Использование цифровых моделей рельефа и геоинформационных технологий для анализа экзогенных процессов на севере Русской плиты (на примере Архангельской области)

В свободном доступе в сети Интернет находятся следующие глобальные ЦМР: SRTM, SRTM-30, ASTER GDEM v.2, GTOPO30, ACE2, ETOPO2 и GMTED2010. Для территории Архангельской области наиболее подходящей является ASTER GDEM v.2. В исходном виде модель содержит большое количество артефактов, пустот и пр. ошибок, что требует значительной корректировки для проведения на ее основе дальнейших исследований.
Подготовка ЦМР Архангельской области включала в себя следующие этапы: 1) извлечение и объединение данных; 2) замена аномальных значений высотных отметок и «пустот»; 3) устранение шероховатостей, шума и ошибок, возникающих при наложении снимков; 4) заполнение впадин. Все операции производились в свободном программном продукте SAGA GIS (http://www.saga-gis.org).
Для заполнения недостающих данных в ASTER GDEM v2 были использованы данные из ЦМР GMTED2010. ASTER GDEM имеет размер ячейки, равный 1 угловой секунде (~30 м.), размер ячейки GMTED2010 равен 7,5 угловым секундам (~225 м.). Для дальнейшей композиции этих двух моделей, размер ячейки был приведен к единому виду, то есть искусственно уменьшен размер ячейки GMTED2010 до 1 угловой секунды. Далее проводился статистический анализ для обнаружения аномальных значений. Для определения аномальных значений в ЦМР области был написан сценарий на языке программирования Python, который позволяет рассчитывать вероятные диапазоны значений (и отбрасывать выбросы) методами: среднеквадратического отклонения (3SD); Z-Score; модифицированного метода Z-Score (Modified Z-Score); абсолютного медианного отклонения (3MADe); правила медианы (Median Rule).
Для устранения шероховатостей, шума и ошибок наложения снимков в SAGA GIS был использован модуль DTM Filter и модуль Simple Filter.
На последнем этапе подготовки модели произведена ее гидрологическая коррекция. В большинстве ЦМР содержится множество понижений рельефа, выраженных в виде площадей без стока и часто называемых впадинами. Для заполнения впадин в ЦМР Архангельской области был использован метод L. Wang и H. Liu (2006), как наиболее быстро выполняющий процесс обработки больших наборов данных, по сравнению с другими методами.
В результате проведенной коррекции получена подготовленная для дальнейших исследований ЦМР Архангельской области.
На основе созданной ЦМР были подготовлены карты: глубина заполнения впадин; направления потоков; экспозиции склонов; уклона поверхности склонов; профильной и плановой кривизны склонов; обобщенной профильной и плановой кривизн (классификация Трёха); индекса потенциала плоскостной эрозии (LS Factor); индекса расчлененности рельефа; индекса мощности эрозии; индекса баланса геомасс; общей и удельной водосборных площадей; топографического индекса влажности, потенциальной приходящей солнечной радиации (прямая, рассеянная, совокупная инсоляции) и фотосинтетически активной радиации (ФАР).
Т.о, был создан комплект монофакторых геоэкологических карт, позволяющих выделить зоны сноса и накопления осадочного материала, оценить пространственное положение и дать количественные характеристики процессам эрозии и аккумуляции и выделить зоны транзита осадочного материала, а также оценить потенциальную устойчивость и/или склонность к эрозии различных участков исследованной территории
Исследование выполнено при финансовой поддержке ФАНО России, тема 0410-2014-0024 «Разработка комплексной физико-геоэкологической количественной модели взаимодействия (литосфера, гидросфера, биосфера, атмосфера и, частично, ионосфера) в районах тектонических узлов севера Русской плиты и оценка их влияния на окружающую среду» и программы УрО РАН, проект 0410-2015-0016 "Отражение проявлений кимберлитового магматизма и зон глубинного нефтегазообразования в современном геодинамическом режиме Арктического сегмента земной коры"