Using remote sensing to studying quantitative properties of ridge landscapes morphological structure in the Caspian lowland

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Грядово-волнистые полупустынные и пустынные ландшафты являются уникальными природными объектами, распространенными на обширных территориях Северного Прикаспия (Гудилин, 1987). Большая их часть приурочена к дельтам крупных рек (Волга, Урал, Эмба), дренирующим Прикаспийскую низменность. Главная особенность этих ландшафтов — чередование бэровских бугров, ильменей, солончаковых комплексов. Бэровские бугры представляют собой субширотно вытянутые гряды, или гривы, и являются уникальными геоморфологическими образованиями. В данной работе рассматриваются те территории, где распространение бугров носит массовый характер.

Наиболее обширное распространение бэровских бугров приходится на западную часть дельты Волги. Данные ландшафты также носят название Западных ильменей. Здесь бэровские бугры простираются на сотни километров, имея строго широтное направление. В восточной части Волжской дельты распространены Восточные ильмени. Их площадь много меньше, направление также широтное (Захаров, 1975).

Многочисленные гряды разбросаны также по площади современной дельты. Здесь они частично разрушены деятельностью водотоков, поэтому их морфология отличается от грядово-волнистых ландшафтов Западных и Восточных ильменей.

Следующий ареал распространения бугров находится в западной части дельты Урала, южнее обширных территорий Рын-песков. Крупный ареал располагается между дельтами рек Эмбы и Урала.

Отдельные, не столь массовые, скопления грядовых комплексов, встречаются в пределах Терско-Кумской низменности, Кумо-Манычской впадины, южнее оз. Баскунчак.

Особенность ландшафтной структуры ландшафтов с участием бугров Бэра определяется контрастностью рельефа. В качестве фактора подобный грядовый рельеф обусловливает особенности увлажнения территории, и, как следствие, дифференциацию почвенного и растительного покровов.

Феномен бэровских бугров, впервые описанных К. Бэром в 1866 г., уже более ста лет привлекает внимание географов. Одной из самых актуальных тем исследований бэровских бугров всегда был вопрос об их происхождении. Как правило, исследователями рассматриваются четыре основные гипотезы — морская, эрозионная, эоловая и полигенетическая.

Морская гипотеза объясняет происхождение бугров существованием особой морской обстановки осадконакопления и циркуляции вод. Однако стоит отметить, что среди ее сторонников не наблюдается единства мнений насчет самого механизма образования грядового рельефа. Так, Г.Ф. Красножон (1961), Н.Г. Суханова (1979), Л.А. Жиндарев (2001), С.А. Сладкопевцев (1965) склонны объяснять формирование гряд особым видов приливно-отливной деятельности в условиях мелководья. В свою очередь в работах В.А. Николаева (1962) дается обоснование прибрежно-волнового механизма. Помимо этого, встречаются работы, где в качестве основного фактора выступают морские течения, которые являются агентом, способствующим размытию цельной алевритовой толщи (Бадюкова, 1996).

Среди сторонников эрозионной гипотезы наблюдается большее единство относительно определения механизма формирования бэровских бугров. Работы по обоснованию гипотезы публикуют Л.В. Захаров (1973), Г.Ф. Якубов (1953), М.М. Жуков (1945), А.Г. Доскач (1962), В.М. Седайкин (1985). Сценарий формирования бугров эрозионным путем — это размыв целостной толщи поверхностных отложений временными водотоками по направлению волжского стока.

Эоловая гипотеза также имеет много сторонников. К ним относятся такие специалисты, как, Г.И. Рычагов (1958, 2002), В.П. Батурина (1951), К.К. Маркова (1954). Большинство из них придерживается мнения, что бэровские бугры являются крупными барханными структурами, которые формировались перпендикулярно направлению ветров. Альтернативным является мнение о том, что бугры представляют собой эоловые гряды, т. е. формировались параллельно действию ветра (Белевич, 1979).

Важнейшими работами последних лет являются публикации А.А. Свиточа, Т.С. Клювиткиной (2003–2006). В работе «Бэровские бугры Нижнего Поволжья» (2006) собран обширный фактический материал, а также обобщены представления о многообразии существующих гипотез. Здесь же приведены весомые доводы в пользу полигенетического поэтапного формирования бэровских бугров.

Изучением происхождения бэровских бугров традиционно занимаются в рамках геоморфологии, палеогеографии, геологии. При этом на данный момент остается неизученным ландшафтный рисунок, сформированный бэровскими буграми и сопутствующими им ильменями (рис. 1), информация о происхождении ландшафта, которую он содержит. Спецификой данной работы является подход, основанный на изучении рисунка ландшафта или ландшафтной мозаики (Викторов,1986).

