Geo inerka

1. Исследование полигона «Инерка»
Эффективное решение задач по оптимизации природопользования, как правило,
определяется наличием региональной географической системы (ГИС), основными
составляющими которой являются базы знаний и базы данных, включая материалы
дистанционного зондирования и программное обеспечение. Базы знаний должны
включать совокупность информации о причинно-следственных связях между
природными компонентами и комплексами, особенностях их структуры, динамики,
развития, методике использования и обработки информации.
Формирование базы знаний для синтетического ландшафтного
картографирования связано с формированием иерархической системы эталонных
полигонов, которые должны стать опорными при отработке методики
дешифрирования космических снимков. С учетом особенностей природы региона
эталонные полигоны Мордовского университета выделены в лесостепных ландшафтах
эрозионно-денудационных и вторичных моренных равнин Приволжской
возвышенности, лесных геосистемах водно-ледниковых равнин Окско-Донской
низменности.
В качестве территориальных носителей информации для целей ландшафтного
картографирования космических снимков выступает растровое изображение –
прямоугольная матрица пикселей. Пиксель является наименьшей неделимой
единицей и характеризуется цветом, яркостью и определенным положением в
пространстве, определяемыми свойствами природных территориальных комплексов.
Возможности комплексного дешифрирования значительно расширяются при
использовании материалов многозональной съемки. Совокупность монохромных
изображений восьми спектральных диапазонов позволяет сформировать целостное
представление о характере взаимосвязей между литогенной основой,
гидроклиматогенными процессами и почвенно-биогенными компонентами. Один
пиксель съемки Landsat характеризует свойства и состояния геосистем размерности 30
м, что позволяет проводить картографирование морфологической структуры
ландшафтов на фациальном уровне.
Обработка спектрозональной информации позволяет создавать разнообразные
комбинации каналов съемки, которые подчеркивают особенности морфологической
структуры ландшафтов. Так, например, комбинация каналов 4, 5, 3 используется для
анализа влажности почв и состояния растительности, а 5, 4, 3 – для картографирования
гидрографической сети и селитебных ландшафтов. Каждый канал представляет
интерес для решения конкретных задач тематического картографирования, целостное
же представление о свойства ландшафтов и их состояний (погодных, сезонных,
антропогенных) можно получить лишь на основе комплексного дешифрирования.
Часто бывает необходимо провести анализ неоднородности вдоль
определенного маршрута (ландшафтного профиля), а не всего полигона. В этом случае
на основе матрицы классов рассчитывается не матрица неоднородности, а
одномерный вектор. Вычисления носят аналогичный характер. Закономерности
изменения яркости пикселей и энтропии при движении вдоль изучаемого отрезка
можно представить в виде двумерных графиков, где каждый пиксель
последовательности характеризуется координатой оси абсцисс, а по оси ординат
откладывается значение его яркости или энтропии окрестности.

2. В качестве примера апробации методики синтетического ландшафтного
картографировании с использованием космических снимков и полевых исследований
рассмотрим полигон «Инерка», расположенный в долине Суры. Географические
координаты центральной части полигона 54○
03ʹ с. ш., 45○
53ʹ в. д.
Наиболее отчетливо на космических снимках выражена гидрографическая сеть
полигона. Русло Суры относится к свободно меандрирующему типу, о чем
свидетельствует полное несовпадение рисунка границ долины и извилистости русла.
Русло Суры на полигоне имеет излучину, приближающуюся с юго-востока к
центральной части озера. Ширина русла 80–100 м. Глубина реки от 0,3–0,8 м на
перекатах до 5 м на плесах. Скорость течения – от 0,3 до 1,0 м/с. Отметки уреза воды в
реке 104,5 – 105,5 м. В период наивысшего паводка, по сообщениям местных жителей,
пойма затапливается до отметки 111,2 м.
Отображение гидрографической сети в комбинации
каналов 7, 4, 2
К западу от реки расположено оз. Инерка, вытянутое полосой с юго-запада на
северо-восток на 4,1 км. Ширина озера в центральной части около 120 м
(максимальная – 168 м). Абсолютные отметки уреза воды в озере составляли 108,6 м.
Береговая линия озера слабоизвилистая. Небольшие заливы распространены в
устьевых частях староречий. На этих участках берег также обрывист, но значительно
меньше, чем в географическом соседстве с останцами надпойменных террас в южной
части западного побережья. Наибольшей глубиной (до 11,2 м) отличается та часть
озерной котловины, где на берегу возвышаются останцы террасы. Изобаты 10 и 8 м
вытягиваются вдоль левого крутого борта озерной котловины. К северу и югу в
поперечном разрезе котловина имеет корытообразную форму. На бортах, вблизи
берега, глубина резко увеличивается до 4 м. Ложе котловины плоское, с постепенным
уменьшением глубины к концам озера, где сформированы небольшие по площади
отмели с глубиной до 2 м.
Закономерности ландшафтной дифференциации территории полигона
определяются литогенной основой. Долина Суры имеет правостороннюю асимметрию

