Определение характеристик водосбора

  • Вид работы:
    Курсовая работа (т)
  • Предмет:
    Геология
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    982,57 Кб
  • Опубликовано:
    2015-03-09
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Определение характеристик водосбора

Содержание

Введение

. Физико-географическое описание района

.1      Общегеографическое положение

.2      Рельеф

.3      Геологическое строение

.4      Климат

.5      Почвы и растительность

.6      Общая характеристика гидрографической сети

. Описание используемых методов

.1 Определение ЦМР

.2 Использование данных SRTM

.3 Характеристика используемого программного обеспечения

.4 Порядок работы при определении морфометрических характеристик

.5 Порядок работы при определении гидрографических характеристик

. Расчеты и анализ результатов

.1. Общее описание существующих гидрологических характеристик

.2 Определение морфометрических характеристик

.3 Определение гидрографических характеристик

Заключение

Список литературы

морфометрический водосбор гидрографический программный

Введение

Данная курсовая работа посвящена разбору и анализу использования цифровых моделей рельефа для определения морфометрических характеристик водосбора, в частности его площади, уклона, средней высоты, а также анализу использования современного ПО для определения гидрографических характеристик водосбора. Данная тема довольно актуальна, так как в наше время компьютерные технологии все больше применяются при решении различных географических задач.

Компьютерные возможности вкупе со спутниковыми данными позволяют решать в частности и проблемы гидрологии. Таким образом, современные методы значительно облегчают и ускоряют процессы определения морфометрических и гидрографических характеристик водных объектов.

Цель представленной курсовой работы - дать оценку точности определения морфометрических характеристик водосбора с помощью цифровых моделей рельефа, а также оценить возможность применения настольного ПО для определения гидрографических характеристик. Задачи, которые необходимо выполнить:

­    Выбрать подходящий для изучения водосбор на территории России

­    Составить список водомерных постов, лежащих в пределах рассматриваемого района, для получения данных о водных объектах из гидрологических ежегодников и ОГХ

­    Подобрать подходящую для рассматриваемого района цифровую модель рельефа из перечня доступных для определения расчетов морфометрических характеристик бассейна

­    Подобрать качественные спутниковые снимки для определения гидрографических характеристик бассейна

­    Произвести расчеты площади, уклона, средней высоты водосбора с помощью ГИС-технологий

­    Определить такие гидрографические характеристики, как залесённость, озерность, долю урбанизированных территорий

­    Сравнить полученные результаты расчетов с данными ежегодников и ОГХ, дать оценку точности определения рассматриваемых характеристик.

1. Физико-географическая характеристика

.1      Общегеографическое положение

Рассматриваемая территория расположена в пределах Русской равнины между 61о13’ и 52о16’ с.ш. и 31о59’ и 48о00’ в.д. Протяженность ее с севера на юг 1000 км, с востока на запад 900 км, занимаемая площадь 604 тыс. км2. Район охватывает бассейн р. Волги до г. Чебоксары, большая его часть расположена в лесной зоне и только южная - в лесостепной. На севере граница проходит по водоразделу с бассейнами рек Онеги и Северной Двины, на западе - с бассейнами рек Волхова, Западной Двины и Днепра, на востоке - с бассейном р. Вятки и правобережных притоков р. Волги и на юге - с бассейном р. Дона. По административному делению территория включает Ярославскую, Костромскую, Ивановскую, Нижегородскую, Московскую, Владимирскую, Калужскую, Рязанскую области, республику Мордовию, а также юго-восточную часть Ленинградской, восточную Новгородской, западную Вологодской, восточную часть Смоленской, большую часть Тульской, северо-западную часть Ульяновской, большую часть Орловской и Пензенской, северо-восточную часть Тамбовской областей, западную часть республик Марий Эл и Чувашия.

.2 Рельеф

Поверхность в общем равнинной территории района представляет собой чередование низменных равнин и возвышенностей с колебанием абсолютных отметок в пределах 100-300 м. На формирование рельефа большое влияние оказало геологическое строение и тектонические особенности Русской платформы. Основная часть рассматриваемой территории еще в мезозое вступила в стадию континентального развития, в период которой сформировались крупные элементы рельефа. В западной и юго-западной частях территории, где на поверхность выступают плотные карбонатные породы каменноугольной и девонской систем, простираются Валдайская, Смоленско-Московская, Среднерусская возвышенности, а в юго-восточной части - Приволжская возвышенность. В северной и восточной частях района, сложенных более рыхлыми породами перми и мезозоя, располагаются обширные низменности: Верхневолжская, Ветлужско-Унжинская, Мещерская, Окско-Донская. В эту общую схему рельефа, сложившуюся в доледниковое время, большое разнообразие внесли оледенения четвертичного периода, в значительной степени определившие современные формы поверхности. Описываемая территория не менее четырех раз перекрывалась ледниками, но на формирование рельефа в основном оказала влияние деятельность трех последних ледниковых покровов: днепровского, московского и валдайского. Границы оледенений во многих местах четко прослеживаются в рельефе. Формы поверхности, возникшие в результате деятельности ледников в последующее время в разной степени были преобразованы воздействием флювиальных и эрозионных процессов.

Наиболее сильное воздействие денудационные процессы оказали на поверхность внеледниковой области, в результате чего Среднерусская и Приволжская возвышенности характеризуются более зрелыми эрозионными формами, чем северная часть района.

.3 Геологическое строение

Рассматриваемая территория расположена в центральной части кристаллического фундамента Русской платформы, в основном в пределах Московской впадины, заполненной толщей осадочных пород мощностью 1500-3000 м. Поверхность кристаллических пород ограничена на юге выступами Воронежской и Волго-Уральской антиклиз и повышается на северо-запад в сторону Балтийского щита. Поверхность докембрийского фундамента осложнена множеством структур второго порядка в виде валов и прогибов.

Кристаллические породы не выходят непосредственно на поверхность и залегают на глубинах 2500- 3000 м в Ветлужско-Унжинском районе, 1500- 2000 м в центральной части территории и 500- 1500 м на юго-западе в районе Среднерусской возвышенности. Осадочная толща представлена системами нижнего палеозоя, девона, карбона, перми и мезо-кайнозоя.

Наиболее древние отложения верхнего девона, выходящие на дневную поверхность в юго-западной части, района (бассейн Верхней Оки), представлены известняками, доломитами, мергелями с прослоями ангидрита и гипса. Породы каменноугольной системы широко распространены по всей западной окраине территории от бассейна р. Кеми на севере до притоков верхней Оки (реки Упа, Жиздра) на юге. Отложения карбона представлены преимущественно известняками: в районе Смоленско-Московской гряды -песками и глинами с прослоями известняка, в Московско-Окском междуречье - известняками и доломитами, в осевой части Окско-Цнинского вала - пестрыми глинами, мергелями и известняками, в верховьях Среднерусской возвышенности - песками и глинами с прослоями угля и известняков.

Коренные породы обычно выходят на поверхность по берегам рек, а в междуречьях почти повсеместно перекрыты четвертичным чехлом. В четвертичный период большая часть территории района не менее четырех раз перекрывалась ледниками, о чем свидетельствуют четыре самостоятельных горизонта морен, разделенных межледниковыми отложениями. Внеледниковая область испытывала воздействие ледниковых вод. Зона распространения ледника в период максимальной (днепровской) стадии оледенения охватывала всю территорию, за исключением Среднерусской возвышенности южнее г. Орла и Приволжской возвышенности. Ледник и его воды оставили сложный комплекс отложений мощностью в десятки (реже до 100 и более) метров, представленных мореной, ленточными глинами, флювиогляциальными песками, а также покровными суглинками.

Пространственное распределение ледниковых отложений как по мощности, так и по составу имеет весьма пестрый и разнообразный характер. На северо-западе бассейна в верховьях Волги и ее левобережных притоков наибольшее распространение имеют валунные суглинки, а в пределах холмистого ландшафта - суглинки с прослоями супесей и песков; в низинах преобладают озерные и флювиогляциальные пески и глины; большие площади занимают древние аллювиальные пески. Толща ледниковых и послеледниковых отложений составляет в среднем 50-60 м.

