Для исследования динамики флювиального
рельефа и для ряда практических задач необходимо знать строение речного русла,
контролировать и учитывать изменение его параметров. Однако рельеф дна
континентальных водоемов редко отображается на топографических картах; очень
мало свежей информации о глубинах рек и даже достаточно крупных водоемов.
Отсутствие изображения рельефа дна объясняется трудоемкостью проведения
промеров.
Точные и массовые промеры дна водоемов начали осуществляться только с
появлением ультразвуковых способов измерения (эхолотирования). Последние в
настоящее время являются основными и имеют перспективу развития. Ультразвуковые
способы промеров дна требуют проведения непосредственных измерений с
поверхности водоема. Стоимость промеров глубин остается достаточно высокой,
поэтому съемки дна проводятся только по мере научной или практической
необходимости.
В настоящее время для больших пространств судоходных участков рек, озер и
водохранилищ рельеф дна наиболее детально и полномасштабно отображается на
специальных навигационных картах. Смысловая нагрузка и содержание навигационных
карт подчинены целям безопасности судовождения, что ограничивает их применение
в других отраслях хозяйственной деятельности. Некоторые крупные водоемы,
например озера Байкал, Ладожское и Онежское, ряд Волжских водохранилищ и др.,
удалось полностью покрыть промерами. С разной степенью активности и детализации
изображения постепенно создаются карты глубин и на другие водоемы страны. В
отличие от рек, рельеф дна озер и водохранилищ относительно консервативен. Преимущественно
они подвержены однонаправленному процессу заиливания и эвтрофикации. Исключения
представляют лишь термокарстовые озера и новообразования.
Реки представляют собой, в отличие от озер и водохранилищ, более «живую» и
динамичную систему, деятельность которой характеризуется быстрым изменением
рельефа дна под воздействием потока. Особенно подвижны песчаные русла рек.
Изменение рельефа русел рек контролируется только путем повторного проведения
промеров. Таким образом, навигационные карты должны корректироваться ежегодно.
При гидротехническом строительстве для контроля рельефа дна рек также
используются повторные планы. Однако они обычно имеют вид строительных чертежей
и не полностью освещают реальную ситуацию . Их применение, например, для
мониторинга природного процесса весьма ограничено. На наш взгляд, наиболее
полно задачу контроля динамики русел решает крупномасштабное картографирование
русловых процессов. Принципиальные основы составления крупномасштабных
геоморфологических русловых карт разработаны на географическом факультете МГУ
[1, 3]. Кроме рельефа русла на карте отображается степень размыва берегов,
высоты и рельеф пойменных уровней, характеристика склонов долины и многое
другое. К сожалению, крупномасштабное геоморфологическое картографирование не
получило широкого распространения в силу трудоемкости составления карты, что
затрудняет процесс ее обновления.
Наши усилия направлены на разработку технологии оперативного создания карт
русловых процессов на основе минимизации конфигурации различных методик и
способов. Процесс создания карт и возможность пользоваться ими должны быть
доступны максимальному числу потребителей.
Последние достижения техники и прежде всего применение методов спутникового
позиционирования в системах GPS и ГЛОНАСС резко повысила точность и
оперативность полевых измерений и позволяют отнести эту задачу к разряду
решаемых. В Научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых
процессов географического факультета МГУ на этой базе разработан и создан
малогабаритный программно-аппаратный промерный комплекс, который используется
при измерении глубин на крупных реках и исследовании рельефа дна на шельфе [2].
В состав промерного комплекса входят спутниковые навигационные приемники,
эхолот, гидролокатор бокового обзора, компьютер и программное обеспечение.
Позиционирование ведется в автономном режиме с декаметровой точностью. В
перспективе будут использоваться дифференциальные режимы или кинематика
реального времени, что позволит существенно повысить точность промерных работ [4].
С использованием программно-аппаратного комплекса проведены промеры русел рек
Лена, Амур, Волга, Вычегда, Вилюй, Алдан, участков морских каналов
Азово-Донского и Волго-Каспийского. Массивы данных, получаемые в процессе
проведения измерений, используются при мониторинге русловых процессов на р.
