватості, що охоплює всю планету і завдячує своїм походженням ротаційним напругам, що виникають на земній кулі. Цікаво, що аналогічні системи північно-західних і північно-східних лінеаментів можна побачити і на картах інших планет земної групи. Це загальна закономірність планетарного рельєфу.
Рис. 10.2. Основні лінеаменти північно-західного і північно-східного простягань, які виявляються на фізичній карті Півночі Російської рівнини.
На фоні закономірностей нерідко вдається помітити аномалії, і око досвідченого дослідника порівняно легко їх розпізнає. В якості ілюстрації на рис. 10.3 показана унікальна для Півночі Російської рівнини широтна орографічна аномалія в смузі між 65° і 66° пн. широти. Немов глибока борозна прорізає Тиманський кряж, і в ній розташовані долин рік Пези, Цільми, Печори. Вона аномальна стосовно пануючих тут північно-західних лінеаментів. Так проявлена в рельєфі глибинна Транстиманськая тектонічна дислокація.
Рис. 10.3. Річкова мережа в районі Транстиманської дислокації. Точковим пунктиром показане простягання дислокації.
Вивчаючи структуру явищ, часто намагаються виявити основні і другорядні компоненти. Відокремити аномалії від фону допомагає операція розкладання картографічного зображення на складові, яку можна виконати за допомогою усереднення, апроксимації або фільтрації. У задачі про розклад приймається, що показане на карті явище є результатом сукупного впливу основного, найбільш значного, фонового фактора, що залежить від причин регіонального, а іноді навіть глобального масштабу, і додаткових факторів, що накладаються на загальний фон і ускладнюють картину, - їх називають залишковими або аномальними.
Прикладами можуть бути ареали підвищеного радіаційного забруднення на фоні припустимих значень, локальні підняття і опускання на фоні регіональних тектонічних рухів, місцеві кліматичні особливості, що накладаються на зональні закономірності і т.п.
Найпростіший спосіб розкладу - графічне усереднення. Для цього на вихідній карті розміщають сітку регулярних точок так, як показано на рис. 10.4, у центрі кожної шестикутної комірки обчислюють значення середнього, як середнього зі значень вершин і центра комірки. На ізолінійній карті, відображена усереднена фонова поверхня (рис. 10.4 в), яка передає головні, найбільш великі риси структури. Якщо далі в кожній точці взяти різниці між фактичним і усередненим значеннями і провести по них ізолінії, то отримаємо залишкову поверхню, яка показує розміщення аномалій, відхилень, другорядних деталей (рис. 10.4 г).
Рис. 10.4. Графічний розклад поверхні на складові.
а - гексагональна сітка, по якій здійснюється усереднення; б - вихідна поверхня з відмітками висот; в - усереднена фонова поверхня з усередненими значеннями висот; г - залишкова поверхня з величинами відхилень вихідної поверхні від фонової.
Аналогічний ефект розкладу на складові досягається і при розрахунку апроксимуючої поверхні і відхилень від її фактичної вихідної поверхні. При цьому передбачається, що фонова складова описується деякою невипадковою функцією, а невраховані відхилення від неї відповідають залишковій поверхні. Інакше кажучи, члени апроксимуючого рівняння прирівнюються до членів рівняння розкладу на складові.
На рис. 10.5 представлена карта опадів теплого періоду року на території Республіки Комі і результати її розкладу на фонову поверхню 1-го порядку і залишкову поверхню. Карта фонової поверхні передає загальне збільшення кількості опадів у напрямку на південний схід, що може бути пов'язане із трансформацією мас арктичного повітря в міру їхнього просування в глиб материка. А карта залишкової поверхні показує відхилення від цієї закономірності, зокрема різке збільшення кількості опадів на західних схилах Уралу і в районі Тиманського кряжа.
