А.Н. Ласточкин, Т.М. Волкова

Методическое пособие по системно-морфологическому картографированию

Для студентов 2-го курса

Обучающихся по специальности «Геоморфология и эволюционная география»

Санкт-Петербург

2012

Введение 3

1.Основные принципы системно-морфологического подхода в геоморфологическом картографировании 3

2. Содержание и легенда системно-морфологической карты 15

3 . Различия в подходах к понятию «рельеф» в геоморфологии и топографии 21

4. Методические приемы построения системно-морфологической карты по топографической карте 29

Список литературы: 39

Введение

Системно-морфологическое картографирование, основанное на выделении и фиксации морфологических элементов земной поверхности (ЗП) - структурных линий (СЛ), характерных точек (ХТ) и элементарных поверхностей (ЭП) - имеет большое значение для изучения рельефа ЗП, отдельных природных географических компонентов (почв, водных и воздушных масс, биоты) и геокомплексов в целом.

1.Основные принципы системно-морфологического подхода в геоморфологическом картографировании

В основе системно-морфологического картографирования лежит морфодинамическая концепция геоморфологии, разработанная А.Н. Ласточкиным [7, 8, 11, 12 и др.], которая предусматривает изучение и картографирование морфологии ЗП и последующее, базирующееся на результатах этих морфологических исследований, изучение генезиса, относительного возраста, механизма рельефообразования и т.д.

Системно-морфологическое картографирование основано на изучении морфологии ЗП, то есть, ее единственного формализуемого аспекта. Это не означает отказ от решения таких важнейших геоморфологических задач, как определение генезиса, истории развития, динамики рельефообразующих процессов. В соответствии с морфодинамической концепцией различаются два уровня исследования: статический и динамический [12]. Статический уровень предполагает строгое системное исследование морфологии рельефа ЗП, однозначное и четкое проведение границ элементов и форм. Последующий уровень исследования предполагает динамическое истолкование морфологических особенностей. Таким образом, морфодинамическая концепция, лежащая в основе системно-морфологического картографирования, предполагает движение от формы к содержанию, от изучения морфологии ЗП к ее последующей динамической интерпретации [12].

Исследование морфологии ЗП на основе системно-морфологического принципа включает несколько взаимосвязанных задач: параметризацию, дискретизацию, элементаризацию, формализацию и систематизацию элементов ЗП [11].

Под параметризацией понимается отбор основных взаимосвязанных характеристик и отражающих их параметров, необходимых и достаточных для выделения, морфологической и структурной характеристики элементов [11].

Дискретизация – определение критериев естественной делимости и неделимости ЗП, выявление иерархии и соподчиненности элементарных и сложных единиц ее дифференциации, выделяемых с соблюдением всех системных признаков элементности [8, 11].

Элементаризация – выявление конечного множества элементов ЗП. Формализация – строгое определение выявленных элементов и их совокупности. Систематизация элементов и их совокупности – формулировка принципов и критериев систематики, составление классификационных таблиц.

В результате решения перечисленных задач конструируется морфологическая система – формализованная познавательная конструкция, универсально отражающая основные черты морфологии ЗП – ее состав и строение. Она задается в двух взаимосвязанных формах: параметрической, т.е. в виде совокупности основных геоморфологических параметров ЗП и в виде конечного множества элементов ЗП и межэлементных связей.

Количественные показатели, совокупность которых необходима и достаточна для членения ЗП на составные части, а также для строгой и исчерпывающей характеристики последних на геоморфологической карте, называются основными геоморфологическими параметрами [67, 79]. К ним относятся абсолютная высота ЗП, как функция двух плановых координат, первая и вторая производные от высоты и горизонтальная кривизна ЗП.

Абсолютная высота ЗП является функцией двух плановых координат H(x,y). Оценка и анализ этого параметра имеют ключевое значение. Именно абсолютная высота определяет распределение по ЗП таких важнейших элементов, как водоразделы и тальвеги, образующие «каркас» рельефа [8, 11].

Модуль первой производной от высоты H'(x,y) в качестве градиентов (уклонов) оценивается при разделении склонов по относительной крутизне.

Максимальные значения модуля второй производной H" (x,y) фиксируют выпуклые и вогнутые перегибы склонов. В морфометрии этот показатель фигурирует под называнием «нормальная» или «вертикальная кривизна» ЗП.

Для оценки горизонтальной кривизны ЗП вводится коэффициент горизонтальной кривизны K_Г, обратно пропорциональный радиусу кривизны ЗП: K_Г = 1/R. Знак и значение горизонтальной кривизны структурных линий и горизонталей оцениваются при разделении ЗП в плане [8, 15].

