Некоторые проблемы изображения рельефа изолиниями на мелкомасштабных картах

Д–р Матьяш Мартон

Csáti Ernő (szerk.): Hungarian Cartographical Studies. Hungarian National Comitte, International Cartographic Association, Budapest, 1989

CERTAIN PROBLEMS OF RELIEF REPRESENTATION BY CONTOURS ON SMALL-SCALE MAPS orosz változata

Топографические съёмки Земли даже в отношении суши нельзя назвать законченными. Всё же, если изучить потребность мелкомасштабных карт в данных, мы заметим, что информация, которой мы располагаем для составления рельефа, является достаточхой.

Иное положение создалось в отношении территории морей и океанов. Более детальные измерения ( 1 : 20 000 — 1 : 200 000) были произведеныздесь в первую очередь из экономических соображений: вблизи берегов (порты), на шельфе (добыча нефти, газа и других минеральных ископаемых) и в непостредсвенной близости от островов и отмелей (судохоство). В открытом море детальные съёмки были произведены только в зонах, представляющих интерес с какой-либо научной точки зрения. Только частично относятся к ним карты, составленные на основе самой современной съёмки, так называемым зоновым или площадным методом (Sea-Beam), т. к. значительная их часть не опубликована.

Данные измерения морских глубин для гражданских целей в настоящее время собираются на листах карты м-ба 1 : 1 000 000 (Plotting-Sheets) и издаются примерно каждые 15 лет в обработанном виде на серии карт ГЕБКО м-ба 1 : 10 000 000 (или м-ба 1 : 6 000 000).

В настоящее время в картографировании рельефа дна океанов кроме непосредственных измерний большое значение имеют и такие способы, которые обеспечивают только приблизительные данные и дают сравнительно хороший результат только при удовлетворении определённых предполагаемых критериев (дистанционное зондирование – Seaset).

Изображение рельефа изолиниями и генерализация

С точки зрения нашей теми изолинии можно разделить на две группы: горизонтали (изогипсы), изображающие рельеф суши, и изобаты, изображающие рельеф морского дна.

Изображение рельефа способом изолиний в настоящее время является самым распространённым способом изображения твёрдой оболочки земли, а также служит основой для большинства прочих способов изображения (например, гипсометрия, отмывка, штриховка и т. д.). Таким образом, на точность карты — с точки зрения рельефа, — решающим образом влияет правильное составление изолиний. Но чем меньше масштаб составляемой карты, тем меньшее количество изолиний может быть употреблено и тем более обобщённым, сглаженным должен быть их рисунок; при этом изображаемый рельеф должен как можно точнее отражать дейсвительность. Редактор карты достигает этого путём создания правил генерализации и их последовательного применения в процессе составления карты.

Генерализация субъективна и, к сожалению, ещё долго останется таковою. Конечно, мы можем математически выразить некоторые элементы: например, приблизительно сколько процентов названий, долин или других элементов должно быть исключено в случае уменьшения масштаба, но какие элементы — на это нельзя дать конкретный ответ. Причина субьективности генерализации — органиченные познания челивека, составителя в области наук о земле — картографической, морфологической у др.

Постранственные формы рельефа имеют вертикальную и горизонтальную составляющие. Вопросы генерализации соответсвенно этому можно разделить на две части:

Генерализация в вертикальном смысле означает определение значений изображемых изолиний, т. е. выбранных для изображения уровней (пересечения выбранных таким образом уровней с действительной формой на местности даёт изолинии).

Генерализация в горизонтальном смысле означает определение рисунка изолиний (как крибых на плоскости на выбранных для изображения уровнях, точнее, то, каким образом, на основе каких принщипов могут линии, вычерченные на картах, отличаться от „действительных” кривых.) В классическом смысле в первую очередь это подразумевается под генерализацией рельефа: получение правильного рисунка линий).

В обоих случаях генерализация производится путём более или менее субъективного применения определённых правил, с целью того, чтобы рисунок рельефа карты в рамках, заданных масштабом, давал бы наиболее близкое к действительности изображение рельефа Земли.

Генерализация в вертикальном смысле

Важность правильного выбора шкалы уровней, соответсвующей цели картографического изображения и близкой к рельефу изображаемой территории, подчёркивается большинством авторов. Приведём в пример рисунок для лучего пояснения:

Как видно, при изображении малой территории действительно имеется возможность целосообразного выбора таких уровней, которые делают возможной „верную” передачу действительности. Положение меняется, когда мы хотим изобразить в малом масштабе большие территории (континенты, океаны) или всю землю.