Рис. 1. Пример рисунка бэровских бугров в сочетании с соровыми солончаками по понижениям (Западный Казахстан) на мате-риалах космической съемки.

Цель настоящей работы — выявление закономерностей строения морфологических структур (ландшафтных рисунков) ландшафтов с широким развитием бэровских бугров на основе данных дистанционного зондирования.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Основой решения поставленной задачи явилось использование материалов космической съемки, представляющей уникальную информацию о морфологической структуре ландшафтов. Применение данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) является одной из основ методологии математической морфологии ландшафта. Космические снимки позволяют получать данные как о структурных особенностях ландшафтов, так и об их динамике (Викторов, Капралова, 2013).

Методика исследования включала следующие этапы:

1. Выбор эталонных участков дешифрирования, отражающих однородные ландшафтные рисунки. Было выбрано шесть участков (см. рис. 2). Критериями их выбора являлись массовость распространения грядовых комплексов, а также однородность рисунка по направлению и конфигурации бугров (морфологическая однородность).

2. Подбор материалов ДЗ для эталонных участков. Основными материалами явились данные ДЗ: цифровые модели рельефа «Srtm» и высокодетальные снимки «Bing» и «Nokia», полученные в среде «SASPlanet». Разрешение использованных высокодетальных снимков составляло 1.2 м/пикс, в ходе работы использовалась стандартная цветопередача. Разрешение ЦМР «Srtm» — 90 м/пикс.
3. Создание схем ландшафтного дешифрирования методом ручного дешифрирования высокодетальных космических снимков в программной среде «ArcMap 10.3.» (рис. 3). Объектом выступают природно-территориальные комплексы, представленные двумя группами урочищ. Вытянутые гряды, занятые различными полупустынными фитоценозами на бурых пустынных почвах, — первая группа урочищ. Межбугровые понижения, которые могут быть представлены озерными суб-аквальными комплексами или солончаками с галофитной растительностью, — вторая группа.
4. Выбор и получение количественных характеристик морфологической структуры ландшафта. Морфологическая структура ландшафта в нашем случае отражается двумя типами показателей: первый — параметры, характеризующие особенности контуров бэровских бугров, второй — показатели расположения гряд в пространстве.

К параметрам, характеризующим морфометрию гряд, относятся: а) диаметры гряд, представляющие из себя длину отрезка, проведенного между точками начала и конца каждой гряды; б) площади контуров; в) периметры контуров (длина границы ландшафтного контура).

Расположение гряд исследовалось с помощью анализа распределения особых точек морфологической структуры. Они включали: а) точки начала гряд; б) точки пересечения и примыкания гряд; в) точки окончания гряд. Точками начал гряд считались точки западной ориентации гряд (всебугры независимо от участка имеют субширотную ориентацию). Точками окончания гряд считались восточные точки каждой отдельной гряды.

На каждый слой с точками в программной ГИС‑среде образом накладывалось три слоя с окружностями, радиусами R, 1.5R, 2R

$R=\sqrt{\frac{S}{n\pi }}$                       

где S — площадь эталонного участка, n — количество особых точек на участке.

Для каждой окружности внутри слоя считалось количество точек, попадающих в круг. Наложение окружностей происходило случайным образом с применением генератора случайных чисел в программном модуле «Poisson» для «ArcMap 10.3». В результате обработки получалась совокупность данных, состоявшая из трех выборок с дискретными показателями для каждого выбранного участка.

Рис. 2. Схема расположения эталонных участков(Северный Прикаспий).

Рис. 3. Часть схемы дешифрирования эталонного участка Area_3

Таблица 1–2. Результаты сопоставления эмпирических и теоретических распределений характеристик морфологической структуры участков

5. Проверка полученных данных на соответствие статистическим законам распределения по критерию Пирсона. Полученные характеристики проверялись на соответствие статистическим законам распределения в программе «Statistica 13». Эмпирические распределения диаметров, периметров и площадей проверялись на соответствие логнормальному, гамма- и экспоненциальному распределению. Распределение числа особых точек морфологической структуры, проверялось на соответствие закону Пуассона. Выходным параметром, позволяющим судить о сходстве теоретического и существующего распределения, являлась величина «p-level». «P‑level» — величина, используемая при тестировании статистических гипотез; в том случае, если его показатели превышают 0.05, в рамках данного исследования корректно говорить, что распределение данных соответствует определенному статистическому закону на уровне значимости 0.95 (Крамер, 1975).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Было проанализировано 32 выборки, результаты занесены в две сводные таблицы (табл. 1–2). Полученные расчеты позволили выявить существование статистических закономерностей морфологической структуры рассматриваемых ландшафтов.