Карст. Наличие обширных площадей, сложенных карбонатными породами, местами выходящими на поверхность или прикрытыми маломощными водопроницаемыми отложениями, определяет развитие карстовых форм на территории района, главным образом в виде воронок, провалов, западин, карстовых озер и трещин. Влияние карста на режим стока в основном проявляется в уменьшении поверхностного стока и переводе его в подземный. В бассейне р. Сережи были выявлены участки полного поглощения поверхностного стока. Разгрузка водоносных горизонтов нередко наблюдается в долинах рек, например в нижнем течении р. Пьяны; значительное подземное питание получают р. Зуша и ее притоки из источников девонского водоносного горизонта, водообильность которого в немалой степени связана с карстовыми процессами.

.4 Климат

Территория Верхне-Волжского района расположена в зоне умеренно-континентального климата с холодной зимой и умеренно-теплым летом. Континентальность климата увеличивается с северо-запада на юго-восток. Основные климатические характеристики и их изменение по территории района определяются влиянием общих и местных факторов: солнечной радиации, циркуляции атмосферы, подстилающей поверхности. По географическому положению район находится под воздействием воздушных масс Атлантики, Арктического бассейна, а также масс, сформировавшихся над территорией Европы. В конце лета - начале осени, нередко во второй половине зимы и весной преобладает западный тип атмосферной циркуляции, сопровождающийся обычно активной циклонической деятельностью, значительными осадками, положительными аномалиями температуры воздуха зимой и отрицательными летом. Западный тип атмосферной циркуляции характеризуется значительной устойчивостью и нередко сохраняется на протяжении до двух месяцев. На востоке и юго-востоке территории циклогенез менее активен.

С октября по май в результате воздействия сибирского максимума, западная циркуляция нередко сменяется восточной, что сопровождается малооблачной погодой, большими отрицательными аномалиями температуры воздуха зимой и положительными летом. Восточный тип циркуляции более вероятен и активен в юго-восточной части территории.

Менее вероятна в данном районе меридиональная циркуляция, которая связана с мощными арктическими вторжениями воздушных масс и сопровождается резким понижением температуры воздуха.

Радиационный баланс. Средний годовой радиационный баланс поверхности района равен 31-39 ккал/см2, что составляет около 40% суммарной радиации. Величина радиационного баланса увеличивается с северо-запада на юго-восток и существенно изменяется в зависимости от подстилающей поверхности. В среднем за многолетний период с марта по октябрь имеет место положительный радиационный баланс с максимумом в июне, с ноября по февраль баланс отрицателен (-0,4 - 0,8 ккал/см2).

Температура воздуха. Среднегодовая температура воздуха на рассматриваемой территории изменяется от 1,4оС на северо-востоке до 4,6-4,8оС на юге и юго-западе. Величина годовой амплитуды между средней месячной температурой самого холодного и самого теплого месяца увеличивается с запада на восток от 27о (Гжатск) до 31-32оС (Ветлуга, Тамбов).

В холодное время года изотермы средней месячной температуры воздуха направлены с северо-запада на юго-восток. Наиболее холодным месяцем в году является январь, средняя температура которого колеблется от -9, -9,5оС на юго-западе, до -13,5, -14оС на северо-востоке. Самые низкие абсолютные минимумы также наблюдаются преимущественно в январе: до -42оС на юге и -50оС на севере.

Начало весны определяется устойчивым переходом температуры воздуха через 0оС. На юго-западе района переход температуры через 0о в среднем отмечается 1-3 апреля, а через 5о - 15-18 апреля, на северо-востоке - соответственно 3-6 апреля и 23-28 апреля; таким образом, разница в сроках наступления весны в пределах территории не превышает 5-10 дней.

В теплый период года температура воздуха повышается с северо-запада на юго-восток. В самый теплый месяц (июль) средняя температура повышается от 17-17,5оС на севере до 19-20оС на юге и юго-востоке территории.

Продолжительность наиболее теплой части лета со средней суточной температурой выше 15оС в среднем составляет 55-60 на севере и северо-востоке и 90-100 дней на юге.

Понижение температуры осенью происходит медленнее, чем повышение ее весной. Устойчивый переход средней суточной температуры через 5о в сторону низких температур в среднем отмечается 1-5 октября на севере и 10-15 октября на западе и юге территории; переход через 0оС происходит 22-25 октября на севере и 2-8 ноября на юге. Устойчивые морозы наступают 12-17 ноября, на юге 26-30 ноября.

В продолжение всей зимы наблюдаются оттепели. За период с ноября по апрель среднее число дней с оттепелями составляет 20-25 на востоке и 30-40 на западе района. Оттепели могут непрерывно продолжаться в течение 9-22 дней.

Осадки. Территория Верхне-Волжского района относится к зоне влажного климата, и только крайний юго-восток района находится в зоне недостаточного увлажнения. Средняя многолетняя сума осадков изменяется по территории от 800 до 600 мм и уменьшается с северо-запада на юго-восток. Для преобладающей части района норма годовых осадков составляет 750-650 мм. Такое распределение определяется в основном циркуляцией атмосферы и в первую очередь циклонической деятельностью. На распределение осадков оказывает также влияние рельеф местности. Несколько увеличивается количество осадков на западных склонах и вершинах возвышенных участков (Валдайская, Среднерусская, Смоленско-Московская возвышенности). Увеличение осадков прослеживается при выпадении зимних осадков и малоинтенсивных обложных летних дождей, тогда как влияния рельефа на ливневые дожди не отмечается.

Средняя сумма осадков за теплый период изменяется по территории от 500 до 350 мм. Наибольшее ее количество отмечается на северо-западе района (450-500 мм), а наименьшее - на юго-востоке. В отдельные годы месячные и сезонные суммы осадков значительно отклоняются от средних, особенно в теплый период года. Месячные осадки в многоводные года превышают соответственные величины маловодных лет в десять раз и более. Так, в Москве в августе 1938 г. выпало только 1 мм осадков, а в августе 1953 г. - 164 мм (при норме 72 мм). В течение года наблюдается в среднем 160-190 дней с осадками более 0,1 мм за сутки, при этом количество дней с осадками 1,0 мм составляет 40-45%, с осадками 1-5 мм - около 40%, а с осадками более 20 мм за сутки - всего лишь 1-2% от числа дней с осадками. В холодный период чаще отмечаются дни с осадками от 1,0 до 5,0 мм за сутки (40%), а количество дней с осадками свыше 5,0 мм увеличивается до 25-35%. Наибольшая повторяемость осадков более 5,0 мм отмечается в июле.

Наибольшие суточные осадки достигают 100-120 мм, однако такие величины имеют очень редкую повторяемость. Интенсивность осадков меняется в широких пределах и тесно связана с их продолжительностью. Продолжительность выпадения осадков изменяется очень сильно: от нескольких минут до нескольких суток.

Снежный покров. На северо-востоке территории покров появляется в среднем 22-25 октября, на юго-западе - в конце первой декады ноября. Первый снежный покров чаще всего быстро стаивает во время оттепелей.

Устойчивый снежный покров образуется на северо-востоке территории 15-18 ноября, а в центральной части территории 20-25 ноября, на юго-западе - в первой декаде декабря. В зависимости от преобладающего типа атмосферной циркуляции в предзимний период даты установления устойчивого снежного покрова в отдельные годы существенно сдвигаются. Так, на северо-востоке района ранние сроки установления снежного покрова приходятся на первую половину октября, а на юго-западе - на конец октября, поздние сроки - соответственно на середину декабря и первую декаду января. С образованием снежного покрова высота его постепенно увеличивается и достигает максимума на западе района в конце февраля, в центральной части в первой декаде марта и на востоке в середине марта. Наибольшая высота снежного покрова наблюдается на северо-востоке территории - 55-65 см, в центральной части - 35-50 см, на юге - 25-30 см.

Продолжительность периода с устойчивым снежным покровом составляет 150-160 дней на северо-востоке, 130-145 дней в центральной части и 116-125 дней на юге района. Процесс снеготаяния весной проходит довольно быстро, длительность интенсивного снеготаяния на северо-востоке составляет 6-12 дней, а на юге уменьшается до 3-5 дней. Средняя дата устойчивого схода снежного покрова изменяется по территории от 1-6 апреля на юго-западе до 15-20 апреля на северо-востоке.

