Картографирование рельефа дна

Съемочные работы обеспечивают получение плановых координат и высот отдельных точек дна методом промера - измерения глубин на галсах. Подробность промера определяется междугалсовыми расстояниями, регламентируемыми в зависимости от характера рельефа, глубин, масштабами съемки, назначением карт.

Результаты измерений, приведенные к заданной уровенной поверхности, являются высотной основой донного рельефа, изображаемого горизонталями. Съемка рельефа и обработка данных промера - большой трудоемкий процесс, включающий учет множества поправок за ошибки различных измерений (плановой привязки, интерполяции, эхолота, обработки эхограмм и т. д.).

Устранение недостатков и повышение производительности - путь к автоматизации всего комплекса работ. Ряд авторов исследовали в своих работах вопросы автоматизации - отбора и регистрации информационного массива измерений, автоматизированного расчета изолиний, освещали приемы математического моделирования процесса съемки в целом на основе единого алгоритма гидрографической съемки.

В России и за рубежом разработано несколько типов автоматизированных бортовых вычислительно-графических комплексов. Ряд исследовательских кораблей оснащены комплексом “Autocarta” (Великобритания). В Германии выпускается комплекс “Hydrodata”, обеспечивающий сбор и обработку измерительной информации, выполнение расчетов и графических построений. Большой объем исследований проводит Океанографический отдел ВМС США.

ЦНИИГАиК совместно с ПО “Аэрогеоприбор” была разработана автоматизированная топографическая морская система АТС-M, обеспечивающая сбор и предварительную обработку съемочной информации, отображение ее на экране дисплея, запись на магнитный диск, получение данных о положении судна на галсе, проверку качества измерений и подготовку их для ввода в ЭВМ. Среди аппаратурных комплексов, осуществляющих в автоматическом режиме окончательную обработку результатов съемки, отмечается картографическая система “АКС-Акватория”, обеспечивающая изготовление составительских оригиналов.

Однако развитие автоматизации не затронуло оценки качества полученных результатов. За окончательную количественную оценку точности работ принимают ошибку в высотном положении точки донного промера, определенном методом интерполяции. Методы количественной оценки, основанные на интерполяции, не исключают возможности пропуска экстремальных значений высот в межгалсовых расстояниях. Как критерий, свободный от этого недостатка, рассматривается вероятность пропуска (обнаружения) экстремального значения параметра рельефа, определяемая с помощью теории множеств и теории восстановления образов.

При всех достижениях в технике выполнения съемок ставится вопрос о необходимости знаний о природе рельефа. Отметки высот дна - это еще только точечно-локализованная количественная характеристика рельефа. Более емкое математическое выражение подводного рельефа, обобщающее данные измерений, дают горизонтали. Сложность построения изолинейного изображения, основанного на интерполяции измеренных значений, состоит в том, что оно не опирается на непосредственное восприятие модели рельефа. Аэросъемка позволяет получить фотоизображение дна пока что в пределах мелководий.

Гидролокационная съемка ограничивается полосами обзора. Ряд карт (даже в относительно крупных масштабах) не свободен от искажений ориентировки, размеров форм, встречаются изображения фактически не существующих образований и пропуски типичных форм дна. Если геометрическая точность изображения рельефа обеспечивается комплексом измерительных и вычислительно-графических процессов, нацеленных на работу в автоматизированном режиме, то научную основу достоверного картографирования рельефа дна дает геоморфология моря. Интерпретация исходных данных промера, построение изолинейного изображения, решение вопросов генерализации требует от составителей и редакторов карт понимания закономерностей образования и развития рельефа шельфа. В этом может помочь его классификация.

В наших исследованиях предпринята попытка разработать классификацию рельефа шельфа для целей топографического картографирования. Сводка выполнена по географической литературе, картам, проанализированы неоднократно разрабатывавшиеся классификации рельефа Мирового океана, как правило для мелкомасштабного картографирования, в трудах В.П. Зенковича, Г.Б. Удинцева, Ф.Г. Панова, А.В. Ильина, О.К. Леонтьева, А.К. Затонского, В.Ф. Канаева, Л.Н. Ларионовой и других авторов.

В предлагаемой классификации формы рельефа сгруппированы по главным рельефообразующим процессам и тесно увязаны с факторами рельефообразования (табл. 1).

Таб. 1. Классификация рельефа материковой отмели (шельфа)

Подводный рельеф, как и рельеф суши, образуется в результате взаимодействия двух основных факторов - эндогенного и экзогенного, действующих в противоположных направлениях. Первый создает формы, второй - нивелирует и видоизменяет их. Эндогенные силы проявляются в тектонических движениях, землетрясениях, вулканизме. На шельфе встречаются тектонические формы в основном средних размеров: при- шельфовые желоба, каньоны, плато, впадины, реже гряды, сбросовые уступы (см. табл. 1).

Экзогенные процессы в океане отличаются от действующих на суше. Морское волнение, течения, приливно-отливные явления, мутьевые потоки в различных конкретных условиях могут привести на морском дне к нивелированию рельефа или, наоборот, созданию аккумулятивных поверхностей и форм, вызвать транспортировку продуктов разрушения.

