автореферат диссертации по геодезии, 05.24.02, диссертация на тему:Анализ цифровых моделей высот для выделения линейных структур земной поверхности

РГб од

' МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ

На правах рукописи УДК 528:550.814

4Л0РИНСКИЙ ИГОРЬ ВАСИЛЬЕВИЧ

А11АЛЮ ЩИРОВЫХ иодшкй высот ДЛЯ ВВДШШИЯ ЛИНЕЙНЫХ СТРУКТУР ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

05.24.02 - Азрокосмические съемки, фотограмметрия, фототопография

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ИОСЙВА - 1993

Работа выполнена в лаборатории картографии почв Института почвоведения и фотосинтеза Путинского научного центра Российской Академии Наук.

Научный руководитель: профессор, доктор сельскохозяйственных наук И.Н.Степанов.

Официальные опповснты: профессор, доктор технических наук А. И.Мартыненко

кандидат геолого-минералогических наук А.И.Полетаев

Ведущая организация: лаборатория аэрокосмических методов географического факультета Московского государственного университета

2 % 1993 г. в

I Ьове

Защита состоится

на заседании специализированного Ьовета К 063.01.02 в Московском государственном университете геодезии и картографии по адресу: 103064, Москва, Гороховский переулок, дом 4, ауд. 321.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЫГУГиК. Автореферат разослан I^1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета Б.В.Краснопевцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Информация о линейных структурах земной поверхности (линеаментах и структурах центрального типа (СЦТ)) применяется при решении геологических задач (Буш, 1986; Кац, Те-велев, 1987; Федоров и др., 1989; Козлов, 1991; Полетаев, 1992; и др.). Важным этапом изучения линеаментов и СЦТ является их выделение (визуализация) - обработка данных дистанционного зондирования (ДДЗ), топографических, геологических и других материалов для распознавания этих структур на исследуемых территориях.

Среди количественных методов выделения линеаментов и СЦТ наибольшее распространение получили подходы, основанные на использовании аппарата анализа изображений и ориентированные на обработку ЦДЗ, хотя эффективность регистрации при дистанционном зондировании основных - топографических - индикаторов структур не всегда очевидна. В то же время, методы визуализации, ориентированные на обработку топографических данных, не получили должного развития. Это вызвано количественной неопределенностью концепции топографических индикаторов линеаментов и СЦТ - фрагментов сети долин/при-аодораздельных областей, цепочек холмов/депресеий, характеризуп-цихся анизотропией планового распределения. Такая неопределенность затрудняет формализацию подходов. Использование известных методов выделения линейных структур земной поверхности может при-зодить к потерям информации и к артефактам.

Цель работы. Разработка технологии визуализации линеаментов и 2ЦТ с использованием аппарата количественного топографического анализа (КТА). Решены следующие задачи:

- количественно" определены концепции топографических индикаторов линеаментов и СЦТ, сформулированы принципы их визуализации;

- определены требования к исходным данным - цифровым моделям ¡ысот (ЦМВ);

- выбран алгоритм обработки ЦМВ, обеспечивающий выделение шнейных структур земной поверхности;

- определены принципы картографирования результатов визуали-

1ЭЦИИ;

- выбран метод дополнительной генерализации данных для опти-¡изации выделения структур-,

- для обеспечения верификации разработанной технологии составлена,. ЦМВ части Крымского полуострова и прилегающего морского дна;

- проведена верификация разработанной технологии - компьютер-:ая обработка составленной ЦМВ;

- осуществлена оценка достоверности результатов визуализации;

- данз их краткая геологическая интерпретация;

- оценена эффективность разработанной технологии;

- осуществлен анализ потенциала разработанной технологии для решения ряда задач тектоники, крупномасштабных геологических исследований, поиска полезных ископаемых и сейсмологии.

Научная новизна работы:

1. Разработана технология визуализации линеаментов и СЦТ с использованием аппарата КТА, включающая: а) составление ЦМВ по квадратной сетке узловых точек с шагом, определяемым,по характерному плановому размеру изучаемых структур; б) расчет значений горизонтальной (кь), вертикальной (ку). полной гауссовой (К) и средней (Я) кривизн с помощью метода Эванса; в) картографическую регистрацию рассчитанных величин с квантованием последних на два уровня относительно их нулевых значений.

2. Концепции топографических индикаторов линеаментов и СЦТ -а) фрагменты сети долин/приводораздельных областей и б) цепочки холмов/депрессий - количественно определяются локальными топографическими величинами - а) кь, ку и б) К, И соответственно.