Наибольшая плотность снежного покрова (в поле) изменяется по территории в небольших пределах - от 0,22 до 0,29. Средние величины из наибольших запасов воды в снежном покрове убывают в направлении с северо-востока на юго-запад от 140-150 до 70-80 мм и на большей части территории составляют 90-110 мм. Величина запаса воды в снеге, как и высота снежного покрова, может сильно изменяться в зависимости от высоты и рельефа местности, степени защищенности растительностью.

Промерзание почвы. Глубина промерзания почвы зависит от высоты и плотности снежного покрова, степени увлажнения, механического состава почвы, а также ее сельскохозяйственной обработки, микрорельефа, температуры воздуха и вследствие этого изменяется как по территории, так и по годам. Средняя из наибольших глубин промерзания изменяется по территории от 50 до 100 см. Устойчивое промерзание почвы начинается в первой декаде ноября на севере и в середине ноября на юго-западе и юго-востоке. Полное оттаивание почвы в южной части района наблюдается в среднем 15-23 апреля, а в северной - 28 апреля - 6 мая. Средняя многолетняя продолжительность периода устойчивого промерзания почвы составляет 160-180 дней.

.5 Почвы и растительность

Почвы. Почвенный покров Верхне-Волжского района разнообразен по составу. Наряду с широтной закономерностью почвенных зон - подзолистой в пределах лесной зоны и черноземной в южной части лесостепной - территория характеризуется мелкоконтурным и мозаичным характером почвенных сочетаний, а на отдельных участках отличается микрокомплексностью.

Наиболее распространенными являются дерново-подзолистые почвы, представленные всеми видами по степени оподзоленности; значительное развитие имеют подзолисто-болотные и болотные почвы.

Для южной части района характерны оподзоленные черноземы, серые лесные почвы, встречаются и типичные черноземы. В северо-западной части территории наибольшее распространение имеют дерново-средне- и слабоподзолистые почвы в сочетании с торфяно-подзолистыми и болотными, встречаются типичные подзолы и сильноподзолистые почвы. В северо-восточной части района наибольшее развитие имеют дерново-подзолистые почвы с различным механическим составом, такие же почвы характерны для Смоленско-Московской возвышенности. Для Верхневолжской низменности южнее Рыбинского водохранилища характерны дерново-среднеподзолистые почвы, относительно небольшие площади занимают дерново-слабоподзолистые почвы.

На юго-западе района в пределах Среднерусской возвышенности распространены суглинистые дерново-подзолистые, светло-серые и серые оподзоленные лесные почвы, на крайнем юге - оподзоленные и выщелоченные черноземы. Юго-восточная часть района, включая Окско-Тамбовскую равнину и Приволжскую возвышенность, характеризуются распространением серых лесных почв, а также оподзоленных и выщелоченных черноземов.

Растительность. Большая часть рассматриваемой территории расположена в лесной зоне. В направлении с северо-запада на юго-восток типы лесной растительности и их сочетания меняются от хвойных до широколиственных. Лесистость уменьшается от 80% на севере до 2-10% на юге района. К подзоне южной тайги относится северная часть территории, граница которой протягивается примерно от 57° с. ш. на западе до 56° с. ш. на востоке. Залесенность бассейнов рек в пределах подзоны изменяется от 50 до 80-90%. Наибольшее распространение имеют еловые, а в верховьях рек Унжи, Межи и Ветлуги - елово-пихтовые леса. Нередко встречаются елово-сосновые и елово-березовые леса, а на супесчаных и заболоченных почвах - сосновые. Наиболее плоские переувлажненные участки рельефа заняты осиновыми лесами. Подзона тайги сменяется подзоной смешанных лесов, граница которой с подзоной широколиственных лесов проходит примерно вдоль широтного участка р. Оки. Смешанные широколиственио-еловые леса подзоны характеризуются очень разнообразным составом и степенью залесенности. Преимущественное распространение имеют сочетания елово-березовых, хвойно-мелколиственных, осиново-березовых, осиново-сосновых лесов наряду с чисто еловыми, березовыми лесами и сосновыми борами. Разнообразие состава тесно связано с рельефом, экспозицией склонов, характером и увлажненностью почво-грунтов. Лесистость бассейнов рек в пределах подзоны изменяется очень сильно. Участки с наиболее плодородными почвами и рельефом, удобным для распашки, практически безлесны.

Для равнинной части бассейна р. Волги до Рыбинского водохранилища характерно преобладание мелколиственных и сосновых лесов. Залесенность в подзоне широколиственных лесов (бассейны рек Упы, Осетра, низовьев р. Прони) определяется в основном наличием участков, неудобных для сельскохозяйственного использования, и составляет 15-25%. Южная часть района относится к лесостепной зоне. Залесенность бассейна верховьев р. Оки, включая бассейн р. Зуши, не превышает 5-10%.

.6 Общая характеристика гидрографической сети

Гидрографическая сеть района принадлежит к бассейну Каспийского моря. Главной водной артерией территории является р. Волга, которая до г. Чебоксар протекает по территории Верхне-Волжского района.

Бассейн Оки вытянут с запада на восток. Густота речной сети 0,2-0,5 км/км2. Водосборы притоков асимметричные, преимущественно груше-виднбй формы. Долины рек преимущественно трапецеидальные и ящикообразные, в пределах Среднерусской возвышенности V-образные, в Мещерской низменности неясно выраженные. Глубина вреза рек Среднерусской возвышенности 20-40 м, рек Мещерской, Окско-Донской низменностей и бассейна р. Клязьмы 10-20 м; в бассейне р. Мокши 20-30 м. Долины притоков р. Оки, за исключением рек Среднерусской возвышенности, террасированы. Ширина долин малых рек в пределах Среднерусской и Приволжской возвышенностей менее 0,5 км, средних - 0,5-1,5 км, больших (Угра, Проня, Мокша)-до 2-3 км, р. Оки в среднем течении - до 10-20 км. В пределах низменностей ширина долин рек всех размеров сильно меняется: от 0,2-0,4 до 3-6 км в озеровидных расширениях. Ширина поймы на малых реках не превышает 1 км, на средних увеличивается от истока к устью от 0,5-0,8 до 3-6 км, на больших достигает 5-10 км.

Поймы малых рек ровные, луговые, у средних и больших рек пересечены ложбинами, гривами и староречьями, в пределах Мещерской низменности увлажнены и заняты низинными болотами. Русла рек извилистые, с' песчаным или глинисто-песчаным дном. Для малых рек характерна ширина русла 10-15 м с расширениями до 30-40 м, для средних - 30-50 м с расширениями до "80 м, для больших- преимущественно 100-150 м, а на приустьевых участках рек Клязьмы и Мокши достигает 200-300 м. Реки мелководны, преобладающие глубины малых рек 0,8-1,5 м, средних - 1,5-2,5 м, больших - 2,5-3,5 м. На перекатах на реках всех размеров глубина менее 1 м и только на отдельных плесах достигает 4-10 м. Скорости, течения изменяются от 0,2-0,4 м/сек на плесах до 1,2-1,5 м/сек на перекатах.

Продольные профили рек, как правило, вогнутые, лишь в пределах Мещерской низменности прямолинейные. Преобладающие средневзвешенные уклоны малых рек 0,7-1,1°/оо, средних - 0,4-0,6о/оо. больших -0,1-0,2 о/оо.

2. Описание используемых методов

.1 Определение ЦМР

Для определения морфометрических характеристик водосбора расчетным путем за основу была взята цифровая модель рельефа. Цифровая модель рельефа - цифровое или 3D представление поверхности ландшафта (для планет, их естественных спутников и других небесных тел), созданный на основе данных о возвышениях рельефа. ЦМР - это растровое представление непрерывной поверхности. Точность этих данных определяется в первую очередь разрешением (длина и ширина одного пикселя растра). Также существуют и другие факторы, влияющие на точность ЦМР, о них чуть ниже. Тем не менее, максимальная точность модели получается при построении по данным воздушного лазерного сканирования, а также при построении по данным наземного лазерного сканирования.

