Geomorfometria - Geomorphometry

Geomorfometria lub geomorfometria ( Starogrecki : γῆ , latynizowany :  gê , dosł.  „ziemia” + Starogrecki : μορφή , latynizowany :  morphḗ , dosł.  „forma, kształt” + Starogrecki : μέτρον , latynizowany :  métron , dosł.  „miara” ”) jest nauką i praktyką pomiaru właściwości terenu , kształtu powierzchni Ziemi oraz wpływu tej formy powierzchni na człowieka i geografię przyrodniczą. Gromadzi różne techniki matematyczne, statystyczne i przetwarzania obrazu, które można wykorzystać do ilościowego określenia morfologicznych, hydrologicznych, ekologicznych i innych aspektów powierzchni ziemi. Wspólne synonimy dla geomorphometry są analizy geomorfologiczne (po geomorfologii ), teren morfometria , analiza terenu i analiza powierzchni ziemi . Geomorfometria jest dyscypliną opartą na obliczeniowych miarach geometrii , topografii i kształtu horyzontów Ziemi oraz ich zmian czasowych . Jest to główny składnik systemów informacji geograficznej (GIS) i innych narzędzi programowych do analizy przestrzennej.

W uproszczeniu geomorfometria ma na celu wyodrębnienie parametrów powierzchni (lądów) (morfometrycznych, hydrologicznych, klimatycznych itp.) oraz obiektów (zlewisk, sieci cieków, ukształtowania terenu itp.) za pomocą wejściowego cyfrowego modelu powierzchni ziemi (znanego również jako cyfrowy model wysokościowy, DEM) i oprogramowanie do parametryzacji. Wyodrębnione parametry powierzchni i obiekty można następnie wykorzystać, na przykład, do poprawy mapowania i modelowania gleb, roślinności, użytkowania gruntów, cech geomorfologicznych i geologicznych i tym podobnych.

Wraz z dzisiejszym szybkim wzrostem źródeł DEM (a zwłaszcza dzięki Shuttle Radar Topography Mission i projektom opartym na LIDAR ), wydobywanie parametrów powierzchni ziemi staje się coraz bardziej atrakcyjne dla wielu dziedzin, począwszy od rolnictwa precyzyjnego , modelowania glebowo-krajobrazowego, zastosowania klimatyczne i hydrologiczne w planowaniu urbanistycznym, edukacji i badaniach kosmicznych. Topografia niemal wszystkich Ziemia została dzisiaj próbki lub skanowane, tak że DEM są dostępne w rozdzielczości 100 m lub lepsza w skali globalnej. Parametry powierzchni terenu są dziś z powodzeniem wykorzystywane do modelowania zarówno stochastycznego, jak i procesowego, a jedynym problemem pozostaje poziom szczegółowości i dokładność pionowa modelu DEM.

Historia

Chociaż geomorfometria rozpoczęła się od pomysłów Brissona (1808) i Gaussa (1827), dziedzina ta nie rozwinęła się zbytnio do czasu opracowania zestawów danych GIS i DEM w latach 70. XX wieku.

Geomorfologia (która koncentruje się na procesach modyfikujących powierzchnię ziemi) ma długą historię jako pojęcie i obszar badań, a geomorfometria jest jedną z najstarszych pokrewnych dyscyplin. Geomatyka jest ostatnio rozwiniętą subdyscypliną, a jeszcze nowszą jest koncepcja geomorfometrii. Zostało to opracowane dopiero niedawno, ponieważ pojawiło się bardziej elastyczne i wydajne oprogramowanie systemu informacji geograficznej (GIS), a także cyfrowy model wysokościowy (DEM) o wyższej rozdzielczości . Jest odpowiedzią na rozwój tej technologii GIS do gromadzenia i przetwarzania danych DEM (np. teledetekcji , programu Landsat i fotogrametrii ). Ponieważ trójkątna sieć nieregularna (TIN) pojawiła się jako alternatywny model do reprezentacji powierzchni terenu, opracowano odpowiednie algorytmy wyprowadzania z niej pomiarów.