Формирование рельефа происходит большей частью в результате действия сразу нескольких процессов, создающих аккумулятивно-абразионные, термоабразионные, реликтово-эрозионные формы (см. табл. 1). Под действием волновой абразии в условиях различной устойчивости пород к разрушению образуются формы структурно-абразионного типа - монолитные выходы коренных пород, скалы, скалистые обрывы и уступы, структурно-абразионные гряды.

Большим своеобразием отличается рельеф у берегов, подвергающихся оледенению - ледниково-тектонический. В классификации отражена рельефообразующая деятельность животного и растительного мира (органические факторы). Выделены коралловые формы, хотя пределы их распространения ограничены тропической зоной океана. Более подробное обоснование классификации опубликовано в работе автора.

Таким образом, в основу рассмотренной классификации положен генетический принцип. Есть предложения классифицировать формы рельефа для топографических карт по их размеру, “без какой-либо генетической трактовки”. Но такой подход не может дать ключа к пониманию рельефа, а при районировании приводит к пестроте и запутанности. Конечно, для разработки формального аппарата (для ЭВМ) требуется выделить огромное число классификационных единиц (форм) по ряду метрических признаков до нужной детальности. При такой классификации машина может построить систему изолиний. Но этого мало. Грамотное изображение форм без утраты выразительности требует умелого сопряжения серий горизонталей и получения рисунка, своеобразного для каждого генетического типа.

Первоначально горизонтали проводятся на рабочих планшетах, по которым проверяют обеспеченность промерными данными, намечают галсы сгущения и контрольные для подтверждения выявленных форм. Достоверность и географическое соответствие изолинейного изображения обеспечивается применением метода геоморфологической интерполяции, предполагающего отображение генетических особенностей морфологии дна с учетом всех материалов изученности и анализа эхограмм.

Выявленные особенности рельефа на профилях дна служат основанием для рисовки рельефа в межгалсовом пространстве. Пример показан на рис. 3.1. Уступ материкового склона пересечен контрольными галсами, проложенными почти перпендикулярно к простиранию склона, и эхограмма является, по существу, его поперечным профилем. Как видно из эхограммы, склон на участке прямой, что находит отражение в рисунке горизонталей от 125 до 150 м.

Комплекс форм каждого генетического типа выражается своеобразной конфигурацией изолиний. Например, эрозионные или ледниковые долины, прослеживаемые на протяжении фиордов, отображаются серией сопряженных горизонталей, замыкания которых вытянуты в сторону морфологически связанных с ними долин на суше. Правильная передача характера рельефа достигается также целенаправленной генерализацией, проведение которой опять же требует обращения к систематике форм, знанию особенностей их развития. Методические вопросы создания карт шельфа, рассмотрены в работе автора.

Рис. 3.2. Обозначения рельефа шельфа, дополняющие изолинейное изображение

При съемке шельфа для изображения рельефа кроме горизонталей используются условные знаки для навигационных и топографических карт. Однако на навигационных картах формы рельефа, не выражающиеся изобатами, трактуются как навигационные опасности. В дополнительных условных знаках к картам шельфа раздела, относящегося к подводному рельефу, нет. Предлагаемые знаки, дополняющие изолинейное изображение подводного рельефа, показаны на рис. 3.2.

Изображение донных отложений (грунтов)

Грунты на картах акваторий показываются в соответствии с условными знаками для морских карт. Условные знаки морских карт и внутренних водных путей сообщения (1971 г.), руководствуясь которыми составлено уже большое количество топографических карт шельфа, включают обозначения грунтов в разных разделах: “Берега”, “Навигационные опасности”, “Рельеф”. Рассредоточенность условных знаков грунтов по разным разделам приводит к бессистемности построения и размещения обозначений в таблицах. Полный перечень названий грунтов (без обозначений) и их характеристик приведен только в разделе “Условные сокращения надписей”.

В этом разделе сокращения названий даются по самым различным признакам: механическому составу грунтов (валуны, глыбы, галька, глина, глинистый ил, ил, песчаный ил); минеральному или химическому составу (кварц, гипс, мирабилит, марганец), горным породам (мергель, мел, сланец). В этот же раздел включены обозначения видовых или родовых названий донной фауны и флоры (водоросли, губка, корненожки, литотамнии, мшанки, устрицы, фораминиферы, кораллы, мадрепоровые кораллы), которые сами по себе еще не составляют сформировавшегося донного грунта.

Ряд помещенных терминов (камень, плита, ракушка, хрящ, орешек, изгарь) применительно к грунтам вообще не упоминаются в специальной литературе. Количественные показатели отложений отсутствуют. Буквенные сокращения - основные картографические средства - не укладываются в какую-либо систему. В издании условных знаков морских карт 1985 г. набор обозначений несколько упорядочен, но отмеченные принципиальные недостатки сохранились, исключены характеристики грунтов по цвету.