3. С помощью разработанной технологии для части Крымского полуострова и прилегающего морского дна впервые воспроизводимым образом выделены линеаментные системы преимущественно субмеридионального (С), северо-восточного (СВ), северо-западного (СЗ), субширотного (В) азимутов простирания и ряд СЦТ. С-линеаментная система характеризуется ярко выраженной анизотропией.

4. Узлы пересечения линеаментов разного азимута простирания (известные косвенные поисковые признаки некоторых типов месторождений полезных ископаемых) в ряде случаев соответствуют зонам относительной аккумуляции, определяемым одновременно отрицательным! значениями Яь и ку (или одновременно отрицательными значениями I и положительными значениями полной аккумуляционной кривизны (Кц)]

Практическая значимость. Разработанная технология позволяет:

- расширить возможности применения ЦМВ при тематическом дешифрировании ДЦЗ и -картографировании;

- повысить информативность результатов геологических и други: исследований ландшафта;

- объективизировать процессы выделения, картографирования 1 дальнейшего изучения линеаментов и СЦТ за счет: а) количественного определения концепций их топографических индикаторов; б) воспроизводимости алгоритмов; в) возможности их применения при любы: масштабах исследования; г) использования исходных данных, досто верность которых гарантируется технологией топографической съемк

- снизить стоимость работ, в которых применяются данные о ли неаментах и СЦТ за счет уменьшения использования для их выделени 4

ДЗ (ва исключением стереопар), геофизических, геологических и :андшафтных материалов.

Аргументирована полезность применения разработанной технолога при решении ряда задач тектоники, сейсмологии и крупномас-табных инженерно-геологических исследований.

Апробации. Результаты работы докладывались на семинарах лаб. осмической геологии МГУ (1991), неотектоники и сейсмотектоники ГУ (1992), неотектоники и космической геологии ГИН (1993), каф. изики МИИГАиК (1991), 2 Есес. семинаре "Нетрадиционные методы эофиэичееких исследований неоднородностей в земной коре" (1991), эологической секции МОШ (1992), совместном заседании каф. физи-эской географии и ландшафтного дешифрирования и вычислительной эхники и автоматизированной обработки информации МИИГАиК (1992).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, 2 рабо-J - в печати.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех хав, выводов, списка литературы (201 наименование) и трех прило-гний (133 страницы, 14 рисунков, 1 таблица).

Автор признателен Л.М.Еутаевскому, В.Е.Дубиновскому, И.Г.Жур-шу, В.А.Малинникову, Ю.И.Маркузе (МИИГАиК), А.И.Полетаеву, И.Фивенскому (МГУ), Н.В.Лукиной, В.Г.Трифонову (ГИН РАН), О.Поветухиной, П.А.Шарому (ИПФС) и другим коллегам за всесто->ннкга помадь, оказанную ими при выполнении настоящей работы.

В первой главе анализируются известные подходы визуализации неаментов и СЦТ. Выделены шесть групп методов, ориентированных v обработку данных топографических съемок, дистанционных изобра-нш, геофизических, геологических, ландшафтных данных и комби-ций указанных материалов (Флоринский, 1992а).

Методы обработки топографических данных предусматривают ана-з информации о высотах (z) земной поверхности. Регистрируются неаменты и СЦТ, индицируемые анизотропией планового распределе-я фрагментов сети долин/приводораздельных областей, цепочек лмов/депрессий. Регистраторы структур - ЦМВ, некоторые элементы ртографкческого изображения.

Выявление линеаментов по топографическим данным инициировал Я.НоЬЬз (1904): визуальный анализ рисунка горизонталей и таль-говых линий топокарт и выделение анизотропных фрагментов планово распределения указанных элементов рельефа. Подход применялся зднократно (Незаметдинова, 1970; Чшкова, 1973; Методическое ру-зодство..., 1977; Чурилин, 1980; и др.).

Освещение рельефной модели местности для визуализации струк-

5

тур применял E.S.Hills (1956). Использовалась цифровая отмывка рельефа (Rohon, 1981). Регистратором структур здесь является анизотропия планового распределения различно освещенных участков модели рельефа. Однако подобные подходы чреваты появлением артефактов (Wise, 1968; Batson et al., 1975).