Существующая связь между основными геоморфологическими параметрами может быть представлена в виде следующей схемы, представленной на рис. 1.

H (x,y) H' (x,y)

K_Г H" (x,y)

Рис. 1. Взаимосвязь между основными геоморфологическими параметрами.

Связь между функциями H(x,y), H'(x,y), H"(x,y) не требует специального пояснения. Коэффициент горизонтальной кривизны K_Г наиболее тесно связан с абсолютной высотой H(x,y), поскольку гребневые и килевые линии могут быть определены как геометрические места точек с максимальной горизонтальной кривизной.

Дискретизация ЗП основана на том, что при анализе распределения основных геоморфологических параметров устанавливаются экстремальные и нулевые значения, разрывы этих функций, геометрические места которых могут рассматриваться как структурные линии (СЛ) и характерные точки (ХТ). Каждая из них является точно и строго фиксируемой элементарной геоморфологической границей, для которой можно указать однозначную процедуру выделения.

Трассирование СЛ обеспечивает строгое выделение и других частей ЗП, отражаемых на геоморфологической карте точками и ареалами. Все фиксируемые таким образом составные части ЗП обладают признаками элементности. С системных позиций элементы ЗП можно определить как простейшие неделимые составные части ЗП, которые образуют целое и которые одновременно с этим состоят друг с другом в определенных соотношениях, создавая некую композицию или структуру. Одновременно с элементаризацией решаются задачи формализации и систематики.

Следует особо отметить масштабную универсальность элементов ЗП в морфологической системе, которая позволяет выделять на разномасштабных картах аналогичные элементы рельефа (площадки, уступы, подножия и др.). Понятие о масштабной универсальности отнюдь не противоречит положению о неделимости элементов и сохраняет свою силу в масштабе картографирования.

Таким образом, к элементам морфологической системы, отражающей состав и строение ЗП, относятся характерные точки и структурные линии, которые однозначно выделяются по экстремальным и нулевым значениям основных геоморфологических параметров, а также заключенные между СЛ и некоторыми ХТ элементарные поверхности. Конечное множество всех этих элементов выделяется с помощью системного метода полной группы путем составления матриц. Данный метод выделения элементов ЗП обеспечивает:

- охват всех возможных вариантов элементов ЗП;

- строгие определения элементов ЗП;

- установление взаимосвязей элементов, одновременное с их выделением, т.е. установление пространственных соотношений между ХТ, СЛ, и ЭП [13].

Систематика элементов ЗП претерпевала неоднократные усовершенствования и дополнения. Указанный вопрос был достаточно подробно освещен в работах [4, 8]. В настоящее время принята следующая систематика элементов ЗП (рис.2).

Линейные элементы, или СЛ ЗП являются геометрическими местами следующих групп точек:

- гребневые и килевые линии – точек с экстремальными значениями высоты H(x,y) как функции двух плановых координат;

- линии выпуклых и вогнутых перегибов – точек с нулевыми значениями первой производной от высоты H'(x,y) и максимальными значениями второй производной H"(x,y);

-морфоизографы, отделяющие друг от друга выпуклые, вогнутые и прямолинейные в плане участки ЗП – точек с нулевыми значениями горизонтальной кривизны ЗП K_Г .

Таблица 1 иллюстрирует связь между основными геоморфологическими параметрами и СЛ. Перечисленные СЛ имеют в традиционной геоморфологии множество названий. Так, гребневые линии часто называют гребень, водораздел; килевые линии - тальвег, русло, киль; линии выпуклых перегибов – бровка плато, террасы, изгиб, уступ, край, линия перелома, морфологический градиент; линии вогнутых перегибов - тыловой шов террас, базис склона, тыловой забой, подошва ската, изгиб, водосливная, подошвенная линии, основание подошвы и т.д.

В соответствии с системно-морфологическим принципом, индексация линейных элементов осуществляется с помощью символа L.

Таблица 1. Соотношение экстремальных и нулевых значений основных геоморфологических параметров и структурных линий.

(По А.Н. Ласточкину).

Основные геоморфологические параметры земной поверхности				Структурные линии
H(x,y)	H'(x,y)	H''(x,y)	KГ	Название	Индексы
max	0	min	max	Гребневые	L1
min	0	max	max	Килевые	L2
-	-	max	-	Выпуклых перегибов	L5
	-	max	-	Вогнутых перегибов	L6
-	-	-	0	Морфоизографы	L7

Добавление снизу справа цифровых обозначений указывает на следующую принадлежность линий: L₁ - к гребневым линиям, L₂ - к килевым линиям, L₅ - к линиям выпуклых перегибов, L₆ – к линиям вогнутых перегибов, L₇ - к морфоизографам.