Анализ средних арифметических значений параметров (табл. 2) позволяет заключить, что средние значения диаметров гряд располагаются в пределах 531–2496 м. С одной стороны, это дает основания говорить, что данные цифры вполне сопоставимы, с другой, — что размер бэровских бугров может сильно изменяться в зависимости от их территориальной приуроченности. Таким образом, самые длинные бугры расположены на участках Area № 1 (2246 м) и Area № 5 (2496 м), а короткие — на участке Area № 6 (531 м). Аналогичный вывод касается периметров грядовых ландшафтных контуров. Площади же ведут себя менее однородно. Наибольшие площади грядовых комплексов характерны для участка Area № 5 (996596 м2), а минимальные — для выборкиArea № 4 (482445 м2). Различие показателей достигает двукратных размеров.

Очевидной закономерностью видится одинаковое поведение диаметров и периметров гряд. Оно указывает на то, что данные характеристики для данных контуров взаимосвязаны. Такое сходство объясняется линейной формой изучаемых ландшафтных контуров, которая определяет корреляцию диаметров и периметров. Совместное рассмотрение данных параметров не является излишним; в некоторых случаях наблюдается сильное расхождение поведения двух параметров, требующее дальнейшего объяснения.

Наиболее содержательным результатом статистических расчетов является выявленное соответствие показателя диаметров гряд логнормальному распределению. Фактически оно на уровне значимости 0.95 было подтверждено для пяти участков. Наблюдается случай, когда величина «p-level» показывает значение, не превышающее 0.05. Наиболее ярким примером этого является участок Area № 2. В остальных случаях рассматриваемые данные подчинялись логнормальному распределению со значениями «p-level» от 0.053 до 0.781. Типичный график функции плотности распределения для случая совпадения с логнормальным распределением представлен на рис. 4. Анализ распределения диаметров на представленном графике указывает на его асимметрию, наблюдается разброс в сторону больших значений длин гряд. Эти случаи представлены редкими крупными буграми, простирающимися на 5–10 тыс. м. Отметим, что на участке Area № 2 наблюдается сильное воздействие на бугры со стороны эрозионной деятельности современных рек дельты Волги, изначальная морфология нарушена, и различие между рисунком с разрушенными буграми и типичным рисунком бэровских бугров находит свое отражение в статистической картине.

Таким образом, распределение диаметров гряд (d) в пределах однородного участка задается выражением

$f_d\left(x\right)=\frac{1}{x\sigma \sqrt{2\pi }}{e}^{-\frac{{\left(\ln x-\mu \right)}^2}{2{\sigma }^2}},$ (1)

где μ и σ — параметры распределения.

Проверка показателей расположения гряд на соответствие распределению Пуассона демонстрирует более пестрые результаты (табл. 3). Расчеты показывают, что показатели уровня значимости сильно варьируют в пределах исследования одного типа особых точек в зависимости от радиуса задаваемой окружности. Поэтому, целесообразнее всего делать вывод о существовании закона Пуассона по совокупности полученных данных.

Рис. 4. График функции плотности распределения и гистограмма распределения диаметров гряд для участка Area № 1.

Исходя из этого положения, можно заключить, что существование закона распределения Пуассона подтверждается для всех особых точек участков Area № 1, № 2, № 3, № 6, а также для точек сочленения гряд участков Area № 4 и № 5. Стоит отметить, что случаи, когда закон Пуассона не подтверждается, могут быть обусловлены не только географическими факторами, но и несовершенством методики расчета.

Данные закономерности позволяют задать математическое описание пространственного варьирования особых точек морфологической структуры. В пределах однородного участка ландшафтного рисунка грядово-волнистых ландшафтов, расположение особых точек подчиняется закону Пуассона и описывается выражением

$p\left(k\right)=\frac{{\lambda }^k}{k!}{e}^{-\lambda },$ (2)

где λ — параметр распределения.

Приведенные формулы (1) и (2) нельзя считать полноценной моделью, так как они не основаны на изучении механизма формирования и динамики грядовых комплексов. Однако их использование важно с точки зрения описания и анализа происхождения рисунка. Результаты изучения количественных закономерностей с высокой степенью достоверностью демонстрируют, что рисунок грядово-волнистых ландшафтов может быть описан математически. Задачей дальнейших исследований будет раскрытие и математическое моделирование процессов формирования морфологической структуры, стоящих за выявленными выражениями.