Необходимым условием получения модели рельефа по данным воздушного лазерного сканирования является проведение полного комплекса аэросъемочных работ, включающих лазерную локацию и аэрофотосъемку (при необходимости создания текстурированной модели), а также камеральных работ по классификации и регуляризации (при необходимости создания регулярной модели) точек лазерных отражений, трансформированию и нарезке снимков, созданию триангуляционных моделей рельефа и их текстурированию (при необходимости создания текстурированной модели). (#"796092.files/image001.gif">

Рис. 1 Пример цифровой модели рельефа

Обычно первичные данные существуют или с использованием тех или иных операций приводятся к одному из двух наиболее широко распространенных представлений поверхностей (полей) в ГИС: растровому представлению (модели) и модели TIN.

Растровая модель пространственных данных - разбиение пространства (изображения) на далее неделимые элементы (пиксели) - относительно ЦМР это обозначает матрицу высот: регулярную (обычно квадратную) сеть высотных отметок в ее узлах, расстояние между которыми (шаг) определяет ее пространственное разрешение. Именно таковы ЦМР, создаваемые национальными картографическими службами многих стран (например, Национальная ЦМР США в формате DEM, подготовленная USGS). Преимущество такой модели - в удобстве ее компьютерной обработки. Иногда, а в последнее время довольно часто, регулярная сеть (решетка) применительно к представлению рельефа именуется "гридом". К растровой, или как ее чаще называют матричной или регулярной модели, путем интерполяции, аппроксимации, сглаживания и иных трансформаций могут быть приведены ЦМР всех иных типов, что чаще всего и делается на практике. Для восстановления поля высот в любой его точке (например, в узле регулярной сети) по заданному множеству высотных отметок (например, по цифровым записям). (#"796092.files/image002.gif">

Рис.2, Распространение SRTM

В последнее время с помощью метода называемого радарной интерферометрией (radar interferometry) было собранно огромное количество информации о рельефе Земли, ее обработка продолжается до сих пор. Но определенное количество информации уже доступно пользователям. Матрица SRTM с размером ячейки 3х3 угловых секунды (~90 м) является общедоступной.

Данные SRTM существуют в нескольких версиях: предварительные (версия 1, 2003г) и окончательная (версия 2, февраль 2005 г). Окончательная версия прошла дополнительную обработку, выделение береговых линий и водных объектов, фильтрацию ошибочных значений. Данные распространяются в нескольких вариантах - сетка с размером ячейки 1 угловая секунда (~30 м) и 3 угловые секунды (~90 м). Более точные односекундные данные (SRTM1) доступны на территорию США, на остальную поверхность земли доступны только трехсекундные данные (SRTM3). Файлы данных представляют собой матрицу из 1201´1201 (или 3601´3601 для односекундной версии) значений, которая может быть импортирована в различные программы построения карт и геоинформационные системы (например ArcView).

Кроме того, существует версия 3, распространяемая в виде файлов ARC GRID, а также ARC ASCII и в формате Geotiff, квадратами 5x5 секунд в датуме WGS84. Эти данные получены организацией CIAT из оригинальных высотных данных USGS/NASA путем обработки, которая обеспечила получение гладких топографических поверхностей, а так же интерполяцию областей, в которых отсутствовали исходные данные.

Данные находятся в свободном доступе для скачивания на сайте USGS.

Данные SRTM могут применяться для оценки сложности предстоящих топографо-геодезических работ, планирования их проведения, а также могут оказать помощь при проектировании расположения профилей и других объектов еще до проведения топосъемки.

Полученные по результатам радарной съемки SRTM значения превышений точек местности могут быть использованы для обновления топоосновы территорий, где отсутствуют данные детальных топографо-геодезических работ (#"796092.files/image003.gif">

Рисунок. Схематичная гистограмма высот до и после операции "Fill Sinks"

Например, рассмотрим область локального понижения, где точка устья находится в 210 футах по высоте, а самая глубокая точка локального понижения - 204 фута (то есть разница составляет 6 футов). Если ограничение по z равно 8, это конкретное локальное понижение будет заполнено. Однако, если ограничение по z равно 4, это локальное понижение не будет заполнено, поскольку глубина понижения превышает разницу и оно будет считаться допустимым понижением.

·              Все локальные понижения, которые по глубине меньше, чем ограничение по z, и ниже, чем самая низкая из прилегающих соседних ячеек, будут заполнены до высоты своих точек устьев.

·              Запуск инструмента Заполнение (Fill) может быть требователен к процессору, оперативной памяти и занимаемому месту на диске. Он может требовать до четырех раз большего объема дискового пространства, чем входной растр.

·              Число локальных понижений, определяемых с использованием ограничения по z, будет задавать время, требуемое на обработку. Чем больше локальных понижений имеется, тем больше потребуется времени на обработку.

·              Инструмент Локальное понижение (Sink) может быть использован перед тем, как запустить инструмент Заполнение (Fill), чтобы найти число локальных понижений и помочь определить их глубину. Знание глубины локальных понижений может помочь в определении подходящего значения ограничения по z.

·              Инструмент Заполнение локальных понижений может быть также использован для удаления пиков. Пик - это ячейка, вокруг которой нет ячеек выше нее. Для удаления пиков входной растр поверхности должен быть инвертирован. Эту операцию можно выполнить с помощью инструмента Минус (Minus).

Следующий шаг - инструмент Flow Direction (Направление потока) из модуля Arc Hydro Tools - Terrain Preprocessing. Данный инструмент используется для получения гидрологических характеристик поверхности и определения направления стока из каждой ячейки растра. Инструмент использует растр с заполненными локальными (filled sinks) понижениями в качестве входных данных и выдает растр, показывающий направление стока каждой ячейки. Если выбрана опция "Выходной растр понижения" (Output drop raster), создается выходной растр, показывающий отношение максимального изменения по высоте из каждой ячейки вдоль направления стока к расстоянию между центрами ячеек, выраженное в процентах. Если выбрана опция "Сток из крайних ячеек направлен наружу" (Force all edge cells to flow outward), сток из всех ячеек на ребре растра поверхности будет осуществляться наружу, за края растра.

Есть 8 корректных выходных направлений относительно 8 смежных ячеек, в которые может перейти сток. Этот подход обычно называется моделью восьминаправленного стока (D8).

Рисунок. Направление потока из рассматриваемой точки и присваиваемое значение направлению.

Расстояние вычисляется между центрами ячеек. Следовательно, если размер ячейки принять за единицу, расстояние между двумя ортогональными ячейками будет равно 1, а расстояние между диагональными ячейками - 1,414 (квадратный корень из 2). Если максимальное понижение высоты до ближайших ячеек одинаково в нескольких направлениях, область соседства расширяется до тех пор, пока не будет найден самый крутой спуск.

Если найдено направление самого крутого понижения, выходной ячейке дается значение, представляющее это направление.

Если все соседние ячейки выше, чем обрабатываемая ячейка, такая ячейка будет рассматриваться как ошибка в данных; она должна быть заполнена до минимального значения высоты соседних ячеек. Сток будет осуществляться в эту ячейку. Однако в том случае, если локальное понижение размером в одну ячейку расположено на физическом краю растра, или в ее окрестностях есть хотя бы одна ячейка со значением NoData (нет данных), заполнения не происходит из-за недостаточной информации по соседним ячейкам. Чтобы ячейка могла рассматриваться как истинное локальное понижение размером в одну ячейку, для нее должна быть информация по всем соседним ячейкам. Если сток из двух ячеек осуществляется друг в друга, они являются локальными понижениями с неопределенным направлением стока. Такой метод определения направления стока по цифровой модели рельефа рассмотрен в книге Дженсона и Доминика (Jenson and Domingue, 1988).

Рисунок. Пример растра направления потока. Каждая ячейка растра содержит код направления потока.

Следующим этапом работы является выполнение операции Flow Accumulation (Суммарный сток) из того же модуля, что и Flow Direction, а именно Arc Hydro Tools - Terrain Preprocessing. Инструмент Flow Accumulation вычисляет суммарный сток как суммарный вес всех ячеек, впадающих в каждую ячейку вниз по склону выходного растра. В качестве входных данных инструмент Flow Accumulation использует растр, полученный в результате выполнения операции Flow Direction, то есть растр, содержащий направления потока в каждой точке.