3. бортов. Правый склон крутой, местами обрывистый, левый – пологий. На
правобережье Суры прослеживается эрозионно-денудационная равнина с
максимальными отметками до 325 м, сложенная кремнисто-карбонатными породами
палеогена и карбонатными отложениями верхнемелового возраста. Водоносный
(слабоводоносный) верхнемеловой карбонатный комплекс слагается трещиноватым
мелом и мелоподобным мергелем. Воды безнапорные трещинно-жильные, залегают на
глубине до 24,0–25,5 м. Дебиты источников колеблются от 0,1 до 2,5 л/с. Питание
комплекса осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков. Его воды
комплекса дренируются сетью глубоко врезанных речных долин, балок и оврагов.
В левобережье Суры определяющую ландшафтообразующую роль играют
современные и древние аллювиальные образования. Общие закономерности
ландшафтной дифференциации достаточно отчетливо отражаются в вариациях
яркости изображения.
Поверхность первой надпойменной террасы уступом высотой 2–5 м отделяется
от поймы. Высота второй террасы над урезом до 20–23 м, ее поверхность также слабо
затронута эрозионными процессами. Третья надпойменная терраса, возвышающаяся
над урезом реки на 28–33 м, имеет неровную, часто прорезанную лощинами и
балками поверхность. Древнеаллювиальные отложения представлены толщами
песков с подчиненными им прослоями и линзами гравия местных пород, тонких
иловатых глин и торфа. Они значительно переработаны ветровыми процессами, о чем
свидетельствуют широко распространенные эоловые формы рельефа: песчаные
гряды, бугры, дефляционные котловины. Песчаные гряды и бугры имеют высоту до 15
м. Разделяющие их низины часто заболочены. Эоловые отложения представлены
пылеватыми мелкозернистыми песками. Они почти сплошным покровом покрывают
останцы, замещаясь эолово-делювиальными образованиями у их оснований.
Рельеф поймы р. Суры изрезан многочисленными старичными понижениями,
часто представляющими собой озера и протоки. Наибольшая его отметка – 128,8 м –
достигается на останцовом террасовом массиве, а наименьшая – 104,7 м – у русла
реки. В строении поймы прослеживаются уровни низкой и высокой пойм. Низкая
пойма имеет прерывистый характер, ширина ее достигает 0,8–1 км. Пойма обрывается
к руслу реки уступом высотой 1–3 м. Поверхность низкой поймы сильно заболочена,
с кочковатым микрорельефом, изобилует протоками и старицами. Высокая пойма
поднимается над урезом воды на 3–7 м, и от низкой отделяется уступом высотой 1,5–
2 м. Поверхность высокой поймы неровная, с частыми западинами – следами стариц.
В долине р. Суры в рельефе высокой поймы прослеживаются песчаные холмы
высотой до 3–5 м, разделенные заболоченными понижениями. Глубина залегания
грунтовых вод от 0,5 до 1,5 м. Гравитационное движение грунтовых вод
осуществляется к озеру Инерка и руслу Суры. Перетекание воды из озера в р. Суру в
районе перешейка обусловливает повышенную активность экзогеодинамических
процессов, что и определяло во многом развитие опасной геоэкологической ситуации
по разрушению геосистемы озера Инерка.
При анализе космических снимков для целей ландшафтного картографирования
и оценки ландшафтного разнообразия имеет смысл учитывать не только яркость
отдельно взятого элементарного участка, но и характеристику его окрестности –
степень разнообразия входящих в нее пикселей и перепады яркости. Размер
окрестности выбирается в зависимости от иерархического уровня ландшафтной
дифференциации. Для начала необходимо получить двумерную матрицу яркостей,