Структурные линии разделяются также по положению по вертикали и по форме в поперечном профиле. По положению по вертикали различают следующие виды СЛ: верхние L₁, собственно склоновые L₅, L₆ и нижние L₂. В отдельную группу выделяются сквозные СЛ - L₇. По форме в поперечном профиле выделяют плавные, ломаные и резко выраженные СЛ. Характер поперечного профиля отражается путем добавления к символу L сверху справа строчных букв латинского алфавита: L^a - плавные, L^b - ломаные, L^с – резко выраженные структурные линии.

Большое значение для последующей динамической интерпретации имеет подразделение линий в зависимости от формы поперечного профиля разграничиваемых ими поверхностей на два следующих класса:

- линии принципиальной симметрии – СЛ, тип вертикальной кривизны поверхностей по обе стороны от которых в их ближайшей окрестности одинаков;

- линии принципиальной диссимметрии – СЛ, тип вертикальной кривизны поверхностей по обе стороны от которых различен. В этом случае индексация проводится путем добавления двух букв латинского алфавита, соответствующих типу кривизны двух разделяемых поверхностей.

К структурным линиям, не выраженным в профиле, относятся морфоизографы L₇, с помощью которых осуществляется дискретизация ЗП в плане. По форме в плане различают выпуклые, вогнутые и прямолинейные СЛ, что также находит отражение в индексации.

Линии выпуклых и вогнутых перегибов фиксируют экстремальные значения второй производной от высоты H"(x,y). Эти линии разделяют участки склонов со значительной разницей в уклонах. При формальном определении точек, принадлежащих линиям выпуклых и вогнутых перегибов, выделяются только те максимумы модуля H"(x,y), по обе стороны от которых значения уклонов модуля H'(x,y) отличаются более, чем в два раза [8].

Рис.3 .

где X_k-1, X_k+1 – координаты точек профиля, расположенные в ближайшей окрестности от точки максимума H"(x,y), т.е. вверх и вниз по склону от точки X_k (рис.3). Константа 2 найдена эмпирически [8].

Морфоизографы представляют собой линии плановой корреляции точек с нулевыми значениями горизонтальной кривизны. По разные стороны от этих линий кривизна имеет различный характер. При переходе через них сменяют друг друга выпуклые, вогнутые и прямолинейные в плане участки ЗП.

Для обозначения характерных точек принят индекс С. Отношение ХТ к тем или иным СЛ показывается добавлением снизу справа от символа С арабских цифр (рис.2). Так, вершинная точка, занимающая независимое положение в пространстве, обозначается символом С₀. Характерные точки С₁, С₂ связаны только с одной структурной линией L₁, L₂ соответственно. Все остальные точки можно условно обозначить С_n-m. Они образованы на пересечении двух СЛ: L_n, L_m. Это самая многочисленная группа характерных точек.

Вершинные точки С₀ делятся на положительные и отрицательные, что находит отражение в индексации С₀⁺, С₀^-. Кроме того, эти ХТ могут существенно отличаться по характеру поперечного профиля прилегающих ЭП. В связи с этим принято различать вершины пологие С₀^+а, С₀^-а, резко выраженные (заостренные) С₀^+с, С₀^-с, с прямым поперечным профилем прилегающей ЭП С₀^+b, С₀^-b.

ХТ, принадлежащие только одной СЛ L₁, L₂ называют вершинами положительных и отрицательных ундуляций гребневых и килевых линий. Вершины положительных ундуляций обозначаются знаком «+» справа вверху от символа С, а отрицательных - знаком «-». Таким образом, вершины ундуляций гребневых и килевых линий индексируются следующим образом: С₁⁺, С₁^- и С₂⁺, С₂^- (рис.2).

Таким образом, все ХТ можно разделить на три категории:

- вершины положительных и отрицательных изолированных форм, занимающие независимое положение в пространстве, не связанные ни с одной СЛ;

- вершины положительных и отрицательных ундуляций гребневых и килевых линий, связанные только с одной СЛ L₁, L₂;

- точки, принадлежащие двум СЛ.

Последний класс точек, самый многочисленный, делится на точки пересечения и сочленения СЛ. Точками пересечения называются такие точки, в которых образующие их СЛ продолжаются без перерыва по обе стороны друг относительно друга. Точки сочленения фиксируют соединение СЛ, одна из которых продолжается только по одну сторону относительно другой.

