Усі книги і методички
.pdfКоралловый берег окаймлен коралловым рифом. Коралловые постройки либо вплотную примыкают к берегу, образуя береговой окаймляющий риф, либо находятся на определенном удалении от берега, давая начало барьерному рифу. Берега кораллового типа встречаются только в тропических и субтропических морях (рис. 5и).
Мангровый берег образуется также лишь у побережья тропических морей. Там, где к береговой линии подходят густые мангровые леса, происходит быстрое развитие аккумулятивного берега и продвижение его в сторону моря. Это связано с накоплением наносов под пологом воздушных корней при отливе (рис. 5к).
§ 8. МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ РЕЛЬЕФА
1. Общие сведения Характеристика подводного рельефа, изложению которой была посвящена
основная часть первой главы, носила преимущественно описательный характер. Это неудивительно. Морская геоморфология, как и все другие географические науки, на первом этапе изучения широко использовала описательный метод, которому присущи бесспорные положительные свойства: возможность представить изучаемые объекты в их общей сущности, выделяя одновременно особенности каждого.
Однако описательным характеристикам свойственны существенные недостатки. При одном и том же наборе терминов у каждого может сложиться свое субъективное представление, своя особая картина рельефа. Границы явлений при описательном методе остаются размытыми, нечеткими.
Вспомним, например, что в современных руководствах по съемке подводного рельефа используют три категории расчлененности: слабо расчлененный, расчлененный и сильно расчлененный рельеф. Между тем в природе расчлененность рельефа представляет непрерывный ряд от идеально плоских абиссальных равнин до чрезвычайно раздробленных срединных хребтов, где каждый новый участок существенно отличен, от смежного.
Описательные (качественные) классификации неизбежно ограничиваются по количеству типов, так как с их увеличением усиливается неопределенность, двусмысленность, неточность, субъективность при сравнении отдельных форм (явлений).
Вполне естественно поэтому привлечь для оценки рельефа математический аппарат, при использовании которого ряд характеристик будет выражаться числами, а значит, сделает их объективными и сопоставимыми. Однако применение математического аппарата для описания рельефа долго не получало необходимого развития.
Научно-техническая революция существенно изменила ситуацию, В последнее десятилетие математические методы не только широко применяются для решения отдельных задач, но без них просто немыслимы автоматизация полевых работ, обработки материалов съемки и картосоставления.
Повсеместному использованию количественных методов для изучения рельефа способствовало и само развитие математики, а особенно таких ее разделов, как теория
вероятностей, теория случайных функций и теория информации. Наконец, реализация многих математических приемов описания и оценки рельефа стала возможной только на базе широкого применения электронно-вычислительных машин (ЭВМ).
В последующих главах, относящихся к съемке рельефа, мы используем этот аппарат при решении конкретных задач. Здесь же укажем лишь самые простые количественные характеристики, используемые для оценки подводного рельефа.
2. Морфометрические оценки Для моряков и прежде всего для гидрографов основной величиной,,
характеризующей подводный рельеф, является глубина z. Все многообразие форм подводного рельефа связано с определенным батиметрическим уровнем и диапазоном изменения глубин. Мы уже неоднократно упоминали понятия максимальной глубины
zmax, минимальной глубины zmin и средней глубины |
z |
. |
||
|
||||
Две первые (zmax, zmin) не нуждаются в каких-либо дополнительных пояснениях. |
||||
Средняя глубина |
z |
в геометрическом смысле представляет собой такое расстояние от |
||
|
||||
поверхности моря, которое можно получить в результате деления объема водного бассейна V на площадь его зеркала S по нулевой изобате:
|
z |
V |
|
|
|
S |
|
||
|
|
|
|
|
Однако |
такой прием вычисления |
|
нецелесообразен. С |
точки зрения |
вероятностных |
законов, средняя глубина |
z |
представляет собой |
математическое |
|
||||
ожидание М (z) для данной совокупности случайных глубин в пределах обследованной акватории. Практически ограничиваются оценками математического ожидания
|
1 |
n |
|
z M (z) |
zi |
||
n |
|||
|
i 1 |
||
|
|
(1.1)
Надежность и точность этой оценки зависит от способа и объема выборки. При равномерном расположении отметок глубин на картах наиболее рациональной является выборка п случайных глубин, попадающих в средние точки сетки квадратов, поле которых охватывает всю акваторию. При этом объем выборки п в зависимости от
допустимой средней |
квадратической погрешности μ средней глубины |
z |
можно |
|
|||
получить по формуле |
|
|
|
n |
A |
2 |
|
||
16 |
||
|
|
2 |
(1.2)
где А - размах.