Например, Эдуард Имхоф в своей монографии „Kartographische Gelandedarstellung” (Walter de Gruyter & Co., Berlin, 1965) даёт шесть разнообразных вариаций для изображения рельефа суши. Наилучшей из них он считает шкалу уровней, в которой значения растут по геометрической прогрессии параллельно высоте над уровнем моря. Он не считает, однако, практически подходящим способ „разновеликих ступеней”, этот способ он упоминает только из-за его теоретической интересности, т.к. он обращает внимание на необходимость употребления намного более детальной шкали на территориях разнин. В дальнейшем будет показано, что оба эти способа в случае соответствующего выбора параметров дают почти одинаковый результат.

Для изображения морских территорий Имхоф даёт два рисунка. Первый показывает ступени длубин, изображенные на общегеографических картах, второй — ступени глубин, применяющиеся на крупномасштабных картах территорий шельфов. Затем он в виде таблицы обобщает шкалы сечения рельефа, рекомендуемые для карт различных масштабов.

Исходя из убеждения, что твёрдую поверхность земли, покрытую водой океанов, с точки зрения расчленённости и разнообразия рельефа можно сравнить с поверхностью суши, мы искали верное (хотя бы с теоретической точки зрения) решение для единого изображения территорий суши и морского дна. Ведь по нашему мненую дно моря только потому такое нерасчленённое на наших картах, что изобраемые уровни редкие.

Таблица I (по Имхофу).

Чтобы доказать это, в виде опыта мы сравнили изображение Карпатского бассейна (суша) и Иберийского бассейна (океан) таким образом, что сначала мы изобразили на карте Иберийского бассейна такие изобаты, которые по отношению к основному уровню бассейна представляют собой такую же шкалу уровней (сечения), как шкала, применяющаяся для изображения Карпатского бассейна:

Таблица II (по Имхофу).

После этого на обоих картах мы изобразили рельеф изолиниями с сечением 1000 м и 2000 м, как это делается при изображении морского дна. При сечении рельефа 2000 м геогрефический характер Карпатского бассейна стал совершенно неузнаваемым. Из этого следует: на мелкомасштабных картах нельзя допустить применение сечения 2000 м, даже при изображении морского дна!

Таким образом, задачей является определение такой шкалы сечения (по крайней мере теоретически), которая и на морских территориях даёт изображение с детальностью, подобной территориям суши. На Приведенных выше рисунках, заимствованных у Имхофа, видно, что для такого анализа обычно используют гипсографическую кривую. Но следует заметить, что кривая в такой форме не очень пригодна для получения правильных выводов.

Функция, изображающая частоту значений высот и глубин земной поверхности, которую можно получить путём преобразования гипсографической кривой, является сейчас значительной для нас, т. к. даёт наглядное представление о том (см. пунктир), что на территориях морей распределение разнообразных глубин изменяется не так просто, как распределение высот суши. Это уже само по себе помогает почувствовать, что для изображения рельефа морского дна с такой дательностью, как рельефа суши, требуется больше изолиний.

Слишком строгий математический подход к выборы шкалы сечения мало целесообразен, т. к. дробные величины не могут быть изображены. Поэтому попробуем поставить менее точные условия: выбранная шкала должна быть такой, чтобы территории под участками кривой частоты, попадающими в каждый интервал, были бы примерно одинаковы. Для облегчения вычисления требуется такой рад данных, который численно покажет, сколько процентов всей поверхности земли относится к данным интервалам высот и глубин. Данные, содержащиеся в первых трёх колонках таблицы III, взяты из книги Eugen Seibold „Der Meeresboden”(Springer-Verlag, Berlin, 1974).

Таблица III.

Возьмём для небольшого (сравнительно хорошо вписывающегося в данные) участка земной поверхности, скажем, величиной 3%, один уровень (см. Принцип равновеликих ступеней — Имхоф). В таком случае к различным интервалам соответственно будет относиться количество уровней, указанное в предпоследней колонке таблицы. Возможные значения горизонталей находятся в последней колонке.