Gradient powierzchni

Główny artykuł: Gradient powierzchni

Z powierzchni terenu można wyprowadzić szereg podstawowych pomiarów, stosując ogólnie techniki rachunku wektorowego . To powiedziawszy, algorytmy zwykle używane w GIS i innym oprogramowaniu wykorzystują przybliżone obliczenia, które dają podobne wyniki w znacznie krótszym czasie przy dyskretnych zestawach danych niż metody czystej funkcji ciągłej.

Powierzchnia normalna i gradient

Powierzchnia z próbką wektorów normalnych
Główne artykuły: Normalny (geometria) i Gradient

Chropowatości powierzchni w dowolnym punkcie na powierzchni terenu jest promień wektorem, który jest prostopadły do powierzchni. Nachylenie powierzchni ( ) to wektor promień, który jest styczny do powierzchni, w kierunku najbardziej stromym nachyleniu w dół.

Nachylenie

Geometria obliczania nachylenia
Główny artykuł: Stopień (nachylenie)

Nachylenie lub nachylenie to miara stromości terenu w dowolnym punkcie powierzchni, która odbiega od powierzchni poziomej. W zasadzie jest to kąt pomiędzy wektorem gradientu a płaszczyzną poziomą, podany jako miara kątowa α (powszechna w zastosowaniach naukowych) lub jako stosunek , zwykle wyrażony w procentach, tak że p = tan α . Ten ostatni jest powszechnie stosowany w zastosowaniach inżynierskich, takich jak budownictwo drogowe i kolejowe.

Wyprowadzenie nachylenia z rastrowego cyfrowego modelu ukształtowania terenu wymaga obliczenia dyskretnego przybliżenia pochodnej powierzchni na podstawie wzniesienia komórki i jej otaczających komórek. Opracowano kilka metod. Na przykład metoda Horne'a zaimplementowana w ArcGIS wykorzystuje elewację komórki i jej ośmiu bezpośrednich sąsiadów, oddzielonych rozmiarem komórki lub rozdzielczością r :

e NW e N e NE
e W e 0 e E
e SW e S e SE

Pochodne cząstkowe są następnie aproksymowane jako średnie ważone różnic między przeciwnymi stronami:

Nachylenie (w procentach) jest następnie obliczane przy użyciu twierdzenia Pitagorasa :

Drugą pochodną powierzchni (tj. krzywiznę) można wyprowadzić za pomocą podobnie analogicznych obliczeń.

Aspekt

Główny artykuł: Aspekt (geografia)

Aspektem terenu w dowolnym punkcie powierzchni jest kierunek, w którym „zwrócone jest zbocze” lub kierunek kardynalny najbardziej stromego zjazdu. W zasadzie jest to rzut spadku na zbocze poziome. W praktyce przy użyciu rastrowego cyfrowego modelu elewacji aproksymuje się ją jedną z tych samych metod aproksymacji cząstkowych pochodnych opracowanych dla nachylenia. Wtedy aspekt jest obliczany jako:

Daje to kierunek przeciwny do ruchu wskazówek zegara, z 0° na wschodzie.

Inne produkty pochodne

Oświetlenie/zacieniony relief/analityczne cieniowanie wzgórz

Zacieniona mapa reliefowa New Jersey
Główny artykuł: Kartografia terenu § Zacieniony relief

Innym przydatnym produktem, który można uzyskać z powierzchni terenu, jest cieniowany relief obrazu, który przybliża stopień oświetlenia powierzchni od źródła światła padającego z danego kierunku. W zasadzie stopień oświetlenia jest odwrotnie proporcjonalny do kąta między wektorem normalnym powierzchni a wektorem oświetlenia; im szerszy kąt między wektorami, tym ciemniejszy jest punkt na powierzchni. W praktyce można go obliczyć na podstawie nachylenia α i aspektu β , w porównaniu z odpowiednią wysokością φ i azymutem θ źródła światła:

Otrzymany obraz rzadko jest przydatny do celów analitycznych, ale najczęściej wykorzystywany jest jako intuicyjna wizualizacja powierzchni terenu, ponieważ wygląda jak oświetlony trójwymiarowy model powierzchni.