Регистрация kh - О (Соболевский, 1932) позволяет составлять карты областей конвергенции и дивергенции, наглядно и относительно ^¡производимо выделять сети долин. Использование таких карт для интуитивной визуализации линейных структур земной поверхности инициировал И.Н.Степанов (Выявление по топокартам..., 1983). Качественный алгоритм визуализации ((Влоринский, 19916) включает составление карты областей конвергенции и дивергенции, ее генерализацию с помощью приближения лапласиана функции Гаусса, построение остова подученного изображения и его согласованную фильтрацию. Апробация этого метода была достаточно успешна (Флоренский, 1991а, б, 19926; Курякова, Флоринский, 1991).

Объективизацию выделения динеаментов и СЦТ может обеспечить аппарат HTA (Evans, 1980; Щарый, 1991; Shary, 1992) за счет: а) возможности количественного определения с его помощью концепций топографических индикаторов структур; б) использования исходных данных, характеризующихся высокой степенью достоверности -ЦМВ; в) воспроизводимости алгоритмов; г) возможности их применения при любых масштабах исследования. .

Методы обработки дистанционных изображений (анализ аэрокосмических снимков различного типа без составления ■ ЦМВ и рисовк рельефа). Регистрируются линеаменты и СЦТ, индицируемые анизотро пией планового распределения элементов рельефа, растительного почвенного покровов и фиксируемых дистанционными методами харак теристик компонентов ландшафта. Регистратор структур - оптическа плотность интегрального дистанционного изображения. Однако эффеи тивность регистрации при дистанционном зондировании индикаторе линеаментов и СЦТ не всегда очевидна. Интегральный характер ДГ может стать причиной появления при визуализации артефактов.

Ландшафтно-ивдикационный подход: выделение по ДЦЗ изображен! анизотропных фрагментов ландшафта, связь которых с геологичесю строением установлена на ключевых участках. Метод использовал! при визуальном анализе моноснимков (Мирошниченко, 1958; Lattmai 1958; и др.) и стереомоделей (Скублова и др., 1969; Аэромет ды..., 1971).

Контрастно-аналоговый подход: выделение прямолинейных и рад ально-концентрических "аномалий" оптической плотности ДЦЗ. По вергается критике из-за слабой обоснованности этого признака р 6

истрации структур, но получил широкое распространение из*за равнительной простоты. Одним из первых его применил J.T.Wilson 1941). Широко используется аппарат анализа: изображений - повыше-ие контраста аэрокосмических снимков с помощью высокочастотной ильтрации, пространственного дифференцирования и пр. (Янутш и р., 1979; Eurdic, Spelrer, 1980; Takahashi, 1981; Скублова, Та-асенкова, 1987; Masuoka et al., 1988; Златопольский, 1988 и др.).

Методы обработки материалов геофизических съемок. Регистриру-гся линеаменты'и СЦТ, индицируемые анизотропией планового расп-гделения характеристик геофизических полей. Регистраторы струк-1Ф - цифровые модели геофизических параметров и некоторые эле-энты картографического изображения. Визуализация структур по гофизическим данным, представленным в форме изолиний или цифро-лх моделей, аналогична подходу Хоббса (Можаев, Иванова, 1969; сроение континентальной земной коры..., 1974), используется гео-кический метод вторых производных (Affleck, 1969, 1970).

Методы обработки данных геологических съемок. Регистрируются гаеаменты и СЦТ, индицируемые анизотропией планового распределе-м элементов геологической организации. Регистраторы структур -юменты картографического изображения. Выявление линеаментов по алогическим картам инициировал W.H.Hobbs (1904). Подход исполь-'ется постоянно (Clocs, 1948; Hills, 1956; Штилле, 1964; Чури-н, 1980; и др.), но не всегда эффективно: нередко трудно соот-■сти линеаменты/СЦТ и выявленные традиционными методами элементы ■алогической организации (разломы и пр.).

Методы обработки ландшафтной информации (анализ почвенных, оморфологических и геоботанических карт). Регистрируются линеа-нты и СЦТ, индицируемые анизотропией планового распределения рактеристик почвенного и растительного покровов, ландшафта в лом. Регистраторы структур - элементы картографического изобра-ния. Методы этого типа применяются редко: а) пространственные язи линеаментов и СЦТ со свойствами большинства компонентов ндшафта изучены слабо; б) различия методик получения, интерпре-ции и картографирования ландшафтной информации (Броцкий и др., 58; Степанов, 1990) определяют сложность использования темати-:ких карт для визуализации структур.

