Спосіб картографування ерозійної небезпеки схилових земель

Реферат: UA 79888 U UA 79888 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до сільського господарства і може бути використана для картографування ерозійної небезпеки земель, визначення потреб у заходах з охорони земель від водної ерозії та точного просторового планування таких заходів, що дають максимальний ґрунтозахисний ефект. Відомий спосіб картографування ерозійної стійкості земель [Бастраков, Г.В. Эрозионная устойчивость рельефа и противоэрозионная защита земель [Текст] / Г.В. Бастраков. - Брянск: Изд-во БГПИ, 1993.-260 с.], що передбачає польові спостереження, вимірювання за допомогою топографічних карт ухилів та довжин ліній активного стоку, розрахунки та картографування кількісних значень показника ерозійної стійкості земель, що розраховують шляхом ділення опору ґрунту до розмиву на потужність водного потоку. При цьому опір ґрунту до розмиву визначають заздалегідь за допомогою спеціального приладу. Недоліками способу є те, що показники ерозійної стійкості при наближенні до вододілу становляться безкінечно великими, показник "лінія активного стоку", що використовується в розрахунках, є недостатньо чітко визначеним, а опір ґрунту до розмиву визначають заздалегідь за допомогою приладу, який використовує штучні струмені води, які відрізняються від природних. До суттєвих недоліків зазначеного способу належить ще й те, що він не враховує вплив просторової диференціації водних потоків на ерозію земель, передбачає безпосередні креслення та вимірювання довжини та ухилів схилів для кожного квадрату карти, що потребують значних трудових витрат. Відомий спосіб зберігання та швидкого визначення висот рельєфу цифрових моделей місцевості [RU № 2326434 Способ и система для хранения и быстрого извлечения высотных отметок цифрових моделей местности для использования в системах определения местоположения] належить до цифрових моделей рельефу і передбачає збереження та визначення висот у певних стислих порціях, яким приписуються індекси. Індекси також зберігаються. Вони представляють собою коди адрес чарунок пам'яті, що зберігають відповідні висоти. Спосіб дає можливість ефективно зберігати та визначати висоти точок місцевості. Недоліком способу є необхідність збереження всієї інформації про висоти в кожній точці растрової моделі, в той час як для практичного використання потрібна лише невелика частка цієї інформації, узагальненої певним чином. Найбільш близьким за технічною суттю до заявленого є спосіб визначення ерозійної небезпеки схилових земель [Патент на корисну модель № 70268 А01D 13/00. Спосіб визначення ерозійної небезпеки схилових земель], що передбачає польові спостереження за проявами ерозійних процесів з визначенням кількісних показників, які враховують ерозійні властивості ґрунтів на окремих земельних ділянках та подальше складання карт індексу ерозійної небезпеки. Спосіб враховує вплив просторової диференціації водних потоків та протиерозійних рубежів на ерозію земель. Недоліками способу є те, що він потребує значних витрат трудового часу для креслення водозборів, визначення їх площ, ухилів, розрахунків, картографування та узагальнення в легенді значень індексу ерозійної небезпеки земель. Найбільш трудомісткою в цьому способі є процедура креслення та визначення площ елементарних водозборів і ухилів для кожної точки регулярної мережі на карті. В ньому, як і в попередніх способах не вирішено питання забезпечення репрезентативності розрахунків для картографування ерозійної небезпеки. Багаторічні дослідження дозволили нам встановити внутрішні закономірності ерозійних процесів та створюваного ними рельєфу. В результаті взаємодій з рельєфом ерозійні процеси набувають дискретно-безперервного характеру. їх дискретність проявляється в формуванні окремих ярів, улоговин, схилів, водозбірних басейнів, а безперервність - в закономірному узгодженні ухилів за течією водних потоків, тобто - за лініями стоку. Встановлено, що лінії стоку, з одного боку, обмежують у просторі дискретні елементи рельєфу, а з іншого сусідні лінії стоку об'єднують певні його безперервні властивості як скалярного поля висот. Таким чином, якщо закласти в основу просторової інформаційної мережі лінії стоку, то одержимо інформаційну систему здатну адекватно та досконало враховувати природні особливості рельєфу та його ерозійні чинники - ухили та площі водозборів. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу картографування ерозійної небезпеки земель за рахунок використання упорядкованого ієрархічного кодування елементів рельєфу, що дає можливість оперативно проводити автоматизоване картографування ерозійної небезпеки земель, ґрунтозахисну експертизу та оптимізацію просторового розміщення протиерозійних заходів. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі картографування ерозійної небезпеки земель, який включає польові дослідження, визначення за допомогою GPS координат вершин ерозійних рівчаків, розрахунки площ водозборів, ухилів, коефіцієнтів 1 UA 79888 U ерозійної властивості земельних ділянок, кількісних значень індексу ерозійної небезпеки земель за допомогою формули: Ie  K s FI 0,4 J0,3 , 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 (1) де Ie - індекс ерозійної небезпеки земель; K s - коефіцієнт, що об'єднує ерозійні властивості земель певної ділянки; 2 F - площа водозбору, м , що замикається створом 10 м; I - інтенсивність зливи, м/с; J - ухил схилу (тангенс кута нахилу), згідно з корисною моделлю, додатково використовують упорядковане ієрархічне кодування елементів рельєфу та подальше автоматичне розпізнання його ерозійних чинників за дискретним, структурно-сфокусованим принципом, причому інформація про рельєф зберігається у вигляді просторово підпорядкованих текстових файлів з координатами полігонів 3-х ієрархічних рівнів, назви яких закодовано таким чином, що оперативно, в автоматизованому режимі визначається належність точок діагностичної мережі кожному такому полігону, розраховуються параметри рельєфу, площі водозборів, значення індексу ерозійної небезпеки, при цьому лінії стоку та протиерозійні рубежі враховують за допомогою рівнянь прямих, що забезпечує автоматичне креслення водозборів, визначення їх площ, ухилів та врахування ґрунтозахисної дії рубежів, а картограму ерозійної небезпеки та легенду до неї зберігають у базі даних - у вигляді MIF- та MID-файлів із спільною координатною прив'язкою. Спосіб реалізовано в наступній послідовності: 1. За допомогою приладу GPS визначають координати меж досліджуваної території. 2. У географічній інформаційній системі Mapinfo роблять географічну прив'язку електронної топографічної карти масштабу 1: 10000, що охоплює досліджувану територію, до проекції Longitude / Latitude (WGS 84), що відповідає координатній прив'язці GPS для створення шарів інформації про рельєф та протиерозійні рубежі. 3. Креслять лінії стоку за допомогою команди Polyline від вододільної до базисної точки, з фіксацією точок їх перетинання з горизонталями. Сусідні ліній стоку вводять проти годинникової стрілки. Лінії стоку вводять в межах кожної суцільної ділянки водозбірного басейну до тих пір поки перепад висот між початковими точками сусідніх ліній стоку не перевищує перепад висот між сусідніми точками лінії стоку, або наступна ділянка, що підлягає діагностиці, буде розташована в просторовому розриві з попередньою. В випадках, що суперечать цим вимогам до ТАВ-файлу вводять ознаку початку нової ділянки водозбірного басейну (у подальшому ділянки 1-го рангу). 4. Протиерозійні рубежі креслять в довільній послідовності також за допомогою команди Polyline. 5.Математичні розрахунки довжин, площ та ухилів неможливо здійснювати у проекції Longitude / Latitude (WGS 84), в якій координати точок представлено у градусах. Тому шари, що містять географічну інформацію про рельєф та протиерозійні рубежі зберігають у вигляді файлів з розширеннями TAB, MIF та MID з проекцією Universal Transverse Mercator (WGS 84), в якій координати точок представлено у метрах. 5. Дані MIF - файлів, що містять інформацію про рельєф зберігають у вигляді ТХТ-файлів, які містять код географічної проекції, кількість та координати точок ліній стоку, висоти рельєфу. З метою швидкого структурно сфокусованого визначення властивостей земної поверхні автоматично складають та зберігають ТХТ-файли, що містять загальну кількість точок та координати підпорядкованих полігонів 1-го, 2-го в межах 1-го і 3-го в межах 2-го та 1-го рангів. Файли з координат полігонів 1 -го рангу складають за допомогою ознаки, що введено у пункті 3 послідовності реалізації способу. Файли з полігонів 2-го рангу складають як такі, що обмежено точками сусідніх ліній стоку, а полігонів 3-го рангу - як чотирикутники, що утворено шляхом перетинання сусідніх відрізків горизонталей та ліній стоку Назви файлів складають як кластери, що: для полігонів 1-го рангу містять 1 число, яке відповідає послідовності введення ділянки розбору; для полігонів 2-го рангу - 2 числа, розділених знаком "_", перше з яких - це номер полігону 1 -го рангу, а друге - номер полігону 2-го рангу в межах 1-го у напрямку проти годинникової стрілки; для полігонів 3-го рангу - 3 числа, розділених знаком "_", перше з яких - це номер полігону 1-го рангу, друге - номер полігону 2-го рангу в межах 1-го у напрямку проти годинникової стрілки, третє - номер полігону 3-го рангу в межах 2-го в послідовності від вододілу до базису. На Фіг. 1 представлено досліджувану територію, де 1 - лінії стоку; 2-4 полігони відповідно 1-го, 2-го та 3-го рангів, які обмежені відрізками ліній стоку та горизонталей; 2 UA 79888 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1_4_3 - код назви ТХТ - файлу, що зберігає координати полігону 3-го рангу, розташованого в межах полігонів 1 1 -го рангу та 4 2-го рангу. Останнє число 3 коду означає послідовність розташування від вододілу. 