Важнейшими факторами формирования донных отложений на шельфе и в прибрежной зоне являются приливно-отливные течения, сильное волнение, богатство и разнообразие органического мира. В этой зоне накапливаются осадки самых различных типов - терригенные (приносимые с суши), хемогенные (выпадающие в виде химических осадков), вулканогенные, органогенные. По механическому составу это крупные глыбы, валуны, галька, пески, илы. В отложениях, слагающих береговые валы, скапливаются битые раковины морских животных, из которых затем образуются ракушки, на низменных плоских побережьях - глинистые, песчаные, известковые илы.

Попытка систематизировать многообразие морских осадков была предпринята Мереем и Ренаром (1891 г.), исходя из принципа распределения отложений по глубине и происхождению (терригенные, пелагические). Крюммель (1907 г.) и Андре (1920 г.) положили в основу классификации удаленность от берега и состав отложений. М. В. Кленова (1929, 1948, 1954) выделила генетические типы морских осадков в соответствии с гипсографической кривой (отложения материковой отмели, материкового склона, ложа океана) и предложила классификацию по механическому составу, основанную на учете размеров и содержания в осадках частиц пелитовой фракции (<0,01 мм). Эта классификация применена на карте “Грунты Мирового океана” в Морском атласе. Ф.П. Шепард предложил классификацию глубоководных морских отложений, разделив их на пелагические и терригенные.

Фундаментальная работа по классификации донных осадков была проведена в Институте океанологии АН СССР П. Л. Безруковым и А. П. Лисициным в связи с составлением серии карт осадков Мирового океана. Эта комплексная классификация осадков современных морских водоемов обобщает огромный фактический материал отечественных и зарубежных океанографических экспедиций, дает характеристику отложений по вещественно-генетическому, гранулометрическому составу, а также объективную их количественную характеристику и вполне может служить основой для изображения грунтов при топографическом картографировании. Одним из основных физических свойств осадков является размер частиц (диапазон размеров). Размер зерен отражает гидродинамическую активность водных масс, определяет большинство свойств осадков, входит в основные формулы для определения скорости осаждения, транспортировки, проницаемости, сортировки. Отображение размеров осадков существенно и для установления единой номенклатуры осадков с геологами, занимающимися исследованиями осадочных отложений (древних и современных, наземных и морских).

Применение единой шкалы размерности обеспечит объективные количественные показатели. Принятая для морских осадков шкала размерности может быть применена и к грунтам суши, что способствовало бы более выразительной характеристике на картах геоморфологических особенностей склонов и условий проходимости местности. Генетические типы морских осадков (терригенные, органогенные, хемогенные, полигенные, вулканогенные) по гранулометрическому составу разделяются на глыбы, валуны, гальку, гравий, песок, алеврит, пелит (табл. 2).

Таб. 2. Классификация донных отложений (грунтов)

Согласно предлагаемой классификации условные обозначения сведены в четыре раздела: I - скальные монолитные грунты; II - генетические типы морских отложений; III - гранулометрический состав донных отложений (грунтов); IV - цвет морских осадков (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Предлагаемая система обозначений донных отложений (грунтов) для топографических карт акваторий

В рисунке условных знаков скальных монолитных грунтов сохранена преемственность от топографических карт суши. Генезис морских осадков передан условными индексами - начальными буквами от названия подтипа (типа) в латинском написании: например, Т - терригенные осадки, Fr - фораминиферовые осадки и т.п. Изображение основных типов может быть дополнено специфическими типами (подтипами) для конкретной акватории (мшанковые, литотамниевые и др.).

Условные знаки гранулометрического состава в рисунках обеспечивают отображение площадного распространения отложений, а буквенные сокращения - обозначения проб грунта в местах определения. Размер зерен предлагается указывать цифрами в шкале размерности Института океанологии РАН. Отличительные свойства (вязкий, слоистый) могут быть переданы пояснительной подписью под обозначением грунта.

Цвет донных осадков предлагается характеризовать основными цветами спектра (красный, оранжевый, желтый, голубой, синий, фиолетовый, а также белый, серый, черный) и их сочетаниями. Система индексов значительно упростит восприятие и читаемость. При передаче сочетаний и оттенков на первое место будет ставиться индекс преобладающего цвета.

Таким образом, полная характеристика донных отложений будет выглядеть на карте так: ТП(1,0-0,5)с-ф, что означает: терригенный песок с размером зерен от 1,0 до 0,5 мм, синефиолетовый. Для площадного отображения различных по составу отложений предлагаются границы - определенная и предполагаемая, различные по рисунку. Постепенная смена состава отложений подчеркивается расстановкой обозначений без проведения границы.

Правильное отображение рассмотренных характеристик и свойств донных осадков позволит обогатить крупномасштабные топографические карты ценным фактическим материалом, необходимым для решения как практических задач, так и для познания важнейших закономерностей осадкообразования и связанных с ним процессов, происходящих в Мировом океане. Естественно, это потребует тщательного изучения и надежных лабораторных анализов проб донных отложений на судне и в стационарных условиях.