Лене и баре р. Яны. На их основе созданы численные модели участков рек,
используемые при компьютерном моделировании русловых процессов.
Оперативные результаты промеров, обработанные с помощью комплекса специальных
программ непосредственно в поле, позволяют приступить к составлению
крупномасштабных русловых карт на большие по протяженности участки рек. При
проведении промеров компьютер накапливает массивы данных в виде нерегулярного
пространственного поля точек со значениями глубин. Значения глубин приводятся к
условному (проектному) уровню воды, для которого требуется построить карту
донного рельефа. Исходный ансамбль параметров служит для построения цифровой
модели рельефа на нерегулярных треугольных сетках.
Область построения цифровой модели рельефа дна определяется пространственными
границами объекта исследования. В нашем случае она ограничивается береговой
линией. Проектный уровень, к которому приводятся измеренные глубины, не
соответствует положению береговой линии, которая имело место в процессе
измерений. Информация о положении береговой линии определяется синтетическим
методом. Для этой цели используются фотопланы, топографические карты,
непосредственные измерения с помощью лазерного дальномера или информация о
расстоянии от края границы промерного галса до уреза воды. Вследствие этого
окончательное положение линии уреза берега при проектном уровне было
представлено в «бумажной» форме. Поэтому для использования ее при построении
численной модели рельефа применялись процедуры интерактивной оцифровки. По
причине того, что положение береговой линии постоянно меняется из-за колебания
уровней воды, то для получения однозначного результата атрибутацию необходимо
производить согласно значениям срезки уровня на день проведения промеров.
Объект исследования, которым является река, имеет вытянутую форму, поэтому
цифровые модели строились на небольшие отрезки реки в соответствии с размером
листа составляемой карты.
Для построения цифровой модели нами использовался простой программный продукт
Surfer. Интерполяция рельефа осуществлялась методами триангуляции Делоне или
кригинга. Специфика рельефа речного русла, отличающаяся вытянутыми в
пространстве формами, не позволяет считать перечисленные методы интерполяции
достаточными. Поэтому, по нашему заказу, сотрудниками ВЦ АН РАН были
разработаны оригинальные способы интерполяции нерегулярных вытянутых в
пространстве полей точек специально для русел рек. Включение новых методов
интерполяции для массового построения русловых карт следует ожидать в ближайшее
время.
Промеры дна русел крупных рек захватывают пространства в десятки и сотни
километров. Первоначально исходная цифровая информация о реке объединялась в
единую базу данных. Опыт работы показывает, что численные данные электронных
карт целесообразно разбить по отдельным листам, например по образу расположения
листов в навигационных «бумажных» картах. В этом случае процесс корректировки
карты, поиск требуемого массива данных и т.д. будет значительно упрощен.
Описанные процедуры позволяют достаточно быстро построить и отредактировать
электронную карту рельефа речного русла, которая в дальнейшем служит основой
при создании крупномасштабной геоморфологической карты. Для картографирования
распространения равноуровенной поверхности островов и фрагментов пойменных
массивов используется крупномасштабная топографическая карта. Последняя
подкладывается в виде растрового изображения под векторную карту рельефа русла.
По топографической основе проводятся границы пойменных ступеней. Таким образом
выделяются пойменные поверхности разного уровня, характеризующиеся однообразием
генезиса и микрорельефа. Топографическая карта позволяет оконтурить борта
долины. После построения электронной геоморфологической карты, которая дает
характеристику поймы, склонов террас и коренных берегов, процесс создания
русловой крупномасштабной карты следует считать завершенным. В окончательном
виде электронная геоморфологическая карта должна быть представлена в
общедоступном формате. Следует отметить, что процесс изменения поверхности
поймы, по сравнению с рельефом русла реки, очень медленный. Поэтому созданная
геоморфологическая карта пойменной части долины может быть использована
длительный период времени и корректироваться только в примыкающих к руслу
областях или при антропогенном вмешательстве.
Электронные русловые карты можно использовать при мониторинге русловых
процессов на требуемом участке реки: они поддаются корректуре, могут быть
распечатаны в бумажном варианте или включены в состав математической модели
руслового процесса.