Среди методов обработки комбинаций различных материалов рас-зстранен геолого-морфологический анализ В.Е.Соловьева (Структу-центрального типа..., 1978), предусматривающий визуальное изу-ше ДЦЗ, топографических и тематических карт. Телескопический год линеаментного анализа (Полетаев и др., 1991) - комплексная заботка разномасштабных топографических и дистанционных данных.

7

Во второй главе описана разработанная технология визуализации линеаментов и СЦТ с использованием аппарата КТА.

КТА - система количественных методов визуализации форм земной поверхности и топографических предпосылок массопереноса вдоль нее под действием гравитации. Исходная информация - ЦМВ. Теория КТА основана на физико-математических аппаратах дифференциальной геометрии и теории поля (Шарый, 1991; Shary, 1992). Результаты обработки данных регистрируются в форме карт (Evans, 1980; Флорин-ский, 1992а). КТА используется для решения задач почвоведения, гидрологии, геоботаники, в других ландшафтных исследованиях (см. обзоры (Ostrowski et al., 1990; Шарый и др., 1991)).

Топографически линеаменты и СЦТ индицируются анизотропией планового распределения фрагментов сети долин/приводораздельных областей и цепочек холмов/депрессий. Следовательно, выявление этих элементов рельефа и последующий анализ конфигурации их планового распределения позволит проводить визуализацию структур. Регистрация значений различных топографических величин может с той или иной степенью наглядности и смыслового соответствия выявить долинную сеть и холмы/депрессии. Наибольшая эффективное^ выявления должна достигаться при использовании величин, физичесга адекватных интересующей нас информации.

Физическая функция сети долин - перенос вещества вдоль земно) поверхности под действием гравитации. ■ Существует два механизм; такого массопереноса - конвергенция и относительное замедлен» потоков вещества, контролируемые kh и kv (топографические предпосылки массопереноса) (Shary, 1992). kv - кривизна нормального се чения земной поверхности плоскостью, включающей в себя 2 вектора внешней нормали к поверхности и ускорения силы тяжести; icv < 1 определяет области относительного замедления, kv > 0 - облает относительного ускорения потоков веществ, движущихся вдоль земно поверхности под действием гравитации, кь - кривизна нормальног сечения, ортогонального сечению с кривизной kv; kh < 0 определяв области конвергенции, Vh > 0 - области дивергенции потоков (Ze venbsrgen, Thorne, 1987). Наиболее эффективное выявление сети дс лин/приводораздельных областей произойдет при вычислении значен? kh и fcv (Флоринский, 1992а). Долинам качественно соответствуй значения kh> kv < О, приводораэдельным областям - kh, kv > С Применение одной величины - къ или kv - для выявления долиннс сети мало эффективно: кь и kv выделяют разные долинные сети - i признаку "используемого" ими механизма массопереноса.

Не строго изометричный холм/депрессия может быть аппроксим] рован эллиптической поверхностью. Ее точкам соответствуют знач( 8

аил К > 0; Я < 0 отвечает седловым точкам (Gauss, 1827). К - произведение кривизн двух главных нормальных сечений; является инвариантом изгибания - если при деформации поверхности происходит ее азгибание без растяжений/сжатий или разрывов, значения К остаются теизменными. В силу этого выявляет структуры, скрытые депрессиями ни наклоном (Шарый и др., 1931; Флоринский, 1391а). В случае 'холма" выпуклость поверхности ориентирована по направлению век-гора нормали в данной точке земной поверхности, в случае "депрес-:ии" - наоборот. Это различие определяется с помощью Я - полусум-ш кривизн двух взаимноперпендикулярных нормальных сечений (Пого->елов, 1974). Для точек вогнуто-вогнутых поверхностей H < 0, для ¡ыпукло-выпуклых - И > 0. Для топографического выделения "холмов" [ "депрессий" необходимо применять данные о К с учетом знака Я: вачения К > О, И > 0 соответствуют понятию "холм", К > О, Я < О "депрессия" (Шарый, 1991).

Итак, если плановое распределение фрагментов сети долин/при-;одораздельных областей, холмов/депрессий территории имеет ани-отропный характер, вычисление и картографирование îfh, kv, озволит Еыделить линеаменты и СЦТ.

