Курсовая работа (т): Определение характеристик водосбора

Процесс т.н. "обучения" представляет из себя следующее: пользователь "обучает" программу, на какие классы необходимо разбить изображение, самостоятельно выделив полигоны с определенной цветовой палитрой. Например, в нашем случае, выделялись части леса, поля, урбанизированные территории, какие-либо водные объекты. Далее программа самостоятельно определяет, какую часть изображения занимает тот или иной класс. Получив данные о площадях, занимаемых лесом, городом, полем, озерами, находим долю (в процентах) от общей площади бассейна. Результаты по каждому водосбору представлены в главе "Расчет".

3. Расчеты и анализ результатов

.1 Общее описание существующих гидрологических характеристик

Термин "гидрографические характеристики" определяется как совокупность морфометрических и морфологических характеристик водных объектов и их водосборов, дающих достаточно полное представление о характере, форме, размерах, протяженности водных объектов и некоторых физико-географических особенностях их водосборов.

Морфометрические характеристики представляют собой количественные показатели водных объектов и водосборов, а морфологические - качественно-количественные показатели строения поверхности водосборов.

.2 Определение морфометрических характеристик

Площадь водосбора. В представленной ниже таблице приведены результаты расчетов площади водосбора для каждого выбранного поста. В первых столбцах представлена общая информация о постах, их местоположение. В столбце 6 представлен результат расчета, описание которого приведено в разделе 2.4 главы 2. В данном столбце отображена площадь водосбора в начальных единицах растра - пикселях, иными словами, этот столбец показывает, сколько ячеек цифровой модели занимает тот или иной бассейн.

В нашем случае, разрешение модели составляет 90 метров, т.е. один пиксель на местности будет занимать квадратный полигон со стороной 90 метров. Но, ввиду того, что исходный растр претерпел перепроецирование в прямоугольную систему координат (Пулково 1942, зона 7), начальное разрешение изменилось и составляет 74 метра. Таким образом, можно легко вычислить, какую площадь в км² занимает один пиксель, а именно 0,074х0,074=0,005477 км². Теперь можно перейти от площади в пикселях к площади в квадратных километрах, просто перемножив значения в столбцах 6 и 7. Результат расчета площади водосбора в км² представлен в столбце 8. В столбце 9 приведены данные из ОГХ 1970-1975 гг., собственно с этими данными и производится сравнение, анализ, расчет относительной погрешности.

Таблица

Расчет относительной погрешности производился по формуле:

На графике зависимости относительной погрешности от площади водосбора отчетливо заметна тенденция к снижению погрешности с ростом площади водосбора. Таким образом, принимая во внимание также и поведение линии тренда на графике, можно сказать, что в большинстве случаев относительная погрешность не превышает 5-7 %, исключая единичные случаи, связанные, возможно, с неточностями самой цифровой модели рельефа, отсутствующими данными и интерполированными участками. Также стоит учесть, что вычисление малых площадей водосбора, используя модель с 90-метровым разрешением, будет всегда сопровождаться большими погрешностями. Модель чисто физически не может позволить практически безошибочно оконтурить малый водосбор, учитывая то, что сторона минимальной единицы - пикселя, составляет 90 метров. В то же время, это мало сказывается на расчетах больших площадей. Погрешность, конечно же, также присутствует, но на общем фоне полученного результата они мало заметны, и составляют относительно малую долю.

Рассматривая результаты более детально, можно выявить следующее: относительная погрешность в подавляющем большинстве случаев не превышает 10% для бассейнов с площадью до 1500 км², для бассейнов с площадью от 1,5 до 7,5 тысяч км² колеблется в пределах 5-7%, для более крупных бассейнов погрешность расчетов не превышает 1-2%.

Уклон. Средняя высота. В приведенной ниже таблице, помимо гидрографических данных, приведены результаты расчета средней высоты и уклона водосбора. Череда необходимых для расчета операций подробно описана в разделе 2.4 главы 2.