Ячейки с высоким суммарным стоком - это участки концентрированного стока; они могут быть использованы для определения русел водотоков. Ячейки с суммарным стоком, равным нулю, - это локальные топографические пики; они могут быть использованы для выделения хребтов или линий водораздела.

Пример:

Примером использования инструмента Суммарный сток (Flow Accumulation) с входным растром направления потока может служить определение количества дождевых осадков, попадающих в заданный бассейн. В таком случае входной растр весов может быть непрерывным растром, представляющим среднее количество дождевых осадков за определенный период. Выходные данные инструмента будут представлять количество осадков, протекающее через каждую ячейку, при допущении, что весь выпавший дождь стекает по поверхности и не существует перехвата осадков, нет испарения, и осадки не просачиваются в грунтовые воды. Этот процесс можно также рассматривать как количество дождевых осадков, которые выпадают на поверхность земли выше по склону относительно каждой ячейки.

Результаты выполнения инструмента Суммарный сток (Flow Accumulation) могут быть использованы для создания сети водотоков путем применения порогового значения для выбора ячеек с высоким суммарным стоком. (#"796092.files/image006.jpg">

Рисунок. Сравнение речной сети, полученной в результате выполнения инструмента Flow Accumulation, и карты-схемы с отображенной гидрографической сетью

По сути, каждая ячейка растра аккумуляции содержит в себе информацию о количестве ячеек, с которых идёт уклон именно в эту точку. Иначе говоря, каждый пиксель данного растра хранит в себе площадь водосбора в данной точке. Площадь водосбора отображается в количестве ячеек, но, зная параметры одного пикселя (его длина и ширина на местности в километрах), можно легко перейти к площади водосбора в квадратных километрах. Изначально, как описано выше, параметры одного пикселя определяются разрешением используемой цифровой модели рельефа. В нашем случае мы имеем дело с моделью SRTM, разрешение которой составляет 90 м, т.е. один пиксель ЦМР на местности занимает квадратный полигон со стороной 90 м. Но в связи с тем, что в ходе работы было произведено проецирование исходного растра в прямоугольную систему координат (с помощью инструмента Data management tools - Projections and Transformations - Project Raster), а именно - Пулково 1942, исходные параметры модели немного изменились. Таким образом, на местности длина и ширина одного пикселя растра, спроецированного в прямоугольную систему координат, составляют 74 м, или 0,074 км, а его площадь 5,48∙10-3 км2.

Теперь, фактически имея площади водосбора в любой интересующей нас точке речной сети, не составляет труда сопоставить рассчитанные данные с данными ОГХ 1970-1975 гг. Для выполнения этой задачи был составлен список гидрологических постов, лежащих в пределах рассматриваемого района. Далее была оформлена таблица Excel, содержащая в столбцах такие данные, как река, на которой находится пост, наименование населенного пункта, где он расположен, его время действия, пространственные координаты, площадь водосбора. Затем с помощью приложения QuantumGIS произведен переход от формата .xls к формату .shp, т.е. создан шейп-файл, содержащий в себе ту самую таблицу excel с гидрологическими постами и их координатами. Данный формат можно обрабатывать в среде ArcGIS, в которой, собственно, и производится основная работа над цифровой моделью рельефа. Все это делается для того, чтобы отследить местоположение того или иного поста непосредственно на синтетически созданной речной сети и снять значение растра аккумуляции в данной точке. Таким образом, в исходную таблицу добавляется еще один столбец, содержащий рассчитанную с помощью программного оборудования, площадь водосбора (см. Приложение). Следующим шагом было сопоставление рассчитанных данных и данных ОГХ, вычисление погрешности, анализ результатов, данный этап будет описан чуть позже.

Итак, следующие этапы работы направлены на получение непосредственно определенных контуров водосбора. Были выбраны 10 конкретных бассейнов разной площади (от 1000 до 8000 км2), для которых было необходимо получить растровое изображение их контура. Данная задача выполнялась для дальнейшей работы над бассейном и определением его гидрографических характеристик (залесенность, озерность, доля урбанизированных территорий). Для этого были использованы функции модуля ArcHydro, описание которого было представлено выше в разделе 2.3. Первой была задействована функция определения направления потока (Stream Definition). В качестве входных данных использовался растр аккумуляции (Flow Accumulation Raster), а также задается пороговая площадь водосбора, т.е. ячейки растра аккумуляции, хранящие в себе площадь водосбора, меньше пороговой, в растр направления потока включаться не будут. По сути, растры Stream Definition и Flow Accumulation визуально выглядят одинаково, отличие заключается лишь в том, что ячейки растра направления потока состоят только из нулей и единиц, т.е. либо есть в данной точке пороговая площадь водосбора, либо ее нет.

Рисунок. Наложение растров Flow Accumulation и Stream Definition

На рисунке красным цветом отмечены ячейки растра Flow Accumulation, хранящие в себе площадь водосбора, синим же - ячейка растра Stream Definition, который наложен сверху. В итоге мы видим, что красным отмечены точки, хранящие в себе площадь водосбора меньше заданной пороговой при выполнении операции SD. Эта операция выполняется для того, чтобы ускорить процесс оконтуривания водосбора, отбросив слишком малые водосборы.

Следующие два используемых инструмента из раздела Terrain Preprocessing модуля ArcHydro - Stream Segmentation и Catchment Grid Delineation. По сути, эти 2 операции ведут к получению растра, каждая ячейка которого содержит значение с указанием, к какому водосбору она принадлежит. При отображении данного растра на экране компьютера мы наблюдаем "облако" из наложенных друг на друга "залитых" с различной интенсивностью водосборов. Более темные - соответственно более крупные, включающие в себя более мелкие, окрашенные в светлые тона бассейны.


Следующая операция - Catchment Polygon Processing преобразует растр, полученный в результате выполнения функции Catchment Grid, в растр, содержащий непосредственно контура (границы) водосборов. Наименьший выделенный водосбор как раз таки имеет площадь, которую мы задали в качестве пороговой в модуле Stream Definition.

Последние 2 выполняемые функции модуля ArcHydro - это Adjoint Catchment Processing и Drainage Line Processing. Первая функция объединяет малые водосборы, имеющие направленность потока в одну общую точку и создает растровый слой, содержащий, собственно объединенные контура бассейнов. Иначе говоря, данная функция объединяет смежные водосборы, например, если река образуется двумя малыми притоками, то функция Catchment proc. оконтуривает каждый из них, а Adjoit Catchment proc. объединяет их в один. Функция Drainage Line Processing создает растровый слой, отображающий русловую сеть, т.е. содержит просто графическое отображение рек, не неся в себе какой-либо другой информации.

Рисунок. Одновременное отображение растров Drainage Line, Catchment и Adjoint Catchment Processing

Фактически, все подготовительные этапы на этом заканчиваются. Все входные растры для делинеации контуров заданных бассейнов готовы, остается, собственно, выполнить саму делинеацию в точках. Выбраны 10 бассейнов разной площади: р. Зуша до г. Мценск, (площадь водосбора 6000 км2), р. Жиздра до г. Козельск (6940 км2), р. Ресса до д. Лазино (2440 км2), р. Истра до с. Павловская Слобода (1950 км2), р. Москва до г. Звенигород (5000 км2), р. Ока до д. Костомарово (4900 км2), р. Упа до с. Орлово (8210 км2), р. Воря до с. Мишнево (947 км2), р. Угра до с. Всходы (1890 км2), р. Вазуза до д. Золотилово (5510 км2). Такие бассейны были выбраны не случайно. Бассейны большей площади умышленно не брались в рассмотрение ввиду ограниченности ресурсами персонального компьютера, но в тоже время необходимо было показать разнородные в гидрографическом плане бассейны, чтобы наглядно отобразить возможность программного оборудования выполнять расчеты тех или иных гидрографических характеристик.

Имея shape-файл, содержащий местоположение интересующих нас гидрологических постов, выполняем функцию Point Delineation из модуля ArcHydro. Данная функция отрисовывает контур водосбора в любой интересующей нас точке, используя в качестве входных данных для расчетов выше перечисленные растры (Flow Direction, Stream, Catchment, Adjoint Catchment).