Исходной информацией при КТА служат ЦМВ. Применяемая для ви-уализации линеаментов и СЦТ ЦМВ должна содержать информацию о сех выраженных в рельефе линеаментах и СЦТ с некоторым характер-ым размером в плане (Phillips, 1988) (ширина, диаметр структур), ля этого необходимо выполнение двух условий: а) ЦМВ должна быть остроена по квадратной сетке узловых точек, б) величина шага етки w должна функционально зависеть от заданного характерного азмера L изучаемых структур: w = L/2.

При задании функции высоты в форме z = f (х, у) для выражения -I , kv , К и H используются ее частные производные р = öz/öx, = 5z/Sу, г = Ьг2/Ъ}?-, s = 5zz/5x5y, t = S^z/Sy2 (Gauss, 1827; эгорелов, 1974; Шарый, 1991):

К = (rt - s2) / (1 + рг + о2)2, (1)

А = - Г(1 + qz)r - 2pqs + (1 + pz)tl / [2(1 + pz + , (2)

кь = - (qzr - 2pqs + p2t) / С(рг + q2)(l + pz + qz)l/z], (3)

kv = - (pzr + 2pqs + qzt) / C(pz + cp)(l + p2 +■ qr2)3/2J. (4)

Для вычисление по ЦМВ кь, kw, К и H нами выбран метод Эванса Ivans, 1980): в центральных точках подрешеток 3x3 ЦМВ значения

9

p, q, г, s, t оцениваются по формулам:

Р = f-zi + Z3 - 24 + zg - Z7 + zg) / 6v,

q = Czi + Z2 + 23 - Z7 - zq - zg) / 6w,

(6)

Г = [(Z± + Z3 + Z4 + Z6 + Z7 + Zg - 2fZ2 + zs + Zq)1 / Sw2, (?)

s = f-Zi + 23 + Z7 - Zg} /

<8)

t = fCzi + Z2 + Z3 + Z7 + 28 + zg - 2(Z4 + Z5 + Z6.)J / (9)

где zi - значение высоты в 1-ой точке подрешетки 3x3, 1 - (1, ..., 9), нумерация слева направо, w - шаг сетки ЦМВ.

Земная поверхность - сложный природный объект, поэтому КТА предусматривает генерализацию данных о z. Необходимый уровень генерализации при изучении структур земной поверхности оценивается по L. Наличие в ЦМВ шумов определяет необходимость ее низкочастотной фильтрации. Уже само составление ЦМВ (дискретизация функции z по пространственным переменным) осуществляет предварительную генерализацию данных. Создание ЦМВ путем цифрования горизонталей топокарт, составленных на основе карт более крупных масштабов, учитывает генералиэованность изолиний. Фильтрация шумов происходит и при использовании метода Эванса (Evans, 1980).

Генерализация может решать задачу выявления характерных признаков, свойств и взаимосвязей предметов изучения (Берлянт,. 1975), играть роль дополнительного средства анализа данных. Применительно к визуализации линеаментов и СЦТ она может облегчить определение тенденций планового распределения структур. Дополнительная генерализация ЦМВ возможна при использовании известных подходов (Флоринский, 1991а). Нами использован метод скользящего среднего.

Результаты визуализации линеаментов и СЦТ регистрируются в форме карт. При картографировании значения вычисленных топографических величин должны быть квантованы на два уровня: больше и меньше их нулевых значений. При регистрации значений кь и kv получаются абсолютно контрастные карты, а при интегральной регистрации данных о К и И - изображения, "квантованные" на три уровня.

В третьей главе проведена верификация разработанной технологии выделения линеаментов и СЦТ.

ЦМВ участка (рис. 1 А) получена в результате цифрования горизонталей топографических карт масштабов 1:300000 и 1:500000. Не-

ш

К:1.-Ц / Одно сглажиаани& / Гауссова кривизна

Рис. 1. Часть Крымского полуострова и прилегающего морского дна. А - горизонтали, высота сечения 300 м, заштрихованы соленые озера; Б - ?сь» области конвергенции - черный цвет, дивергенции -белый; В - области относительного замедления - черный цвет, относительного ускорения - белый; Г - К (с учетом Я), седловые участки - черный цвет, холмы - белый, депрессии - штриховка (А, Б, В - несглаженная ЦМВ, Г - сглаженная ЦМВ) (Флоринский, 1992а).