Итак, жирным шрифтом в таблице выделены рассчитанные данные в среде Arcgis. По возможности, при наличии соответствующих данных из ОГХ, результаты сравнивались и анализировались, рассчитывалась относительная погрешность расчетов. Таким образом, расчет погрешности при определении средней высоты водосбора производился аналогичным образом с расчетом погрешности при определении площади водосбора. Ее значения представлены в столбце 6. Как можно заметить, погрешность не превышает 5%, причем наблюдается тенденция к снижению погрешности с ростом площади водосбора. Рассматривая конкретнее, можно выделить некоторые условные интервалы, в которых колеблется значение погрешности в зависимости от площади водосбора. Площади до 2000 км² соответствует погрешность 4-5%, от 2000 до 5000 тысяч - 2-4%, более крупные бассейны - менее 2%.

Что касается уклонов, то здесь не было возможности сравнить результаты, ввиду того, что в ОГХ 1970-1975 гг. не оказалось данных о уклонах бассейнов, были лишь средние уклоны собственно водотоков. Все значения уклонов приведены в таблице в столбцах 2 и 3. Жирным шрифтом выделен результат расчета среднего уклона водосбора.

.3 Определение гидрографические характеристик

Конкретно в ходе работы рассматривались залесенность, озерность и доля урбанизированных территорий. Результаты также представлены в таблице. Жирным шрифтом выделены данные, полученные в среде Arcgis посредством расчетов, остальное - данные из ОГХ. Озерность представлена в столбце 7. Как мы можем заметить, то значения практически идентичны справочным данным. В случае с гидрографическими характеристиками не имеет смысла рассчитывать какие-либо погрешности, ввиду того, что с течением времени (а это практически 40 лет) они могли естественным образом измениться, и сравнивать данные со снимков 1-2 годичной давности с данными 1975 года абсолютно бессмысленно. Говоря конкретно об озерности, то можно заметить, что доля озер в общей картине ландшафтов по прошествии 40 лет мало изменилась.

Что касается залесенности территории, то здесь можно заметить, как ни странно, увеличение данного показателя в большинстве случаев (столбец 8). Обратная ситуация только лишь с бассейном реки Воря, расположенным на северо-востоке Московской области. Здесь залесенность сократилась с 72% до 42%, что наверняка связано с хозяйственным развитием территории, ростом урбанизации (кстати, доля урбанизированных территорий здесь максимальна среди рассматриваемых бассейнов). В остальных же случаях доля леса либо осталась практически неизменной, либо даже возросла. Например, на 2% в бассейне Зуши, Оки до д. Костомарово, и на 19% в пределах водосбора реки Угры. Данное явление, возможно, связано с практически полным прекращением использования дерева в качестве энергетического ресурса и переходом на углеводородное сырье, что сократило огромные вырубки леса.

Также рассматривалась доля урбанизированной территории в общей картине ландшафтов (столбец 9). Но, к сожалению, ввиду того, что справочных данных по этому показателю нет, сравнить их не с чем, можно лишь дать некоторое пояснение к имеющимся значениям. Максимальное долю урбанизированных территорий мы наблюдаем в пределах реки Вори (37%), как уже было упомянуто выше. Это связано, собственно, с географическим положением бассейна, лежащего в пределах крупнейшей в стране городской агломерации. Наоборот же, урбанизированные территории полностью отсутствуют на водосборе реки Угры (до пос. Всходы), что, в свою очередь, опять же связано с его положением: до поселка Всходы бассейн Угры относительно удален от крупных административных центров, а в его пределах находятся только небольшие деревни и сёла Смоленской и Калужской областей.

Что касается распаханности и заболоченности территорий, то данные расчеты не удалось произвести по одной простой причине - на спутниковых снимках с трудом можно различить границы пашни в общей площади полей, а также сложно выделить отдельные болота.

Заключение

Данная курсовая работа по сути является более углубленным вариантом курсовой работы 2-го курса с более расширенным спектром задач. В ходе работы была дана оценка точности определения морфометрических характеристик водосбора с помощью цифровых моделей рельефа, а также оценена возможность применения настольного ПО вкупе со спутниковыми данными для определения гидрографических характеристик. Все поставленные задачи были выполнены. Произведен разбор и анализ использования цифровых моделей рельефа для определения морфометрических характеристик водосбора, в частности его площади, уклона, средней высоты, а также произведен анализ использования современного ПО для определения гидрографических характеристик водосбора. Выполнив данную курсовую работу, можно смело заявить, что компьютерные возможности вкупе со спутниковыми данными позволяют решать в частности и проблемы гидрологии, и существенно облегчают и ускоряют процессы определения морфометрических и гидрографических характеристик водных объектов.