Рис. 10.5. Карта опадів теплого періоду (у мм) на території Республіки Комі (а) і карти фонової (б) і залишкової (в) поверхонь, отримані в результаті апроксимації рівнянням 1-го порядку
Поглиблене вивчення структури явищ нерідко вимагає перетворення картографічного зображення, тобто трансформування його з метою створення похідних карт і отримання по них нової інформації. Розрізняють кілька видів перетворення.
Вичленування, тобто виділення на карті компонентів, що цікавлять дослідника, складної геосистеми і зняття надійних деталей. Виділені елементи з'являються в наочній і зручній для даного дослідження формі, наприклад у вигляді системи спрямованих елементів рельєфу та гідрографії, як на рис. 10.2.
Схематизація - усунення другорядних деталей і подання картографічного зображення в спрощеному вигляді. Так, при схематизації гіпсометричного зображення та знятті деталей ерозійного розчленовування проявляється основна первинно-тектонічна структура рельєфу (рис. 10.6).
Деталізація - перетворення, протилежне схематизації, воно має на меті зробити зображення більше детальним. Наприклад, на топографічній карті можна деталізувати зображення ерозійної мережі, провівши за вигинами горизонталей тальвеги тимчасових водотоків.
Континуалізація - заміна дискретного картографічного зображення безперервним, що пов'язане із введенням поняття «географічне поле». Наприклад, карту тектонічних тріщин перетворюють у псевдоізолінійну карту поля тріщинуватості (рис. 10.7), карту розселення - у карту щільності населення, карту розміщення лісів - у карту заліснення і т.п. Такі перетворення дають представлення про максимуми та мінімуми розподілу, на похідних картах добре корелювати з іншими ізолінійними картами.
Рис. 10.6. Схематизація. Перетворення карти сучасного рельєфу в карту морфоізогіпс: а - сучасний рельєф; б - відновлений «первинний» рельєф; точковим пунктиром показане узагальнення деяких горизонталей.
Дискретизація - зворотне перетворення, що має метою переклад безперервного зображення в дискретну форму. Добрим прикладом може бути інтерполяція за сіткою точок при створенні цифрових моделей за картами з ізолініями або картограмами.
Рис. 10.7. Континуалізація.
а - перетворення карти тріщин широтного простягання в карту поля тріщинуватості (км/км2); б - перетворення карти розміщення тетерячих птахів у карту їхньої щільності; значками показана кількість птахів, а на ізолінійній карті - їхня щільність на 1 км2.
Засобами подібних перетворень часто є графічні оператори - сітки рівномірно або нерівномірно розташованих точок, геометричних комірок, у кожній з яких виконують перерахунок вихідних даних і отримують похідні показники. Якщо комірки (квадрати, кружки і ін.) перекриваються за площею, то їх називають ковзними операторами. Приклади найбільш типових операторів показані на рис. 10.8.
Рис. 10.8. Оператори (сітки і палетки), застосовувані для перетворення картографічного зображення.
а - регулярні оператори, що не перекриваються: 1 - квадратна сітка; 2 - гексагональна сітка; 3 - концентрична палетка; б – регулярні, що перекриваються (ковзні) оператори: 4 - ковзні кружки; 5 - шестикутники, що перекриваються; в - нерегулярні оператори: 6 - випадково обрані квадрати; 7 - вибірково взяті кружки.
Перетворення поділяють на одноразові і багаторазові. У свою чергу, багаторазові перетворення бувають паралельними і послідовними. При паралельних перетвореннях за вихідною картою отримують відразу кілька похідних карт. Наприклад, за топографічною картою будують карти розчленовування рельєфу, ухилів, експозиції схилів та ін. В інших випадках карту послідовно перетворять в іншу карту, її, у свою чергу, - у ще іншу карту і т.п. Наприклад, за картою рельєфу спершу будують карту глибини розчленовування, потім послідовно - похідні карти інтенсивності змиву, ерозійної небезпеки, ґрунтозахисних заходів і т.п. При вивченні структури складних явищ часто застосовують деревоподібні перетворення, поєднуючи паралельні і послідовні варіанти.