Рис. 2. Зоны разрывных нарушений Крымского п-ова: А - зоны глубинных трансрегиональных дорифейских С-разломов (Соллогуб, 1960; Ковалевский, 1965; Текто-А Б ническая карта..., 1969;

Чекунов, 1972): 1 - Одесского, 2 - Евпаторийско-Скадовского, 3 -Сиыферопольско-Алуштинского, 4 - Конско-Белозерского, 5 - Орехо-во-Павлоградского, 6 - Корсакско-Феодосийского, 7 - Ыариупольско-Керченского; Б - зоны трансрегиональных разрывных нарушений В, СЗ и СВ азимутов (Шалимов, 1966; Лебедев, Оровецкий, 1966; Нечаев, Тесленко, 1966; Карта разломов..., 1978): 1 - Предгорного Крымско-Кавказского, 2 - Ялтинского разломов, 3 - Херсонесско-Сарыч-ская, 4 - Алуштинско-Симферопольская.

регулярная ЦМВ (11936 точек, 210x132 км) составлена в прямоугольной декартовой системе координат с началом в точке с географическими координатами 44°20'с.ш. и 33°13' в.д. и г - 0.

Регуляризация ЦМВ осуществлена с помощью программного обеспечения (авторы - П.А.Шарый, В.И.Хачко, В.А.Карпов). Применен V -1500 м. Регулярная ЦМВ включает 12784 точки. 12

ль (рис. 1 Б) ЕИЗуеиГИЗОЕЗЛЗ, б оскоеком, С-долишгыэ сетл Северного и южного склонов Крымских гор, которые при данном масштабе соответствуют областям конвергенции территории и индицируют С-систему линеаментов. Б меньшей степени визуализованы линеаменты В, СВ и СЗ азимутов. Вычисление сглаженных версий ЦМВ позволяет получить менее сложные для восприятия карты, тенденция визуализации С-линеаментов сохраняется. При внешней неупорядоченности рельефа территории (рис. 1 А) обращает внимание анизотропия областей конвергенции (рис. 1 Б), выраженная при характерной ширине структур около 3 км. В пределах данной территории столь плотная и анизотропная сеть С-линеаментов выделена впервые.

(рис. 1 В) выделила, в основном, долинную сеть СЗ склонов гор и продольные долины СВ и В простирания, которые при данном масштабе лежат в областях относительного замедления. Выявляются элементы рельефа генерального СЗ азимута: гряды Крымских гор, фрагменты шельфа и материкового склона. Таким образом, выделены СВ и СЗ системы линеаментов и, частично - В. Выявляется несколько СЦТ. Вычисление кц сглаженных версий ЦМВ упрощает карты, тенденция визуализации указанных структур сохраняется.

К (рис. 1 Г) визуализовала С-цепочки седловин и холмов/депрессий, которые индицируют С-линеаментную систему. Учет Я позволяет выделить цепочки седловин-депрессий и седловин-холмов СВ простирания, индицирующих соответствующую систему линеаментов.

Проведена оценка достоверности результатов верификации разработанной технологии. Яркая анизотропия С-линеаментов и выделен-ность направлений простирания структур артефактами не являются.

Сравнительный анализ (Флоринский, 1992а) результатов выделения линейных структур и опубликованных геолого-геофизических данных определил, что 98 линеаментов и СЦТ - фактически все известные структуры данного масштаба - регистрируются при расчете кь, кч, К и И. Впервые выделены 26 СЦТ и около 270 линеаментов.

Геологическая интерпретация результатов визуализации осуществлена (Флоринский, 1992а) путем сравнительного анализа опубликованных геолого-геофизических материалов и полученных карт. Выделенные С-линеаменты (рис. 1 Б, Г) представляют собой, вероятно, зоны трещиноватости осадочного чехла, связанные с системой глубинных трансрегиональных дорифейских С-разломов (рис. 2 А). Линеаменты СВ, СЗ и В азимутов (рис. 1 В), видимо, в основном, также зоны трещиноватости осадочного чехла, связанные с транерегиональ-ными разломами - Предгорным Крымско-Кавказским и Ялтинским (рис. 2 Б), а также со структурами Крымского альпийского мегантиклино-рия, млеющего генеральное СВ простирание. Часть выделенных на

13

данной территории СЦТ являются купель нши поднятиями, часть -депрессиями.

Научная эффективность разработанной технологии визуализации линеаментов и СЦТ определяется: а) возможностью объективизации процессов выделения, картографирования и дальнейшего изучения структур за счет количественного определения концепций их топографических индикаторов; б) возможностью получения информации о линеаментах и СЦТ воспроизводимым образом; в) отсутствием ограничений к использовании технологии при любых масштабах исследования; г) достоверностью используемых исходных данных - ЦМВ.