4. каждый элемент которой обозначает яркость отдельно взятого пикселя изображения.
Значения варьируют от 0 (в случае черного пикселя) до 255 (для белого): чем оно
больше, тем пиксель светлее.
На основе матрицы яркости строится матрица классов, в ячейки которой
записывается класс, к которому относится пиксель. Если выбран размер класса,
равный n, то пиксели с яркостью от 0 до (n–1) войдут в 1-й класс, от n до (2n–1) – во 2-
й и так далее. Класс выбирается исходя из поставленных задач и желаемого
результата.
Вычисляемая матрица неоднородности имеет ту же размерность, что и матрица
классов. Значение ее элемента зависит от яркости соответствующего пикселя и
разнообразия яркости пикселей окрестности.
В качестве меры неоднородности и непредсказуемости была выбрана
информационная энтропия, которая может быть вычислена следующим образом:
где K – коэффициент масштабирования;
class – число классов, на которое разбивается множество яркостей;
pi – вероятность появления i-го пикселя в окрестности, вычисляемая по
следующей формуле:
где ni – число пикселей класса i, входящих в окрестность;
S – площадь окрестности (общее число пикселей в ней);
Чем больше разнообразие яркостей пикселей, входящих в окрестность, тем
больше информационная энтропия. Наибольшее значение она достигнет, когда в
окрестности с равной вероятностью представлены пиксели всех классов. И наоборот,
если в окрестности присутствуют пиксели только одного класса, то энтропия равна
нулю.
Таким образом, матрица неоднородности выступает характеристикой
ландшафтного разнообразия изучаемого участка земной поверхности. Особенно ярко
выделяются границы природных объектов. Для ее анализа удобно графически
представить распределение неоднородности изучаемого полигона.
Радиус окрестности выбирается в зависимости от уровня иерархии исследуемых
ландшафтов, а размер класса подбирается так, чтобы неоднородные участки и
границы природных объектов выделялись максимально четко.
В третьем спектральном диапазоне колебанием яркости выделяются граница
широколиственного леса на останцово-водораздельном массиве и дорога, что
отмечается закономерными скачками значений энтропии. Восточнее четко
определяется лесополоса, представляющая собой границу сельскохозяйственного
угодья. Наконец, наиболее значительным колебанием яркости характеризуется

5. участок закопанного русла между рекой Сурой и озером Инерка. Водные объекты,
напротив, имеют значительно меньшую яркость. Именно благодаря этому резкими
колебаниями энтропии выделяются границы озера и реки. В остальном же линия
профиля характеризуется отсутствием колебаний энтропии и, следовательно,
однородностью.
В рамках четвертого канала наблюдается уже несколько иная закономерность –
высокие значения яркости характерны для участков 1 и 2. Они же являются наиболее
однородными, что отмечается отсутствием колебаний энтропии. Пиксели области 3а и
3б имеет меньшую яркость, значения которой, однако, довольно сильно колеблются,
что отмечается на графике изменения энтропии. Стоит также отметить тот факт, что
колебания яркости в четвертом спектральном диапазоне в довольно высокой степени
коррелируют со значениями абсолютных высот.
В восьмом спектральном диапазоне, подобно третьему, однороден участок 3б.
Даже границы сельскохозяйственных угодий не выделяется колебанием энтропии.
Напротив, на участке 1 на востоке заметно определяется переход между областями
широколиственного леса, имеющими различный возраст. Достаточно четко
представлен контраст между темными пикселями водных объектов реки Суры и озера
Инерка и светлыми пикселями песчаной границы, выраженный в скачках значений
энтропии.
Для комбинации 4, 5, 1-го каналов характерно наличие колебаний энтропии на
протяжении всего изучаемого отрезка. В отличие от 3, 4 и 8-го каналов, где по
закономерным скачкам энтропии мы могли выделить области достаточно высокого
уровня иерархии, на данной комбинации заметны границы более мелких природных
объектов. Это характерно как для хвойных и широколиственных лесов, так и для не
покрытых растительностью пойменных участков.
а б

6. На приведенном выше рисунке показано изменение яркости (а) и энтропии (б)
изображения долинного ландшафта полигона «Инерка»: K1 al – альбский ярус нижнего
мела – глины, алевролиты, пески, песчаники; K2 st – сантонский ярус верхнего мела –
мергели, мел, глины, опоки; K2 km – кампанский ярус верхнего мела – мергели, мел,
глины, пески; Р1sz – сызранская свита палеогена – опоки, пески, песчаники, алевриты,
диатомиты, трепела; аQ – аллювиальные четвертичные отложения. 1 – останцово-
водораздельные массивы; 2 – склоны; 3а – пойма; 3б – надпойменные террасы
Результаты дешифрирования космофотоснимков позволили создать
ландшафтную карту полигона «Инерка».
Ландшафтная карта полигона «Инерка»