Ekstrakcja cech topograficznych

Naturalne elementy terenu, takie jak góry i kaniony, często można rozpoznać jako wzory w elewacji i ich właściwości pochodne. Najbardziej podstawowe wzorce obejmują miejsca, w których teren zmienia się gwałtownie, takie jak szczyty (lokalne maksima wysokości), doły (lokalne minima wysokości), grzbiety (maksima liniowe), kanały (minima liniowe) i przełęcze (przecięcia grzbietów i kanałów). .

Ze względu na ograniczenia rozdzielczości , orientacji osi i definicji obiektów, wyprowadzone dane przestrzenne mogą nadawać znaczenie dzięki subiektywnej obserwacji lub parametryzacji lub alternatywnie przetwarzane jako dane rozmyte, aby bardziej ilościowo obsłużyć zmieniające się błędy przyczyniające się - na przykład jako 70% ogólnej szansy punktu reprezentującego szczyt góry, biorąc pod uwagę dostępne dane, a nie oparte na wiedzy domysły, aby poradzić sobie z niepewnością.

Lokalna ulga

W wielu zastosowaniach przydatna jest wiedza o tym, jak bardzo powierzchnia zmienia się w każdym lokalnym obszarze. Na przykład może być konieczne rozróżnienie między obszarami górzystymi i wysokimi płaskowyżami, które są wysoko wzniesione, ale mają różne stopnie „surowości”. Złagodzenia miejscowego komórki jest miarą tej zmienności w bezpośrednie sąsiedztwo (zwykle komórki w obrębie danej odległości), w stosunku do których stosuje się szereg środków, w tym proste statystyki zbiorczych, takich jak całego zakresu wartości w sąsiedztwie zakres międzykwantylowy lub odchylenie standardowe. Opracowano również bardziej złożone formuły, aby uchwycić bardziej subtelną zmienność.

Aplikacje

Ilościowa analiza powierzchni za pomocą geomorfometrii zapewnia różnorodne narzędzia dla naukowców i menedżerów zainteresowanych gospodarowaniem gruntami. Obszary zastosowań obejmują:

Ekologia krajobrazu

Główny artykuł: Ekologia krajobrazu
Efekt zbocza roślinności różniący się na zboczach północnych i południowych.

Biogeografia

Główny artykuł: Biogeografia

W wielu sytuacjach ukształtowanie terenu może mieć ogromny wpływ na lokalne środowiska, zwłaszcza w klimacie półsuchym i na obszarach górskich, w tym na dobrze znane efekty, takie jak podział na strefy wysokościowe i efekt nachylenia . Może to sprawić, że będzie to istotny czynnik w modelowaniu i mapowaniu mikroklimatów , rozmieszczenia roślinności , siedlisk dzikiej przyrody i rolnictwa precyzyjnego .

Hydrologia

Główny artykuł: hydrologia wód powierzchniowych

Ze względu na prosty fakt, że woda spływa w dół, pochodne powierzchniowe powierzchni terenu mogą przewidywać przepływ strumienia powierzchniowego. Można to wykorzystać do budowy sieci strumieni, wytyczenia zlewni i obliczenia całkowitej akumulacji przepływu.

Widoczność

Główne artykuły: Analiza pola widzenia i pola widzenia

Góry i inne formy terenu mogą blokować widoczność między lokalizacjami po przeciwnych stronach. Przewidywanie tego efektu jest cennym narzędziem do zastosowań tak różnorodnych, jak taktyka wojskowa i lokalizowanie lokalizacji komórek . Typowe narzędzia w oprogramowaniu do analizy terenu obejmują obliczanie widoczności linii widzenia między dwoma punktami i generowanie pola widzenia , obszaru wszystkich punktów widocznych z jednego punktu.