Применение разработанной технологии эффективно в техническом плане: время построения на экране монитора одной карты размером 162x195 - около 10 мин при использовании IBM-PC/AT 80386.

Экономическая эффективность разработанной технологии определяется возможностью снижения стоимости работ, в которых применяются данные о линеаментах и СЦТ, за счет уменьшения применения для их визуализации ДДЗ (за исключением стерепар), геологических, геофизических и ландшафтных данных (использование указанных материалов на других этапах изучения структур не исключается).

В четвертой главе проведен анализ потенциала разработанной технологии для решения ряда задач тектоники, крупномасштабных геологических исследований, поиска полезных ископаемых и сейсмологии. Материал носит характер оценки перспективы.

К - инвариант изгибания (Gauss, 1827); это свойство дает возможность реконструкции форм палеорельефа. Карта К (рис. 1 Г) регистрирует С-линеаменты, игнорируя генеральное СВ простирание ме-гантиклинория - наиболее молодой и выраженной в рельефе структуры Крыма. Вероятно, это указывает, что в период формирования С-линеаментов мегантикдинория еще не существовало. Отсутствие на карте К структур мегантикдинория свидетельствует также, что деформации рельефа, связанные с поднятием Крымских гор, проходили без заметных для данного масштаба и в пределах рассматриваемой территории поверхностных разрывов, сжатий и растяжений. Учитывая амплитуду поднятия, это обстоятельство можно объяснить отрывом от прилегающих южных областей части геологических слоев и постепенным перемещением их к северу для компенсации поднятия. Такая гипотеза не противоречит представлениям ряда геологов о механизме образования Черноморской впадины (Беляевский, Михайлов, 1980).

При решении некоторых задач инженерной геологии необходимо иметь представление о структуре поверхности горизонтов подстилающих пород. Для этого может быть полезен крупномасштабный линеа-14

ментный анализ (Шульц, 1965, 1970). В г. Пущино на глубине от 4 до 8 И залегают трещиноватые известняки среднего карбона. Обработка (вычисление и картографирование К) ЦМВ отрога оврага, полученной при тахеометрической съемке масштаба 1:200, выделяет топографические линеаменты СБ и СЗ азимутов, индицируемые цепочками эллиптических поверхностей (Флоринский, 1991а). Возможно, это является проявлением трещиноватости известняков. По карте К мощность последних может быть оценена (Шульц, 1966) около 3 м, что не противоречит данным по соседним участкам (Басаев и др., 1984).

Узлы пересечения линеаментов разных азимутов простирания -косвенные поисковые признаки для некоторых типов месторождений полезных ископаемых (Металлогения..., 1984; Федоров и др., 1989; Полетаев, 1992; и др.). Для определения части таких узлов достаточно совместить карты кь и кч (рис. 1 Б и В). Узлы пересечения линеаментов, индицируемых фрагментами областей конвергенции, с линеаментами, индицируемыми фрагментами областей относительного замедления, соответствуют зонам относительной аккумуляции (Лгь, ку < 0 или Ко. > О, Н < О, где Ка, - произведение ки и кч (5Ьагу, 1992)) - топографическим предпосылкам накопления перемещаемых под действием гравитации масс (Шарый и др., 1991).

При изучении сейсмоактивных зон внимание также уделяется узлам пересечения линеаментов разных азимутов, к которым могут быть приурочены эпицентры землетрясений (Козлов, 1991; ■ Полетаев, 1992). В Крыму некоторые из них группируются в узлах пересечения трансрегиональных С-разломов с Ялтинским разломом (Горшков, Левицкая, 1946; Пустовитенко, Тростников, 1977; Кармазин, 1981). Линеаменты С-разломов визуализованы кь (рис. 1 Б), линеаменты В, СВ и СЗ систем индицирует, преимущественно, ку (рис. 1 В). Часть морских эпицентров группируется по СЗ-линеаментам, с которыми ге-нерально совпадают направления долин рек Черной, Бельбека, Качи (Шалимов, 1966). къ четко регистрирует эти структуры (рис. 1 Б).

ВЫВОДЫ

1. Разработана технология визуализации линеаментов и СЦТ с использованием аппарата КТА, включающая: а) составление ЦМВ по квадратной сетке узловых точек с шагом, определяемым по характерному плановому размеру изучаемых структур; б) расчет значений !<ь, ку, Я и Я с помощью метода аванса; в) картографическую регистрацию рассчитанных величин с квантованием последних на два уровня относительно их нулевых значений.