По этому же принципу можно получить среднюю глубину по профилю, записанному на эхограмме. Здесь под п следует понимать необходимое количество сечений эхограммы вдоль галсов.
Важными морфометрическими характеристиками рельефа дна служат показатели вертикальной и горизонтальной расчлененности.
В качестве элементарной оценки вертикальной расчлененности рельефа используют размах А, полученный из выражения
A= zmax - zmin (1.3)
Среднее квадратическое уклонение глубин σz служит показателем изменчивости
глубин относительно средней |
z |
. В вероятностном смысле |
|
|
z |
|
D(z) |
(1.4) |
|
|
|
где D (z) -дисперсия.
Оценка среднего квадратического уклонения вычисляется по результатам выборки статистическими приемами
z |
|
[z |
i |
z]2 |
|
(1.5) |
|
|
|
|
|||||
|
|
n 1 |
|||||
|
|
|
|
|
|
||
Среднее квадратическое уклонение глубин аг может служить показателем вертикальной расчлененности рельефа, но только для таких районов, где отсутствует генеральный уклон дна (тренд).
Степень вертикальной расчлененности вдоль какого-либо профиля характеризуется показателем, получившим название среднего размаха, или средней
энергии рельефа |
h |
: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
n |
|
|
|
h |
h |
(1.6) |
|
|
|
|
|||
|
|
|
n |
i |
|
|
|
|
i 1 |
|
|
|
|
|
|
|
где hi - приращение высоты между смежными перегибами профиля.
Оценка степени вертикальной расчлененности на всей площади изучаемого
района может быть получена осреднением показателей |
h |
для N профилей |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
N |
|
|
|
|
|
H |
h |
|
|
(1.7) |
|||
|
N |
|
|
|||||
|
|
|
|
j |
|
|
||
|
|
|
|
j 1 |
|
|
|
|
Горизонтальная расчлененность оценивается с помощью показателя, получившего название ритма рельефа. Он представляет собой среднее расстояние d между структурными линиями (гребни, тальвеги).
Для профиля
|
1 |
n |
L |
|
d |
lп |
|||
n |
n |
|||
|
1 |
|||
|
|
|
(1.8)
где lп - расстояние между смежными перегибами; L - длина всего профиля;
п - количество перегибов.
Для района горизонтальная расчлененность характеризуется суммарной длиной D структурных линий, приходящейся на единицу площади Р
|
1 |
n |
|
D |
li |
||
P |
|||
|
1 |
||
|
|
где li - длина i-й структурной линии.
В связи с тем, что структурные линии извилисты и получение затруднительно, для практических расчетов применяется иная формула:
D mk
4 P
(1.9)
их длин
(1.10)
где т - количество пересечений структурных линий со сторонами квадратной сетки, наложенной на карту;
k - длина стороны квадрата.
В некоторых случаях вместо расчета горизонтальной и вертикальной расчлененности предпочитают ограничиваться получением общей оценки рельефа с помощью градиента рельефа, т.е. скорости изменения глубины на единицу расстояния в направлении наибольшего уклона дна.
Уклон дна i в любой точке может быть получен по формуле
i tg |
z |
i 1 |
z |
i |
l |
z |
i |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
l |
|
(1.11)
Угол
arctg |
z |
|
i |
||
l |
||
|
называют углом наклона дна.