Рисунок. Результат выполнения функции Point Delineation. Полученные контура водосборов выше перечисленных рек

Получив пространственное очертание выбранных для рассмотрения бассейнов можно переходить к следующему этапу - определению гидрографических характеристик водосбора.

С помощью модуля Extract by Mask из раздела Spatial Analyst, мы можем "вырезать" заранее заготовленную и использованную для всех расчетов общую ЦМР по контуру конкретного бассейна. Далее, получив цифровую модель для каждого отдельного водосбора, можем рассчитать его среднюю высоту и уклон. Первый из этих параметров по умолчанию отображается в свойствах растрового слоя, т.е. среднюю высоту водосбора можно легко получить, отобразив на экране свойства "вырезанной" по интересующему контуру ЦМР и найдя соответствующее поле mean. Данное поле показывает среднее из всех значений, хранящихся в узлах ячеек, а так как в узлах ЦМР хранятся отметки высот, мы получаем необходимое значение средней высоты.

Чтобы получить значение уклона, используем инструмент Slope из раздела Spatial Analyst Tools - Surface. Как работает этот инструмент? Для каждой ячейки инструмент Уклон (Slope) вычисляет максимальную степень изменения в значении z между конкретной ячейкой и соседними с ней ячейками. По сути, максимальная степень изменения в значениях высоты на единицу расстояния между ячейкой и восемью соседними с ней ячейками определяет самый крутой спуск вниз по склону из ячейки.

Концептуально, инструмент подбирает плоскость для z-значений из окрестности размером 3 x 3 ячейки вокруг обрабатываемой или центральной ячейки. Значение уклона этой плоскости вычисляется с использованием методики усредненного максимума. Направление плоских граней является экспозицией обрабатываемой ячейки. Чем ниже значение уклона, тем более плоской является земная поверхность; чем выше значение уклона, тем более крутые склоны расположены на поверхности.

Если в окрестности есть ячейка, не имеющая z-отметки, этому местоположению будет присвоено z-значение центральной ячейки. Результатом этой операции будет уплощение плоскости размером 3 x 3 ячейки, подобранной для этих краевых ячеек, что обычно приводит к уменьшению уклонов.

Выходной растр уклонов может быть вычислен в двух различных единицах измерения, в градусах или в процентах ("процент подъема").

Рисунок. Переход от растра ЦМР к растру уклона.

Итак, выполнив функцию данного инструмента для каждого контура водосбора, мы получаем для каждого контура соответственно растр уклонов. Среднее значение уклона определяем аналогичным образом со средней высотой водосбора - отображаем на экране свойства конкретного растра для интересующего нас бассейна и снимаем значение из поля mean, только в данном случае это значение уже соответствует среднему уклону. Результаты расчетов отображены в соответствующей главе.

.5 Порядок работы при определении гидрографических характеристик

Для определения гидрографических характеристик были использованы спутниковые снимки Google Maps, выполненные в летний период, на которых отчётливо видны водные объекты, контуры леса, урбанизированные территории. Спутниковые снимки территории были получены с помощью приложения SAS.Planet, описание которого представлено в разделе 2.2. Полученные изображения земной поверхности далее обрабатывались в среде ArcGIS. Первым этапом обработки было извлечение изображение по контуру водосбора, что было выполнено с помощью инструмента Extract by Mask из раздела Spatial Analyst Tools - Extraction. Данная операция проводилась для того, чтобы исключить из области обработки территории, не принадлежащие тому или иному водосбору.


Итак, получив изображение земной поверхности каждого интересующего нас водосбора, приступаем, собственно к процессу дешифрирования и классификации изображения. Для подобных целей в приложении ArcGIS есть отдельный модуль - Image Classification.

Классификация изображений - это процесс извлечения классов информации из многоканального растрового изображения. Растр, полученный в результате классификации изображения, можно использовать для создания тематических карт. В зависимости от характера взаимодействия аналитика с компьютером в процессе классификации, различают два типа классификации изображений: классификацию "с обучением" и классификацию "без обучения".

Процесс классификации - это многошаговый рабочий процесс, поэтому предусмотрена специальная панель инструментов Классификация изображений (Image Classification), обеспечивающая интегрированную среду классификации с использованием различных инструментов. Панель инструментов служит не только для выполнения рабочего процесса классификации с обучением и без обучения, но и предоставляет дополнительные функции для анализа входных данных, создания обучающих выборок и файлов сигнатур, а также оценки качества обучающих выборок и файлов сигнатур.

В классификации изображений с обучением используются спектральные сигнатуры, полученные из обучающих выборок. С помощью панели инструментов Классификация изображений (Image Classification) вы можете легко создать обучающие выборки, соответствующие классам, которые нужно извлечь. Вы можете также легко создать из обучающих выборок файл сигнатур, который затем будет использоваться инструментами многомерной классификации для классификации изображения.

Процесс классификации без обучения находит спектральные классы (или кластеры) в многоканальном изображении без вмешательства аналитика. Для выполнения классификации без обучения на панели инструментов Классификация изображений (Image Classification) имеются инструменты для создания кластеров, анализа их качества, а также инструменты классификации.

В ходе выполнения курсовой работы использовалась классификация "с обучением".


Процесс т.н. "обучения" представляет из себя следующее: пользователь "обучает" программу, на какие классы необходимо разбить изображение, самостоятельно выделив полигоны с определенной цветовой палитрой. Например, в нашем случае, выделялись части леса, поля, урбанизированные территории, какие-либо водные объекты. Далее программа самостоятельно определяет, какую часть изображения занимает тот или иной класс. Получив данные о площадях, занимаемых лесом, городом, полем, озерами, находим долю (в процентах) от общей площади бассейна. Результаты по каждому водосбору представлены в главе "Расчет".

3. Расчеты и анализ результатов

.1 Общее описание существующих гидрологических характеристик

Термин "гидрографические характеристики" определяется как совокупность морфометрических и морфологических характеристик водных объектов и их водосборов, дающих достаточно полное представление о характере, форме, размерах, протяженности водных объектов и некоторых физико-географических особенностях их водосборов.

Морфометрические характеристики представляют собой количественные показатели водных объектов и водосборов, а морфологические - качественно-количественные показатели строения поверхности водосборов.

.2 Определение морфометрических характеристик

Площадь водосбора. В представленной ниже таблице приведены результаты расчетов площади водосбора для каждого выбранного поста. В первых столбцах представлена общая информация о постах, их местоположение. В столбце 6 представлен результат расчета, описание которого приведено в разделе 2.4 главы 2. В данном столбце отображена площадь водосбора в начальных единицах растра - пикселях, иными словами, этот столбец показывает, сколько ячеек цифровой модели занимает тот или иной бассейн.


В нашем случае, разрешение модели составляет 90 метров, т.е. один пиксель на местности будет занимать квадратный полигон со стороной 90 метров. Но, ввиду того, что исходный растр претерпел перепроецирование в прямоугольную систему координат (Пулково 1942, зона 7), начальное разрешение изменилось и составляет 74 метра. Таким образом, можно легко вычислить, какую площадь в км2 занимает один пиксель, а именно 0,074х0,074=0,005477 км2. Теперь можно перейти от площади в пикселях к площади в квадратных километрах, просто перемножив значения в столбцах 6 и 7. Результат расчета площади водосбора в км2 представлен в столбце 8. В столбце 9 приведены данные из ОГХ 1970-1975 гг., собственно с этими данными и производится сравнение, анализ, расчет относительной погрешности.

Таблица

река

пост

Широта

Долгота

S в пикселях

S пикселя

Площадь расчетная

Площадь

отн. погр.