7. 1А – останцово-водораздельные массивы правого коренного борта долины
Суры. Они сложены карбонатными, кремнисто-карбонатными породами
палеогенового и верхнемелового возрастов, перекрываемыми маломощными
делювиальными образованиями. Особенности литогенной основы ландшафтов
определяет распространение серых лесных щебнистых почв под широколиственными
лесами. 1Б – лощинно-балочные комплексы.
2А – слабоволнистые поверхности надпойменной террасы, сложенные
древнеаллювиальными песками (среднемощными), подстилаемыми песчано-
глинистыми породами нижнемелового возраста. В структуре почвенного покрова
доминируют дерново-слабоподзолистые песчаные почвы. В естественной
растительности преобладают сосняки дубово-снытево-осоковые. 2Б –
сельскохозяйственные модификации природных территориальных комплексов.
3А – волнистые поверхности нижних частей надпойменных террас с
невысокими песчаными гривами и староречьями. В структуре почвенного покрова
кроме дерново-подзолистых почв, участвуют дерново-подзолистые глееватые и
дерново-подзолистые глеевые песчаные почвы. Сосняки дубово-снытево-осоковые
осложняются влажными и сырыми березняками и осинниками. 3Б – крупные
западинные и котловинные комплексы.
4А – дюнообразные останцы внутрипойменных террасовых комплексов с
обширными, часто бессточными и сухими котловинами выдувания. На подзолистых
слаборазвитых и дерново-слабоподзолистых песчаных почвах произрастают сосновые
сухотравно-злаковые и ландышевые боры. 4Б – крупные котловинные комплексы.
5 – поймы высокого уровня, слабоволнистые и выровненные поверхности,
сложенные суглинками с прослоями песков, осложненные староречьями и руслами
небольших водотоков с пойменными дерновыми зернистыми, серыми лесными
оподзоленными и иловато-перегнойными почвами с избыточным увлажнением. В
естественной растительности преобладают дубняки пойменные с вязом и ольхой.
6А – поймы среднего уровня, сложенные суглинками с прослоями песков,
осложненные староречьями и руслами небольших водотоков с пойменными
дерновыми зернистыми, серыми лесными оподзоленными и лугово-болотными
тяжелосуглинистыми почвами. В естественной растительности преобладают дубняки
пойменные с вязом и ольхой. 6Б – крупные староречья.
7А – комплекс крупных и мелких грив с дерновыми слаборазвитыми песчаными
и дерново-луговыми маломощными легкосуглинистыми почвам с мятликово-лугово-
овсяничниковыми лугами, иногда дубравами. 7Б – межгривные понижения и
староречья с лугово-болотными тяжелосуглинистыми почвами с осоково-манниково-
канареечниковыми лугами и ивняковыми зарослями.
8А – прирусловые песчаные сырые поймы со злаково-крупнотравными лугами и
ивняками. 8Б – прирусловые песчаные отмели (пляжи).
9 – топи ольховые притеррасные на торфянисто(торфяно)-глеевых и торфяных
иловато-суглинистых почвах.
10 – геокомплексы бывшего русла Суры.
11 – природно-аквальные комплексы Суры.
12 – природно-аквальные комплексы озер.
На космических снимках контрастно выделяется участок между Сурой и
Инеркой. Характер изображения определяется особенностями решения
геоэкологической проблемы, связанной с размывом перемычки между рекой и озером

8. вершиной излучины Суры. Соединение этих водных объектов вызвало бы снижение
уровня воды в озере примерно на 3 м, при этом большой плес озера значительно бы
обмелел, а северная и южная его части были осушены. Для решения геоэкологической
проблемы был реализован проект по спрямлению русла Суры и засыпке старого русла.
В настоящее время процесс трансформации русла находится в стадии развития, и в
связи с этим актуальна организация мониторинга экосистем Суры в районе Инерки.
Таким образом, синтетическое ландшафтное картографирование, основанное на
использовании материалов дистанционного зондирования Земли и полевых
исследований на полигонах, позволяет достаточно оперативно проводить
тематическое картографирование. Особенности морфологической структуры
ландшафтов территории полигона «Инерка» определяются правосторонней
асимметрией долины р. Суры.