Степень расчленения рельефа по заданному профилю охарактеризована средним уклоном iср tg по очевидной формуле
tg |
zi |
|
L |
||
|
может быть
(1.12)
Для заданного района степень суммарного расчленения может быть получена как среднее арифметическое значение уклона из всех профилей. При постоянном сечении
z изобат на карте для этой цели используется формула
i |
tg |
z S |
|
||
ср |
|
P |
|
|
(1.13)
где ∑S - суммарная длина всех изобат; Р - площадь района.
Вместо подсчета суммарной длины упоминавшейся сеткой квадратов. Тогда
i |
|
|
mk |
||
ср |
4 |
P |
|||
|
|
||||
|
|
|
|||
всех изобат можно воспользоваться
z |
(1.14) |
|
Оценку изменчивости уклонов дна в пределах данного района получают с помощью среднего квадратического рассеивания уклонов σt:
|
|
|
|
h |
2 |
/ l |
|
|
|
|
|
D(tg ) |
|
|
tg |
||
|
i |
|
i |
|||||
|
|
|
|
|
2 |
|||
|
t |
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(11.5)
§ 9. СПОСОБЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ О ПОДВОДНОМ РЕЛЬЕФЕ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА
1. Графические способы изображения рельефа Основным средством для хранения и представления информации о подводном
рельефе являются морские карты. Они обладают рядом несомненных и незаменимых достоинств при традиционном решении различных задач мореплавания, когда информация об окружающей среде оценивается непосредственно человеком и на основе этой информации им же принимаются необходимые решения. Ведущая роль карты в этих условиях была предопределена тем, что картографическое изображение позволяет человеку быстро оценить закономерности пространственного положения различных элементов географической среды и акцентировать внимание на главных
чертах, исключив несущественные детали. Следовательно, значение морской карты обусловлено тем, что она является пространственно-подобной образной моделью действительности.
Рис.6
Рис.6
Отметки глубин остаются в настоящее время основным способом изображения рельефа на большинстве морских карт. Их основное достоинство заключается в однозначной количественной оценке высотного положения точек морского дна. К тому же, по сравнению со всеми другими способами, отметки глубин обладают наибольшей геометрической точностью: они наносятся на карту непосредственно по результатам измерения глубин и определения координат точек этих измерений. Другими словами, отметки глубин как характеристика рельефа дна обладают наибольшей точностью и достоверностью. Однако отметки глубин, характеризуя очень малые площадки морского дна, занимают на картах много места (одна цифра имеет размер 1,4X0,8мм, что, например, на карте масштаба 1:250000 соответствует 350X200м); кроме того, цифровое изображение рельефа совершенно лишено наглядности.
Поэтому отметки глубин на морских картах дополняются изобатами, т.е. линиями, соединяющими точки, вдоль которых глубина остается неизменной. Геометрически они представляют собой следы сечения форм подводного рельефа горизонтальными плоскостями, находящимися одна над другой на заданных расстояниях (расстояние по вертикали между соседними секущими плоскостями называется высотой сечения, а горизонтальное расстояние на карте между смежными
изобатами - заложением). Практически изобаты вычерчивают на планшетах и картах путем плавного соединения густой сетки точек, на которых глубины равны принятой высоте сечения.
Изобаты, являясь математическим обобщением отметок глубин, несут несравненно больше информации, чем само значение глубины, по которой их проводят. Здесь уже определенно и явно выступают размеры и очертания форм рельефа, возможна оценка крутизны склонов и степени расчлененности, легко определяются превышения отдельных участков. По густой сети изобат можно представить общий характер подводного рельефа. Для усиления наглядности и выделения малых глубин в прибрежной зоне изобаты иногда дополняются голубой заливкой.