2. Концепции топографических индикаторов линеаментов и СЦТ -а) фрагменты сети долин/приводораздельных областей и б) цепочки

15

холмов/депрессий - количественно определяются локальными топографическими величинами - а) кь, ку и б) К, Н соответственно.

3. С помощью разработанной технологии для части Крымского полуострова и прилегающего морского дна впервые воспроизводимым образом визуализованы линеаментные системы преимущественно С, СЕ, СЗ, В азимутов простирания и ряд СЦГ. С-линеаментная система характеризуется ярко выраженной анизотропией и связана, вероятно, с системой зон С-трансрегиональных дорифейских глубинных разломов юга Восточно-Европейской платформы. Линеаменты СБ, СЗ и В азимутов связаны, видимо, со структурами альпийского Крымского меган-тиклинория и зонами Предгорного Крымско-Кавказского и Ялтинского разломов.

4. Узлы пересечения линеаментов разного азимута простирания (известные косвенные поисковые признаки некоторых типов месторождений полезных ископаемых) в ряде случаев соответствуют зонам относительной аккумуляции, определяемым кь, ку < О (Я < 0, Ка > 0).

5. Сравнительный анализ карт кь, ку, К, И а известных геолого-геофизических данных позволяет аргументировать относительный возраст линеаментов разных азимутов простирания, оценивать достоверность региональных тектонических гипотез.

6. Разработанная технология выделения линеаментов и СЦТ эффективна в научном, техническом и экономическом плане. Она позволяет:

- расширить возможности применения ЦМВ для целей тематического дешифрирования ДЦЗ и картографирования;

- повысить информативность результатов геологических и других исследований ландшафта;

- объективизировать процессы выделения, картографирования и дальнейшего изучения линеаментов и СЦТ за счет: а) количественного определения концепций их топографических индикаторов; б) воспроизводимости алгоритмов; в) возможности их применения при любых масштабах исследования; г) использования исходных данных, достоверность которых гарантируется технологией топографической съемки;

- снизить стоимость работ, в которых применяются данные о ли-неаментах и СЦТ, за счет уменьшения использования для их визуализации ДЦЗ (за исключением стереопар), геофизических, геологических и ландшафтных материалов.

7. Аргументирована полезность применения разработанной технологии визуализации линеаментов и СЦТ для решения ряда сейсмологических и крупномасштабных инженерно-геологических задач.

Публикации во теме дисссртациоппой работы

1. Курякова Г.А., Флоринский И.В. Анализ пространственных отношений структур центрального типа, топографии и педогеологии. Пущино: ПЩ АН СССР, 1991, 14 с.

2. Степанов H.H., Флоринский И.В., Шарый H.A. О концептуальной схеме исследований ландшафта //Геометрия структур земной поверхности. Пущино: ПНЦ АН СССР, 1991, С. 9-15.

3. Флоринский И.В. О дешифрировании природных границ и генерализации изображений структур земной поверхности //там же, с. 60-89.

4. Шарый П.А., Курякова Г.А., Флоринский И.В. О международном опыте применения методов топографии в ландшафтных исследованиях (краткий обзор) //там же, с. 15-29.

5. Флоринский И.В. Генерализация в картографии: краткий обзор проблемы. Пущино: ПНЦ АН СССР, 1991а, 55 с.

6. Флоринский И.В. О воспроизводимом алгоритме картографического выявления структур центрального типа (СЦТ) //Кольцевые структуры и марфоструктуры (теоретические и прикладные аспекты). Теа. дскд. Всес. сов., апр. 1991. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 19916, с. 6.

7. Флоринский И.В. Визуализация линеаментов и структур центрального типа: количественные топографические подходы. Пущино: ПНЦ РАН, 1992а, 47 с.

8. Флоринский И.В. Структуры центрального типа Средней Азии и южных районов Казахстана. Пущино: ПНЦ РАН, 19926, 44 с.

9. Курякова Г.А., Флоринский И.В. О двух закономерностях пространственных связей структур центрального типа (СЦТ), топографии и педогеологии //Проблемы очагового геотектогенеза. Владивосток, 1993 (в печати).

10. Флоринский И.В. Количественные топографические подходы визуализации линеаментов и структур центрального типа. - Билл. МОИП, 1993 (в печати).