1

р.Ока

д.Вендерево

52,533

36,017

92119

0,005477

504,58

513

1,64

2

р.Ока

д.Семенково

52,572

35,951

164127

0,005477

899,00

912

1,43

3

р.Крома

сл.Черкасская

52,7

35,8

156545

0,005477

857,47

853

0,52

4

р.Рыбница

д.Любаново

52,845

36,11

125169

0,005477

685,61

709

3,30

5

р.Цоп

с.Новолуние

52,9

35,783

125944

0,005477

689,86

689

0,12

6

р.Нерунь

д.Орловка

52,933

36,917

274830

0,005477

1505,38

1500

0,36

7

р.Ока

г.Орел

52,967

36,083

893420

0,005477

4893,69

4890

0,08

8

р.Орлик

г.Орел

52,967

36,067

99717

0,005477

546,20

544

0,40

9

р.Зуша

г.Новосиль

52,967

37,083

358503

0,005477

1963,69

1970

0,32

10

р.Ока

д.Костомарово

52,983

36,083

896156

0,005477

4908,68

4900

0,18

11

р.Орлица

д.Большой Рог

52,989

35,69

18552

0,005477

101,62

96

5,85

12

р.Раковка

д.Ратановка

53,04

37,256

67892

0,005477

371,88

364

2,16

13

р.Оптуха

с.Платово

53,1

36,233

138566

0,005477

758,99

620

22,42

14

р.Грунец

д.Гагаринские Хутора

53,133

37,214

9391

0,005477

51,44

50

2,88

15

р.Нугрь

д.Городище

53,269

35,675

32039

0,005477

175,49

175

0,28

16

р.Вытебеть

с.Льгов

53,283

35,413

64448

0,005477

353,01

338

4,44

17

руч.Ракитня

д.Мымрино

53,297

35,489

11240

0,005477

61,57

63,3

2,74

18

р.Рыдань

д.Камынина

53,323

35,749

22168

0,005477

121,42

120

1,19

19

с.Локно

53,332

35,796

68376

0,005477

374,53

359

4,33

20

р.Шковка

д.Нижняя Шкава

53,353

35,439

10922

0,005477

59,83

58

3,15

21

р.Снытка

д.Малая Кутьма

53,374

36,013

26949

0,005477

147,61

151

2,24

22

р.Зуша

г.Мценск

53,417

36,533

1147339

0,005477

6284,53

6000

4,74

23

р.Нугрь

г.Болхов

53,433

36,017

184737

0,005477

1011,89

1010

0,19

24

р.Орс

д.Орс

53,434

35,947

28272

0,005477

154,86

155

0,09

25

р.Вытебеть

д.Шваново

53,523

35,59

168400

0,005477

922,41

920

0,26

26

р.Иста

с.Араны

53,585

36,477

99680

0,005477

546,00

548

0,37

27

р.Плава

г.Плавск

53,712

37,291

149199

0,005477

817,23

810

0,89

28

р.Ока

г.Белев

53,817

36,15

3205649

0,005477

17558,88

17500

0,34

29

р.Жиздра

с.Дубровка

53,883

35,083

345895

0,005477

1894,63

1900

0,28

30

р.Упа

г.Крапивна

53,946

37,157

1163547

0,005477

6373,31

6320

0,84

31

р.Упа

с.Орлово

53,95

37,15

1503471

0,005477

8235,23

8210

0,31

32

р.Солова

д.Захаровка

53,967

37,45

71567

0,005477

392,01

400

2,00

33

р.Жиздра

г.Козельск

54,033

35,8

1273786

0,005477

6977,14

6940

0,54

34

р.Ока

г.Лихвин(Чекалин)

54,096

36,251

5076580

0,005477

27806,87

27900

0,33

35

р.Упа

г.Тула

54,2

37,65

649499

0,005477

3557,62

3550

0,21

36

р.Упа

с.Маслово

54,207

37,508

737302

0,005477

4038,56

4040

0,04

37

р.Ока

с.Голодское(Перемышль)

54,29

36,188

6953884

0,005477

38089,76

38000

0,24

38

р.Осетр

д.Хрусловка

54,397

38,228

83477

0,005477

457,24

462

1,03

39

р.Ока

г.Калуга

54,5

36,267

10057890

0,005477

55091,89

54900

0,35

40

р.Безвель

д.Утешево

54,515

35,681

24903

0,005477

136,41

146

6,57

41

р.Угра

с.Всходы

54,67

34,099

353825

0,005477

1938,07

1890

2,54

42

р.Ресса

д.Лазино

54,681

35,053

441738

0,005477

2419,61

2440

0,84

43

р.Угра

пгш Товарково

54,683

35,933

2801350

0,005477

15344,34

15300

0,29

44

р.Большое Смедово

д.Острога

54,697

38,441

43721

0,005477

239,48

241

0,63

45

р.Таруса

д.Похвинсево

54,733

37,1

156158

0,005477

855,35

872

1,91

46

р.Угра

д.Мокрое(г.Юхнов)

54,746

35,223

1970645

0,005477

10794,17

10800

0,05

47

р.Ока

г.Кашира

54,833

38,15

12607157

0,005477

69055,45

68700

0,52

48

р.Путынка

д.Малахово

54,833

36,283

29275

0,005477

160,35

153

4,81

49

р.Лопасня

д.Кубасово

54,981

37,836

166381

0,005477

911,35

923

1,26

50

р.Протва

с.Спас-Загорье

55,05

36,6

643880

0,005477

3526,84

3640

3,11

51

р.Угра

д.Мухино(Комаровка)

55,052

34,659

888408

0,005477

4866,24

5790

15,95

52

р.Воря

свх Ильинский

55,112

35,06

141020

0,005477

772,43

825

6,37

53

р.Северка

с.Покровское

55,2

38,317

146081

0,005477

800,16

792

1,03

54

р.Нара

55,207

36,943

171173

0,005477

937,60

971

3,44

55

р.Северка

с.Большое Алексеевское

55,242

38,208

114096

0,005477

624,96

642

2,65

56

р.Протва

г.Верея

55,35

36,183

145474

0,005477

796,83

935

14,78

57

р.Нара

г.Наро-Фоминск

55,383

36,75

114792

0,005477

628,77

665

5,45

58

р.Пахра

д.Макарово

55,465

37,673

321699

0,005477

1762,10

1760

0,12

59

р.Пахра

Стрелковская фабрика

55,467

37,633

309405

0,005477

1694,76

1690

0,28

60

р.Москва

пос.Марфин Брод

55,533

35,967

249214

0,005477

1365,06

1380

1,08

61

вдхр.Можайское

Можайский гидроузел

55,534

35,952

248729

0,005477

1362,41

1380

1,27

62

р.Воинка

д.Беззубово

55,546

35,803

8894

0,005477

48,72

64,1

24,00

63

р.Сежа

д.Баскаково

55,547

34,754

58964

0,005477

322,97

291

10,99

64

р.Гжать

г.Гагарин

55,55

34,983

80735

0,005477

442,22

406

8,92

65

р.Москва

д.Макарово

55,552

36,027

274023

0,005477

1500,96

1420

5,70

66

р.Гжать

г.Гжатск

55,553

35

82764

0,005477

453,34

418

8,45

67

р.Гжать

д.Кормино(Кормино-Шеляги)