Чтобы картина рельефа, представленного изобатами, легче читалась, применяют бергштрихи, а значение глубин надписывают на самой изобате и проводят утолщенные линии для высот сечения, кратных удобным для оценки величинам. Формы рельефа, не выражающиеся изобатами, показываются на картах условными знаками.
Однако даже при использовании всех указанных приемов рисунок рельефа все же остается недостаточно наглядным.
Впоследние годы стали издавать специальные морские карты преимущественно мелкого масштаба, на которых для усиления наглядности используют послойную окраску, а также приемы «освещения» и «затенения» изобат.
Существо послойной окраски заключается в том, что участки рельефа, ограниченные изобатами, закрашиваются в близкие по цвету тона. Интенсивность тонов возрастает от светло-голубого до темно-синего по мере перехода к большим глубинам.
Вприеме «освещенных» изобат вся поверхность морского дна закрашивается голубой или другой краской подобного тона, а изобаты чертят белой краской на освещенных поверхностях подводного рельефа и темно-синей па противоположных. Такой рисунок, безусловно, способствует усилению объемного восприятия форм рельефа. К сожалению, этот прием затрудняет использование навигационных морских карт по своему прямому назначению: становятся малозаметными другие элементы нагрузки, снижается контрастность линий, обозначений и надписей при навигационной прокладке.
Прием «затененных» изобат по принципу создания объемной картины рельефа не отличается от способа «освещения». Однако здесь вся площадь дна остается белой. На освещенных склонах изобаты проводят более тонкими голубыми линиями, а на теневых - утолщенными линиями темно-синего цвета. Таким образом, способ «затененных» изобат избавлен от недостатков предыдущего приема и может применяться для изображения рельефа на обычных навигационных картах.
Иногда для большего усиления наглядности помимо «освещения» или «затенения» изобат дополнительно используют послойную окраску или теневую отмывку.
Все три рассмотренных приема усиления наглядности рельефа дна не
уменьшают геометрической точности изображения по сравнению с обычными изобатами. Следовательно, они пригодны для изображения рельефа на навигационных морских картах.
Еще в большей степени иллюзия объемности достигается на физиографических и рельефных картах, которые относятся к группе справочных и вспомогательных морских карт.
Физиографическими картами называют такие, на которых рельеф изображается перспективным штриховым рисунком. Эти карты уже специально предназначены для того, чтобы в наиболее наглядной форме передать картину подводного рельефа. Штриховой рисунок здесь может дополняться отметками глубин и редкой сетью изобат. Стремление к наглядности, к сожалению, наносит существенный ущерб геометрической точности физиографических карт, поэтому для навигационных целей такие карты не используют.
Рельефными картами называются такие, на которых рельеф представлен в объемной (трехмерной) форме. По существу, это объемные модели, которые создаются путем последовательного наращивания слоев, вырезанных по контурам соответствующих изобат. Полученная ступенчатая модель подвергается сглаживанию, что позволяет создавать плавные очертания форм подводного рельефа. Существуют и иные технические приемы для изготовления моделей рельефа.
Основное назначение рельефных карт также состоит в том, чтобы получить наиболее наглядное представление о морском дне. Подобные карты нашли применение в качестве учебных пособий, а в отдельных случаях могут использоваться для детального изучения небольших сложных участков дна при решении специальных задач.
Полную иллюзию объемности подводного рельефа можно получить с помощью анаглифического изображения, параллакс-панорамограмм и голографии. Однако технические трудности создания изображений рельефа этими способами и сложность применения для решения практических задач мореплавания не позволяют применять их для изображения рельефа на морских картах.
2. Цифровые модели рельефа Разработка и постепенное внедрение автоматизированных систем судовождения,
а также автоматизация гидрографических исследований и картосоставления потребовали пересмотра традиционных способов хранения и представления информации о рельефе дна. В автоматизированных комплексах основная масса информации воспринимается, перерабатывается и выдается в виде управляющих сигналов с помощью различных технических средств.