Mapa przedstawiająca obszary wykopu i nasypu na placu budowy.

Roboty ziemne

Główny artykuł: Roboty ziemne (inżynieria)

Wiele projektów budowlanych wymaga znacznych modyfikacji nawierzchni terenu, w tym zarówno usunięcia, jak i dodania materiału. Modelując bieżącą i projektowaną powierzchnię, inżynierowie mogą obliczyć objętość wycięć i wypełnień oraz przewidzieć potencjalne problemy, takie jak stabilność zbocza i potencjał erozji.

Geomorfometrycy

Jako stosunkowo nowa i nieznana gałąź GIS, temat geomorfometrii ma niewiele „słynnych” pionierskich postaci, jak ma to miejsce w przypadku innych dziedzin, takich jak hydrologia ( Robert Horton ) czy geomorfologia ( GK Gilbert ). W przeszłości geomorfometria była wykorzystywana w wielu badaniach (w tym w niektórych głośnych artykułach geomorfologicznych autorstwa takich naukowców, jak Evans, Leopold i Wolman), ale dopiero niedawno praktycy GIS zaczęli włączać ją w swoją pracę. Niemniej jednak jest coraz częściej wykorzystywany przez badaczy, takich jak Andy Turner i Joseph Wood.

Organizacje międzynarodowe

Duże instytucje coraz częściej rozwijają aplikacje geomorfometryczne oparte na GIS, czego jednym z przykładów jest stworzenie we współpracy z Uniwersytetem w Leeds pakietu oprogramowania do geomorfometrii opartego na Javie .

Szkolenie

Instytucje akademickie coraz więcej środków przeznaczają na szkolenia z geomorfometrii i specjalne kursy, chociaż obecnie są one ograniczone do kilku uniwersytetów i ośrodków szkoleniowych. Najbardziej dostępne obecnie obejmują bibliotekę zasobów geomorfometrycznych online w połączeniu z Uniwersytetem w Leeds oraz wykłady i ćwiczenia prowadzone w ramach szerszych modułów GIS, najbardziej wszechstronną obecnie oferowaną na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej (nadzorowanym przez Briana Klinkenberga) i w Dalhousie Uniwersytet .

Oprogramowanie do geomorfometrii/geomorfometrii

Następujące oprogramowanie komputerowe posiada specjalistyczne moduły lub rozszerzenia do analizy terenu (wymienione w kolejności alfabetycznej):