Как видим, мы применили тот способ (равновеликие ступени), который Имхоф считает неподходящим для практики. Этот способ в отношении суши дал результат, подобный способу, который он считает правильным. Хотя растущая по правильной геометрической прогрессии шкала была бы: (0), 25, 50, 100, 200, 400, 800, 1600, 3200, 6400, Имхоф сам сделал „уступку” в интересах использования более распространённых на практике значений горизонталей (0), 200, 500, 1000, 2000, 4000 м. Наш метод ещё в большей мере обращает внимание на необходимость большей детальности шкалы сечений на разнинных территориях, что было подчёркнуто Имхофом в свали со способом „равновеликих ступеней”. Но это действительно такие для изображения морских территорий! И это имеет большое значение на участках дна океана глубиной от 3000 до 6000 м.

Очевидно, что при отсутствии данных соответствующей детальности полученный результат имеет только теоретическое значение. Но всё же он важен с такой точки зрения, что подтверждает тот факт, что дно океанов только потому такое нерасчленённое на общегеографических картах, что изображённые уровни (сечение рельефа) редки. В то же время это обращает наше внимание также и на то, каких принципов следует придерживаться в интересах правильного изображения рельефа морского дна, если мы уже располагаем достаточным количеством отметок глубин. С другой стороны, становиться ясным, что без вычерченных изобат — только способом послойной окраски — невозможно получить изображение рельефа дна моря удовлетворительного качества, то есть внутри каждого „слоя глубины”, обозначенного самостоятельным цветом, в интерсах более точной передачи рельефа надо применять ещё и дополнительные изобаты. Естественно, это заключение действительно также и на территории суши высотой 0 — 200 м, где в нашем распоряжении уже сейчас имеются необходимые данные.

Следовательно, на картах нужно применять такой способ изображения, который выделит применяемые в настоящей практикие, привычные горузонтали и изобаты — используя их как границу цветов, — но в то же время по мере надобности употребляет в качестве вспомогательных изолиний также и изолиним, относящиеся к уровхям, перечисленным в последней колонке таблица III.

Генерализация в горизонтальном смысле и большие формы дна океана

Правила вычерчибания горизонталей рельефа шуши, береговой линии озёр, количественной и качественной генерализации рек хорошо разработаны. Это можно также сказать и в связи с генерализацией берегов океанов и морей. Но в то время, как принципы генерализации рельефа морского дна ещё нет соответствующим образом разработанных, единых правил генерализации. Это доказывается многими картами и картографическими произведениями, например, и картой ГЕБКО, разработка листов 5-го издания которой не едина (Canadian Hydrografic Service, Ottawa, 1975—1982).

Для создания хорошей карты не только в процессе составления, но уже при выборе соответствующих картматериалов обязательно нужны новые знания из области наук о земле. В формировании рельефа дна океанов эндогенные (внутренние, тектонические) и экзогенные (внешние) силы, действующие на Земле, проявляются иным образом, в иных пропорциях и с иным влиянием, чем на суше. Из этого следует, что правила генерализации рельефа суши автоматически не могут быть применены при изображении рельефа морских территорий.

Решаюшая роль тектонических сил в формировании рельефа морского дна — и вообще, в возникновении океанов, была открыта тектоникой плит. Начиная с 60 — х годов 20 века постепенно всё больше вмясняется значение внешних, экзогенных сил и процессов. Раньше бассейны морей и океанов — как „конечный базис эрозии”, лежащий ниже уровня моря, — упоминались в литературе только как гигантские зоны накопления осадков.

Но ведь нельзя пренебрегать и ролью внешних сил в образовании форм рельефа под уровнем моря. Имеющееся многообразие форм, созданное тектоническими силами и местами в разнообразной степени покрытое накопленными осадками, вблизи берегов, на шельфе меняется под влиянием сил движения моря (приливы и отливы), прибрежных морских течений, постоянных климатических факторов (кораллы, а также материковый лёд: ледники, шельфовый лёд); на материковом склоне и на материковом подножие — от обрушивающихся по временам мутьевых потоков; на глубоководных территориях — под влиянием глубоководных течений от полярных территорий к экваториальным водам.