Основой автоматизированных комплексов являются современные ЭВМ, которые, в отличие от человека, не способны воспринимать образную зрительную информацию. Здесь основным информационным источником служит цифровой материал. Вместо обычной карты (пространственно-подобной образной модели) в автоматизированных системах должны использоваться цифровые карты.
Цифровой картой называют цифровое отображение информации о
географических объектах, записанное на магнитной ленте или ином носителе данных. Следовательно, для создания морских цифровых карт необходимо располагать цифровыми моделями соответствующих морских акваторий.
Естественно, важнейшим элементом цифровой модели акваторий будет цифровая модель рельефа (ЦМР). Изложенный выше способ изображения подводного рельефа на картах с помощью отметок глубин, по существу, является тоже цифровой моделью рельефа, где цифровые отметки глубин нанесены на плоский лист карты по соответствующим плановым координатам.
Отличие цифровой модели рельефа (ЦМР), используемой в автоматизированных системах, состоит, во-первых, в том что она записывается не на листе карты, а на носителях данных, и, во-вторых, цифровые отметки глубин на карте человек воспринимает зрительно, а затем принимает необходимые решения в соответствии со своими намерениями, тогда как для использования отметок глубин, записанных па носителях данных, необходимо задавать правила чтения рельефа с помощью ЭВМ.
Таким образом, под цифровой моделью рельефа будем понимать специально организованное множество, элементами которого служат отметки глубин и их координаты, а также правила обработки этой информации, позволяющие с требуемой точностью получать значение глубин в любых промежуточных точках.
Создание цифровых моделей - новое направление хранения и представления информации о рельефе морского дна. Предлагаются и проверяются на практике различные методы создания подобных моделей, отрабатывается технология. В § 56 рассмотрены приемы традиционного изображения рельефа дна на планшетах отметками глубин, а также один из методов построения цифровой модели.
Глава 2 СОДЕРЖАНИЕ И СРЕДСТВА ГИДРОГРАФИЧЕСКИХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
§ 10. ЦЕЛИ И СОДЕРЖАНИЕ ГИДРОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Ранее мы установили, что объектом изучения гидрографии являются океаны, моря, озера и реки, главным образом их дно и берега. Зарождалась гидрография как область знаний, необходимых для обеспечения мореплавания. По мере развития производительных сил изменялись требования к гидрографии, а значит, и конкретное содержание гидрографических исследований. Однако общая их тенденция состояла в том, что расширялся круг элементов географической среды, подлежавших изучению, и постоянно росли требования к точности и достоверности знаний. Широкое вовлечение Мирового океана в зону экономической деятельности потребовало изучать такие его элементы, которые необходимы не только для мореплавания, но и для иных целей. Стандарт СЭВ [35] определяет теперь морскую гидрографию как науку, изучающую Мировой океан в интересах мореплавания и использования природных ресурсов.
Гидрографические исследования представляют собой процесс изучения отдельных районов гидросферы, включающий научное проектирование, выполнение
гидрографических работ, обработку и анализ их результатов. Содержание гидрографических исследований определяется составом и объемом информации, которая необходима для обеспечения мореплавания, водного промысла, народнохозяйственных нужд и науки.
Комплекс современных гидрографических исследований включает изучение следующих основных элементов:
-подводного рельефа;
-морских берегов;
-грунтов морского дна;
-геофизических полей*;
-океанографических и гидрологических характеристик*.
(*В связи с тем, что изучение геофизических полей, океанографических и гидрологических характеристик выделено в самостоятельные курсы, далее они рассмотрены; только как сопутствующие).