Zobacz też

Bibliografia

  1. ^ Szczupak, RJ; Evans, IS; Hengl, T. (2009). „Geomorfometria: krótki przewodnik” (PDF) . geomorfometria.org . Rozwój nauk o glebie, Elsevier BV . Pobrano 2 września 2014 .
  2. ^ Turner, A. (2006) Geomorfometria: pomysły na generowanie i wykorzystanie. Dokument roboczy CCG, wersja 0.3.1 [online] Centre for Computational Geography, University of Leeds, Wielka Brytania; [1] Dostęp 7 maja 2007 r.
  3. ^ Evans, Ian S. (15 stycznia 2012). „Geomorfometria i mapowanie ukształtowania terenu: co to jest ukształtowanie terenu?”. Geomorfologia . Elsevier. 137 (1): 94-106. doi : 10.1016/j.geomorph.2010.09.029 .
  4. ^ Miller, CL i Laflamme, RA (1958): Teoria i zastosowanie cyfrowego modelu terenu. Laboratorium Fotogrametryczne MIT
  5. ^ Schmidt, J. & Andrew, R. (2005) Wieloskalowa charakterystyka ukształtowania terenu. Powierzchnia, 37,3; s.341-350.
  6. ^ Turner, A. (2007). „Wykład 7: Analiza terenu 3; geomatyka, geomorfometria” . Szkoła Geografii Uniwersytetu w Leeds, Wielka Brytania. Zarchiwizowane z oryginału w dniu 2005-01-23 . Źródło 2007-05-27 . Dostęp 7 maja 2007 r.
  7. ^ B de Smith, Michael J .; Goodchild, Michael F.; Longley, Paweł A. (2018). Analiza geoprzestrzenna: kompleksowy przewodnik po zasadach, technikach i narzędziach programowych (wyd. 6).
  8. ^ Horne, BKP (1981). „Cieniowanie wzgórza i mapa odbicia”. Postępowanie IEEE . 69 (1): 14–47. doi : 10.1109/PROC.1981.11918 .
  9. ^ Esri. „Jak działa nachylenie” . Dokumentacja ArcGIS Pro .
  10. ^ Esri. „Jak działa Aspekt” . Dokumentacja ArcGIS Pro .
  11. ^ Esri. „Jak działa Hillshade” . Dokumentacja ArcGIS Pro .
  12. ^ Fisher, P, Wood, J. & Cheng, T. (2004) Gdzie jest Helvellyn? Nieostrość wieloskalowej morfometrii krajobrazu. Transakcje Instytutu Geografów Brytyjskich, 29; s.106–128
  13. ^ Sappington, J. Mark; Longshore, Kathleen M.; Thompson, Daniel B. (2007). „Kwantyfikująca wytrzymałość krajobrazu do analizy siedlisk zwierząt: studium przypadku z wykorzystaniem owiec Bighorn na pustyni Mojave” . Dziennik Zarządzania Dziką Przyrodą . 71 (5): 1419.
  14. ^ Albani, M., Klinkenberg, B. Anderson, DW & Kimmins, JP (2004) Wybór rozmiaru okna w przybliżaniu powierzchni topograficznych z cyfrowych modeli wysokościowych. International Journal of Geographical Information Science, 18 (6); s.577–593
  15. ^ Nijhuis, Steffen; van Lammeren, Ron; Antrop, Marc (wrzesień 2011). Eksploracja krajobrazu wizualnego — wprowadzenie . Badania w serii Urbanism . 2 . P. 30. doi : 10.7480/rius.2.205 . ISSN 1879-8217 .  
  16. ^ Bierman, Paul R. i David R. Montgomery. Kluczowe pojęcia w geomorfologii. Szkolnictwo wyższe Macmillana, 2014.
  17. ^ Chorley, RJ 1972. Analiza przestrzenna w geomorfologii. Methuen and Co Ltd, Wielka Brytania
  18. ^ Klimanek,M. 2006. Optymalizacja numerycznego modelu terenu pod kątem zastosowania w leśnictwie, Journal of Forest Science, 52 (5); s. 233-241.

Dalsza lektura

  • Mark, DM (1975) Parametry geomorfometryczne: przegląd i ocena Geographical Annals, 57, (1); s. 165–177
  • Miller, CL i Laflamme, RA (1958): Teoria i zastosowanie cyfrowego modelu terenu . Laboratorium Fotogrametryczne MIT.
  • Szczupak, RJ. Geomorfometria – postęp, praktyka i perspektywa . Zeitschrift für Geomorphologie Supplementband 101 (1995): 221-238.
  • Pike, RJ, Evans, I., Hengl, T., 2008. Geomorfometria: krótki przewodnik . W: Geomorfometria - koncepcje, oprogramowanie, aplikacje , Hengl, T. i Hannes I. Reuter (red.), Series Developments in Soil Science tom. 33, Elsevier, s. 3-33, ISBN  978-0-12-374345-9
  • Hengl, Tomisław; Reuter, Hannes I., wyd. (2009). Geomorfometria: koncepcje, oprogramowanie, aplikacje . Amsterdam: Elsevier. Numer ISBN 978-0-12-374345-9.

Zewnętrzne linki