ОБСУЖДЕНИЕ

Перспективы рассмотрения вопроса о генезисе бэровских бугров с точки зрения изучения их в рамках математической морфологии ландшафта сводятся к сравнению полученных эмпирических данных с уже существующими каноническими математическими моделями ландшафтных рисунков. Логично предположить, что для сравнительного анализа стоит выбрать модели, характеризующие грядовые или линейные формы, а также описывающие один из генетических процессов, который совпадает с одной из гипотез возникновения бугров Бэра. Таким образом, под это условие попадают две канонические математические модели: модель ландшафтного рисунка эрозионных равнин и модель эоловых песчаных равнин (Викторов, 2006). Сопоставление с эрозионными моделями при этом не имеет под собой смысла с точки зрения геоморфологического строения — сравнение выпуклых форм рельефа с вогнутыми эрозионными формами некорректно.

Каноническая математическая модель эоловых равнин включает в себя изучение таких морфометрических показателей, как начальные точки гряд, конечные точки гряд, точки примыканий гряд, а также длины гряд. С этой точки зрения, их сравнение с морфометрическими показателями бэровских бугров вполне корректно.

Таблица 3. Результаты сопоставления эмпирических и теоретических распределений числа особых точек рисунка на случайно выбранной площадке

Согласно эоловой модели, подтверждающейся экспериментальными данными, точки начал, окончания и примыкания гряд описываются законом Пуассона. Подобная закономерность в целом совпадает с результатами, полученными в ходе нашего исследования. Однако сравнение статистических распределений длин гряд классических эоловых форм и диаметров бэровских бугров обнаруживает несоответствие. Диаметры (длины) гряд в рамках морфологической структуры эоловых песчаных равнин распределены экспоненциально (Викторов, 2006), тогда как диаметры бугров, согласно полученным данным, описываются логнормальным и гамма-распределениями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Указанное в работе подобное различие позволяет заключить, что классический эоловый рисунок, сформированный грядовыми формами рельефа, отличается от рисунка с участием бугров Бэра. Впрочем, подобного заключения не достаточно, чтобы полностью опровергнуть эоловую гипотезу возникновения бэровских бугров, так как можно предположить, что действующий здесь механизм эоловой аккумуляции мог иметь свои особенности, и, соответственно, сформировать рисунок, который описывается другими математическими закономерностями.

Наконец, стоит обратиться к популярной в последнее время полигенетической гипотезе происхождения бэровских бугров (Доскач, 2002; Свиточ, 2006). В данном случае возможности проведения сравнительного анализа ограничены. Однако эмпирические данные о существующих закономерностях строения рисунка бэровских бугров позволяют поставить под сомнение то, что указанная морфологическая структура была создана несколькими, последовательно сменяющими друг друга, генетическими процессами.

Во-первых, логнормальное распределение параметров часто интерпретируется географами как показатель действия единого процесса (Пузаченко, 2004), что противоречит полигенетической гипотезе.

Во-вторых, пример воздействия эрозионной деятельности рек на бэровские бугры участкаArea № 2 показывает, что данный эффект усложняет статистическую картину распределения изначальной морфологической структуры. Отсюда можно сделать вывод, что чередование нескольких генетических процессов не сформировало бы столь однородный рисунок, который в большинстве случаев описывается статистическими законами.

Стоит заметить, что полученные данные не опровергают отсутствие воздействия нескольких генетических процессов на бэровские бугры. Скорее, они говорят о том, что изначальная морфологическая структура и полосчатость рисунка явились результатом действия единого процесса. Последующее воздействие других геоморфологических факторов изменяло структуру бэровских бугров уже на уровне фациальном или подурочищном, не меняя его общей конфигурации.

В целом, изучение закономерностей строения ландшафтных рисунков грядово-волнистых равнин на основе материалов космических съемок позволило сделать ряд следующих выводов:

— Соответствие распределения параметров бэровских бугров логнормальному распределению может говорить о едином генетическом процессе, сформировавшем эти структуры.

— Распределение особых точек по закону Пуассона может свидетельствовать о пространственной однородности и стохастическом характере процесса, сформировавшего ландшафтные рисунки.

— Различия в значениях параметров морфологической структуры эталонных участков демонстрируют пространственную изменчивость рисунков с массовым распространением бугров Бэра в пределах Северного Прикаспия.

— Сравнительный анализ с канонической математической моделью выявил отличия в закономерностях строения рисунков бэровских бугров от классических эоловых рисунков.

— Выявленные статистические закономерности строения грядово-волнистых ландшафтов не подтверждают полигенетическую гипотезу происхождения бугров Бэра.

Источник финансирования. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 18-05-00723.

About the authors

T. V. Gonikov

Author for correspondence.
Email: gonikov.timur@yandex.ru
Russian Federation, 1, Leninskie gory, Moscow, 119991

References

Supplementary files