Многообразие изучаемых элементов и направлений, по которым используется гидрографическая информация, ведет к необходимости различных способов ее хранения и представления. До недавнего времени основным (для отдельных элементов единственным) способом хранения и представления результатов гидрографических исследований являлась морская карта - графическое изображение совокупности элементов географической среды на плоскости. Внедрение автоматизированных комплексов, охватывающих весь процесс гидрографических исследований, предполагает в качестве основного способа хранения специальные банки данных, где информация в цифровой форме сосредоточена на технических носителях. Однако представление информации в виде карт для непосредственного восприятия и использования человеком не имеет альтернативы. Поэтому морская карта как конечный результат гидрографических исследований остается важнейшим источником гидрографической информации о Мировом океане и других частях гидросферы. Отсюда прежней остается и конечная цель гидрографических исследований: составление достоверных и точных карт для использования в мореплавании, других областях хозяйственной деятельности и науке.
§ 11. СОСТАВ ГИДРОГРАФИЧЕСКИХ РАБОТ
Основным методом получения информации при гидрографических исследованиях являются натурные съемки в море или на берегу, в процессе которых производится непосредственное измерение величин, характеризующих данный элемент количественно, или наблюдения с целью получения качественных оценок.
Измерения и наблюдения, выполняемые в море или на берегу в процессе гидрографических исследований, называют гидрографическими работами.
Гидрографические работы, выполняемые для получения сведений о подводном рельефе с целью последующего изображения на картах, называют съемкой рельефа дна. Съемка рельефа дна является важной составной частью гидрографических исследований. По материалам съемки составляют или корректируют морские карты и
руководства для плавания в интересах обеспечения Военно-Морского Флота, общего мореплавания, промыслов, народного хозяйства и науки.
Достоверность и надежность морских карт определяется прежде всего полнотой и точностью обследования рельефа дна. Следовательно, съемка должна выполняться таким образом, чтобы исключилась возможность пропуска навигационных опасностей, банок и других характерных форм рельефа.
Подобно тому, как в топографии при съемке рельефа суши определяют высоты большого количества точек на местности, в гидрографии для изучения подводного рельефа измеряют глубины на всей обследуемой акватории. В сущности, гидрографические работы представляют собой продолжение топографических и геодезических работ в зоне Мирового океана и внутренних вод.
Однако свойства иной географической среды и своеобразные цели приводят к важным особенностям как в методике производства работ, так и в используемых средствах. В чем состоят эти особенности?
В первую очередь, в необходимости иметь специальные носители для измерительной аппаратуры. Если на береговых съемках геодезические или топографические приборы могут устанавливаться непосредственно в любой точке изучаемой местности, то для производства съемки подводного рельефа, равно как и других видов гидрографических работ, должны быть оборудованы специальные платформы, способные удерживаться на воде или под водой. В качестве таких платформ используются надводные суда, подводные лодки, глубоководные аппараты. И лишь только при сплошном замерзании какой-либо акватории съемку можно производить непосредственно с поверхности льда.
Далее, платформа, на которой установлены приборы, должна перемещаться, с тем чтобы можно было производить съемку на всей акватории изучаемого района. Следовательно, ее местоположение непрерывно изменяется. Даже в том случае, когда корабль стоит на якоре, нельзя пренебрегать его смещением. Очевидно, для отнесения результатов измерения к какой-либо фиксированной точке сами измерения должны производиться очень быстро. Отмеченное обстоятельство вызывает и следующую весьма существенную особенность гидрографических работ: они должны сопровождаться частым и точным определением места (координат) точки, в которой произведены измерения. В идеальном случае его желательно определять непрерывно, чтобы измерение в любой момент могло быть привязано к истинному месту.
Задача съемки состоит не только в том, чтобы достоверно определить взаимное расположение различных объектов в море, но и в том, чтобы точно указать положение изученных районов на поверхности Земли. Для этого необходимо осуществить их плановую привязку к единой системе координат земного эллипсоида. При наземных съемках плановая привязка осуществляется с помощью геодезических сетей. В море таких сетей нет, и в связи с этим возникают существенные особенности планового обоснования гидрографических работ, В прибрежной зоне еще можно использовать береговые геодезические сети, но по мере удаления в море эта специфика сказывается все больше, что отражается прежде всего на методах и точности определения координат.