55,583

34,987

93590

0,005477

512,64

484

5,92

68

р.Сежа

д.Новое Село

55,589

34,673

72013

0,005477

394,45

375

5,19

69

р.Искона

д.Новинки

55,633

36,033

87636

0,005477

480,02

472

1,70

70

р.Лусянка

д.Черники

55,65

35,667

29099

0,005477

159,39

170

6,24

71

р.Москва

Перервинский гидроузел

55,667

37,717

1654883

0,005477

9064,59

8850

2,42

72

р.Вазуза

с.Дугино

55,683

34,2

128450

0,005477

703,58

734

4,14

73

р.Москва

д.Барсуки

55,683

35,6

139816

0,005477

765,84

755

1,44

74

р.Руза

г.Руза

55,699

36,189

347021

0,005477

1900,80

1930

1,51

75

р.Москва

г.Звенигород

55,733

36,867

947372

0,005477

5189,21

5000

3,78

76

р.Москва

с.Петро-Дальнее

55,733

37,167

1367533

0,005477

7490,63

7320

2,33

77

р.Москва

Бабьегородская плотина

55,737

37,605

1537289

0,005477

8420,47

8170

3,07

78

р.Руза

д.Покров

55,75

36,133

206760

0,005477

1132,52

1140

0,66

79

р.Яуза

Яузский гидроузел

55,75

37,683

82087

0,005477

449,63

449

0,14

80

р.Озерна

д.Карповка

55,762

36,263

101540

0,005477

556,18

483

15,15

81

р.Касня

с.Субботники

55,802

34,426

261253

0,005477

1431,01

1420

0,78

82

р.Москва

с.Павшино

55,802

37,333

1408495

0,005477

7715,00

7550

2,19

83

р.Гжать

д.Шакуты

55,81

34,706

366828

0,005477

2009,29

1900

5,75

84

р.Истра

с.Павловская Слобода

55,817

37,1

352723

0,005477

1932,03

1950

0,92

85

р.Озерна

д.Городище

55,85

36,35

67357

0,005477

368,95

364

1,36

86

р.Лихоборка

г.Москва,свх Марфино

55,854

37,559

7910

0,005477

43,33

43

0,76

87

р.Малая Истра

д.Киселево

55,883

36,767

53327

0,005477

292,10

280

4,32

88

р.Волошня

д.Чертаново

55,9

35,917

18099

0,005477

99,14

91,2

8,70

89

р.Руза

д.Красное Село

35,518

63418

0,005477

347,37

339

2,47

90

р.Истра

с.Бужарово

55,98

36,802

187490

0,005477

1026,97

1010

1,68

91

р.Воря

с.Мишнево

55,983

38,217

179407

0,005477

982,70

947

3,77

92

р.Воря

с.Каблуково

56,025

38,17

160828

0,005477

880,93

901

2,23

93

р.Вазуза

д.Золотилово

56,043

34,493

1039531

0,005477

5694,01

5510

3,34

94

р.Осуга

д.Коротнево(Кортнево)

56,052

34,435

193779

0,005477

1061,42

1230

13,71

95

р.Осуга

д.Красное

56,089

34,012

57720

0,005477

316,16

310

1,99

96

р.Нудоль

д.Кузнецово

56,127

36,656

53217

0,005477

291,50

291

0,17

97

р.Шоша

с.Хлопово-Городище

56,303

35,426

61863

0,005477

338,85

339

0,04


Расчет относительной погрешности производился по формуле:



На графике зависимости относительной погрешности от площади водосбора отчетливо заметна тенденция к снижению погрешности с ростом площади водосбора. Таким образом, принимая во внимание также и поведение линии тренда на графике, можно сказать, что в большинстве случаев относительная погрешность не превышает 5-7 %, исключая единичные случаи, связанные, возможно, с неточностями самой цифровой модели рельефа, отсутствующими данными и интерполированными участками. Также стоит учесть, что вычисление малых площадей водосбора, используя модель с 90-метровым разрешением, будет всегда сопровождаться большими погрешностями. Модель чисто физически не может позволить практически безошибочно оконтурить малый водосбор, учитывая то, что сторона минимальной единицы - пикселя, составляет 90 метров. В то же время, это мало сказывается на расчетах больших площадей. Погрешность, конечно же, также присутствует, но на общем фоне полученного результата они мало заметны, и составляют относительно малую долю.

Рассматривая результаты более детально, можно выявить следующее: относительная погрешность в подавляющем большинстве случаев не превышает 10% для бассейнов с площадью до 1500 км2, для бассейнов с площадью от 1,5 до 7,5 тысяч км2 колеблется в пределах 5-7%, для более крупных бассейнов погрешность расчетов не превышает 1-2%.

Уклон. Средняя высота. В приведенной ниже таблице, помимо гидрографических данных, приведены результаты расчета средней высоты и уклона водосбора. Череда необходимых для расчета операций подробно описана в разделе 2.4 главы 2.


Итак, жирным шрифтом в таблице выделены рассчитанные данные в среде Arcgis. По возможности, при наличии соответствующих данных из ОГХ, результаты сравнивались и анализировались, рассчитывалась относительная погрешность расчетов. Таким образом, расчет погрешности при определении средней высоты водосбора производился аналогичным образом с расчетом погрешности при определении площади водосбора. Ее значения представлены в столбце 6. Как можно заметить, погрешность не превышает 5%, причем наблюдается тенденция к снижению погрешности с ростом площади водосбора. Рассматривая конкретнее, можно выделить некоторые условные интервалы, в которых колеблется значение погрешности в зависимости от площади водосбора. Площади до 2000 км2 соответствует погрешность 4-5%, от 2000 до 5000 тысяч - 2-4%, более крупные бассейны - менее 2%.

Что касается уклонов, то здесь не было возможности сравнить результаты, ввиду того, что в ОГХ 1970-1975 гг. не оказалось данных о уклонах бассейнов, были лишь средние уклоны собственно водотоков. Все значения уклонов приведены в таблице в столбцах 2 и 3. Жирным шрифтом выделен результат расчета среднего уклона водосбора.

.3 Определение гидрографические характеристик

Конкретно в ходе работы рассматривались залесенность, озерность и доля урбанизированных территорий. Результаты также представлены в таблице. Жирным шрифтом выделены данные, полученные в среде Arcgis посредством расчетов, остальное - данные из ОГХ. Озерность представлена в столбце 7. Как мы можем заметить, то значения практически идентичны справочным данным. В случае с гидрографическими характеристиками не имеет смысла рассчитывать какие-либо погрешности, ввиду того, что с течением времени (а это практически 40 лет) они могли естественным образом измениться, и сравнивать данные со снимков 1-2 годичной давности с данными 1975 года абсолютно бессмысленно. Говоря конкретно об озерности, то можно заметить, что доля озер в общей картине ландшафтов по прошествии 40 лет мало изменилась.

Что касается залесенности территории, то здесь можно заметить, как ни странно, увеличение данного показателя в большинстве случаев (столбец 8). Обратная ситуация только лишь с бассейном реки Воря, расположенным на северо-востоке Московской области. Здесь залесенность сократилась с 72% до 42%, что наверняка связано с хозяйственным развитием территории, ростом урбанизации (кстати, доля урбанизированных территорий здесь максимальна среди рассматриваемых бассейнов). В остальных же случаях доля леса либо осталась практически неизменной, либо даже возросла. Например, на 2% в бассейне Зуши, Оки до д. Костомарово, и на 19% в пределах водосбора реки Угры. Данное явление, возможно, связано с практически полным прекращением использования дерева в качестве энергетического ресурса и переходом на углеводородное сырье, что сократило огромные вырубки леса.

Также рассматривалась доля урбанизированной территории в общей картине ландшафтов (столбец 9). Но, к сожалению, ввиду того, что справочных данных по этому показателю нет, сравнить их не с чем, можно лишь дать некоторое пояснение к имеющимся значениям. Максимальное долю урбанизированных территорий мы наблюдаем в пределах реки Вори (37%), как уже было упомянуто выше. Это связано, собственно, с географическим положением бассейна, лежащего в пределах крупнейшей в стране городской агломерации. Наоборот же, урбанизированные территории полностью отсутствуют на водосборе реки Угры (до пос. Всходы), что, в свою очередь, опять же связано с его положением: до поселка Всходы бассейн Угры относительно удален от крупных административных центров, а в его пределах находятся только небольшие деревни и сёла Смоленской и Калужской областей.

Что касается распаханности и заболоченности территорий, то данные расчеты не удалось произвести по одной простой причине - на спутниковых снимках с трудом можно различить границы пашни в общей площади полей, а также сложно выделить отдельные болота.

Заключение

Данная курсовая работа по сути является более углубленным вариантом курсовой работы 2-го курса с более расширенным спектром задач. В ходе работы была дана оценка точности определения морфометрических характеристик водосбора с помощью цифровых моделей рельефа, а также оценена возможность применения настольного ПО вкупе со спутниковыми данными для определения гидрографических характеристик. Все поставленные задачи были выполнены. Произведен разбор и анализ использования цифровых моделей рельефа для определения морфометрических характеристик водосбора, в частности его площади, уклона, средней высоты, а также произведен анализ использования современного ПО для определения гидрографических характеристик водосбора. Выполнив данную курсовую работу, можно смело заявить, что компьютерные возможности вкупе со спутниковыми данными позволяют решать в частности и проблемы гидрологии, и существенно облегчают и ускоряют процессы определения морфометрических и гидрографических характеристик водных объектов.

Похожие работы на - Определение характеристик водосбора

 

Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!