Систематика ХТ (рис. 2) выполнена, прежде всего, по форме поперечных профилей пересекающихся и сочленяющихся элементов. При этом выделяются четыре их главные морфологические категории:

- выпуклые («выдающиеся») точки (к ним относятся С₁⁺, С₂⁺, С₀⁺, а также все варианты пересечения СЛ L₁, L₅);

- вогнутые («вдающиеся») точки (к ним относятся С₁^-, С₀^-, С₂^- а также все комбинации L₂, L₆);

- выпукло-вогнутые ХТ, образованные пересечением и сочленением «выдающихся» L₁, L₅ и «вдающихся» L₂, L₆ линий;

- узлы, не выраженные в профиле по одной или двум пересекающимся или сочленяющимся СЛ (к ним относятся все варианты С_n-7).

По положению по вертикали ХТ делятся на верхние, собственно склоновые и нижние. В отдельную группу выделяются сквозные ХТ. Варианты, заведомо лишенные смысла и реально не существующие, исключены.

Для некоторых из описанных ХТ в геоморфологической литературе существуют свои собственные названия: вершины (C₀⁺, C₁⁺), пики (С₀^+с), седловины или перевалы (C_1-2, C₁^-, С_1-(2)), мысы (C_1-6), горные или орографические узлы (C_1-1, С_1-1), устья притоков (C_2-2). Кроме того, выделяются донные (C₀^- или C₂^-), бровочные (C_5-n, C_5-n), развилочные (С_1-1), точки подножия (C_6-n, C_6-n) [80]. Особого внимания заслуживают наиболее высокие, приуроченные к водораздельным линиям точки активных клифов (C_1-5), верхние (C_2-5) и нижние (C_2-6) точки порогов на реке, точки пересечения линий выпуклых и вогнутых перегибов (C_5-6, C_5-5, C_6-6), образованные, в частности, в результате вертикальных перемещений по сбросам и взбросам лестницы морских, речных, озерных террас (террасовые узлы).

Площадные элементы ЗП или элементарные поверхности образуются в результате трассирования СЛ и выделения вершинных точек. К СЛ, имеющим поверхностеобразующее значение, относятся L₁, L₂, L₅, L₆, L₇. Линии L₍₁₎, L₍₂₎ рассматриваются как дополнительные. Индексация ЭП осуществляется с помощью символа Р. Добавление справа снизу арабских цифр указывает на то, какими именно структурными элементами образована данная ЭП. Например, символ Р_n-m означает, что такая ЭП ограничена сверху СЛ L_n, а снизу - L_m. Для поверхностей, ограниченных одной линией (это плосковершинные положительные и отрицательные поверхности) приняты обозначения Р₅⁺, Р₆^-.

Систематика ЭП осуществляется в первую очередь по положению по вертикали. Выделяют верхние, собственно склоновые и нижние поверхности. Перечисленные категории в свою очередь разделяются следующим образом: верхние - на плосковершинные Р₅⁺, привершинные Р_0-5, Р_0-6 и вдольгребневые Р_1-5, Р_1-6; собственно склоновые - на фасы Р_5-5, уступы Р_5-6, площадки Р_6-5 и подножия Р_6-6; нижние - на вдолькилевые Р_5-2, Р_6-2, привершинные Р_5-0, Р_6-0, плосковершинные Р₆^-. В особую группу выделяются сквозные ЭП. К этой категории относятся поверхности типа Р_0-2, Р_1-2, Р_1-0.

По абсолютной крутизне выделяют наклонные, вертикальные и горизонтальные ЭП (рис. 2). По форме поперечного профиля ЭП могут быть выпуклыми (Р_a), вогнутыми (Р_c) и прямолинейными (Р_b). По форме в плане ЭП также бывают выпуклыми, вогнутыми и прямолинейными (рис. 2).

Таким образом, системно-морфологический принцип:

- исходит не из субъективных представлений о рельефе ЗП, а из объективных, четко сформулированных критериев естественной делимости ЗП;

- предложенная систематика элементов охватывает все реально существующие в природе элементы ЗП и, следовательно, применима для составления карт любого типа рельефа;

-обладает свойством масштабной универсальности, позволяющим одинаково эффективно применять его для создания геоморфологических карт всего масштабного ряда;

-позволяет формализовать элементы рельефа, что существенно облегчает компьютерную обработку данных о рельефе ЗП, в том числе в современных ГИС;