7. Для кожної точки регулярної мережі квадратів; - за дискретним, структурно сфокусованим принципом визначають її належність полігонам спочатку 1-го, потім 2-го в межах 1-го і 3-го в межах 2-го рангів та 1-го рангів; - на основі використання властивостей безперервності та плавності поверхні рельєфу, представленої горизонталями визначають просторове положення лінії стоку, що проходить через точку в межах полігону 3-го, а потім 2-го рангу; - визначають просторове положення та площу елементарного водозбору як полігону, що обмежують 2 лінії стоку із замикаючим створом в точці мережі шириною 1 м; - розраховують середній ухил водозбору в межах чарунки 3-го порядку; - розраховують індекс ерозійної небезпеки. На фіг. 2 показано: 1 - полігони інформаційної мережі 3-го рангу;; 2 - лінія стоку, положення якої знаходять шляхом інтерполяції 3 - водозбори, що обмежено лініями стоку і накреслено автоматично для кожної точки діагностичної мережі. 8. До файлу з розширенням MIF уводять код проекції (див. п. 6), координати кожної точки діагностичної мережі та код кольору, що відповідає певному інтервалу оцінювальної шкали ерозійної небезпеки земель. 9. Автоматично створюють та зберігають у вигляді файлу з розширенням MIF легенду до карти оцінки ерозійної небезпеки земель, що містить код проекції, оцінювальну шкалу та частку значень індексу в межах кожного інтервалу шкали для легенди для всієї досліджуваної території. 10. До ГІС Mapinfo за допомогою команди Import з меню Table вводять карту та легенду індексу ерозійної небезпеки земель. На Фіг. 3: 1 - полезахисні лісосмуги (протиерозійні рубежі); Is - середнє значення індексу ерозійної небезпеки; Si - його середнє квадратичне відхилення. На Фіг. 3 значення індексу ерозійної небезпеки визначено в точках мережі квадратів, побудованої з кроком 20 м. Всього на 542 га досліджуваної території проведено 13488 незалежних розрахунків індексу ерозійної небезпеки земель. Тривалість розрахунків склала 3 хвилини 25 секунд. Легенда карти показує розподіл земель за ерозійною небезпекою та його зміну в наслідок впливу протиерозійних рубежів. Суттєвою перевагою способу картографування ерозійної небезпеки земель перед відомими растровими моделями прогнозування змиву є зменшення часу розрахунків, забезпечення просторової репрезентативності за рахунок призначення відповідного кроку діагностичної мережі, автоматичне врахування протиерозійних рубежів. Збереження та автоматична компоновка легенди карти у вигляді MIF-файлу з відповідною географічною проекцією значно спрощує процедуру картографування ерозійної небезпеки. Структурне параметричне врахування рельєфу дало можливість автоматичного визначення та збереження в легенді ґрунтозахисної дії протиерозійних рубежів, що показано у дужках - в правому стовпчику легенди (Фіг. 3). Значення +5 %, +9 % показують збільшення, а -4 %,-7 %,-3 % - зменшення площ земель відповідної категорії ерозійної небезпеки за рахунок рубежів. Спосіб можна широко використовувати для картографування та моніторингу ерозійної небезпеки земель, визначення потреб у протиерозійних заходах, оптимального розміщення таких заходів на конкретних земельних ділянках та контролю за охороною земель від водної ерозії. Суттєвими його перевагами перед іншими є автоматизація складних розрахунків, можливість одночасного картографування ерозійної небезпеки на окремих земельних ділянках, розташованих навіть фрагментарно, географічна прив'язка картограм ерозійної небезпеки, яка дає можливість подальшої просторової оптимізації ґрунтозахисних заходів із застосуванням GPS. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 Спосіб картографування ерозійної небезпеки схилових земель, що включає польові дослідження, визначення за допомогою GPS координат вершин ерозійних рівчаків, розрахунки площ водозборів, ухилів, коефіцієнтів ерозійної властивості земельних ділянок, кількісних значень індексу ерозійної небезпеки земель за допомогою формули: Ie  K s FI 0,4 J0,3 , (1) де Ie - індекс ерозійної небезпеки земель; 3 UA 79888 U 5 10 15 K s - коефіцієнт, що об'єднує ерозійні властивості земель певної ділянки; 2 F - площа водозбору, м , що замикається створом 10 м; I - інтенсивність зливи, м/с; J - ухил схилу (тангенс кута нахилу), який відрізняється тим, що додатково використовують упорядковане ієрархічне кодування елементів рельєфу та подальше автоматичне розпізнання його ерозійних чинників за дискретним, структурно-сфокусованим принципом, причому інформація про рельєф зберігається у вигляді просторово підпорядкованих текстових файлів з координатами полігонів 3-х ієрархічних рівнів, назви яких закодовано таким чином, що оперативно, в автоматизованому режимі визначається належність точок діагностичної мережі кожному такому полігону, розраховуються параметри рельєфу, площі водозборів, значення індексу ерозійної небезпеки, при цьому лінії стоку та протиерозійні рубежі враховують за допомогою рівнянь прямих, що забезпечує автоматичне креслення водозборів, визначення їх площ, ухилів та врахування ґрунтозахисної дії рубежів, а картограму ерозійної небезпеки та легенду до неї зберігають у базі даних - у вигляді MIF- та MID-файлів із спільною координатною прив'язкою. 4 UA 79888 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5