Один из возможных способов подхода к систематизации форм рельефа морского дна может исходить из структурно-морфологической основы. В этом случае речь может идти о трёх главных злементах:

а) подводная окраина материка

б) глубоководные котловины или ложе океана

в) срединно-океанические хребты

(Heezen, B.C. — Menard, H.W.: Topography of the Deep Sea Floor. in: The Sea (Vol. 3.) John Wiley and Sons, New York, 1963)

а) Подводную окраину материков со структурной точки зрения можно разделить на два вида — активная и пассивная окраины. Активная окраина (тихоокеанский тип) связана с субдукцией — то есть поддвиганием одной литосферной плиты под другую. Для неё характерны относительно узкий шельф, сравнительно более крутой материковый склон, а также глубоководный жёлоб, „занимающий место материкого подножия. Интересна структура тихоокеанского региона, где срединно-океанический хребет обычно располагается вблизи американского континента Азии эти желоба располагаются на восточной стороне многочисленных островных дуг.

Пассивная окраина (атлантический тип) характеризуется более широкой шельфовой территорией, менее крутым материковым склоном и хорошо развитым материковым подножием. Её основы с материковой земной корой в более ярко выраженной форме сохранили следы структуры, возникшей при рифтогенезе. (Рифтогенез — образование впадин вдоль линий разлома при разрыве земной коры, что ведёт к образованию ступенчатой структуры).

Для подводных окраин материков характерно накопление большой массы отложений, главным образом континентального происхождения (так называемых терригенных отложений), образование форм рельефа, связанных с этими отложениям и их передвижением.

Шельф, материковий склон и подножие материка относятся к территории подводной окраины материка.

б) Территория глубоковидных желобов (на окраине материков тихоокеанского типа), а также хорошо выраженное материковое подножие (иногда с подводными возвышенностями) на окраинах материков атлантического типа обозначают переход к ложу океана, расположенному на глубине 4000 — 6000 м, которое состоит из ряда котловин, отделённых друг от друга позитивными формами рельефа морского дна. На периферийной части глубоководных котловин, граничащей с материком — в атлантическом типе, — характерно также и накопление отложений континентального происхождения, которое постепенно сменяется глубоководными отложениями. В котловинах, находящихся у окраины материка тихоокеанского типа, глубоководные желоба задерживают большинство отложений континентального происхождения; эти отложения, смешиваясь с глубоководными отложениями, приносимыми океанической плитой, поглощаются в зоне субдукции. (У азиатских берегов Тухого океана отложения „настоящего” континентального происхождения из-за островных дуг вообще не могут попасть на территорию открытого океана. Но судьба отложений континентального типа, образовавшихся с островных дуг, такова же, как это описано выше). В глубоководных котловинах на частях, прилегающих к срединно-океаническим хребтам, уже преобладают глубоководные отложения.

С генетической, структурной точки зрения территория глубоководных котловин имеет океаническую земную кору.

Внутри глубоководных котловин, а также на их периферии находятся отдельные вершины, группы подводных гор большой протяжённости, сейсмически неактивные хребты, поднятия и другие позитивные и негативные формы рельефа.

в) Централные части срединно-океанических хребтов являются областью образования новой океанической земной коры. По мере приближения к оси поднятия слои отложений становятся всё более тонкими, а в зоне центрального разлома практически ещё нет значительного накопления отложений. Разница в скорости раздвигания выражается также и в структурно-морфологических формах — в различной степени опускания частей земной коры, а также в различии морфологического проявления центрального разлома (иногда его полного отсутствия) и т. д. На этих территориях господствуют формы рельефа, созданные первичными, тектонически-вулканическими — назовём их горообразующими, — процессами; только на относительно большом расстоянии от оси хребта эти формы „утончаются”, а затем всё более покрываются глубоководными отложениями.

Ограниченные рамки данной статьи не позволяют заниматься также и подробным описанием имеющихся внутри морфологических элементов более малких форм. Но мы должны ещё осветить некоторые вопросы первостепенного значения, связанные с картографическим изображением именно зоны хребтов (как одной из наиболее критических областей).

Картографическое экстраполирование и генерализация рельефа подводных хребтов

При просмотре листов ГЕБКО сразу бросается в глаза, при помощи какого малого количества промеров надо было вычертить изобаты на некоторых участках Мирового океана. Списки используемых источников во многих случаях упоминают, что при вычерчивании изобат были использованы также и прочие геологические, геофизические исходные материалы.

На отдельных листах обозначили также и такие участки, для которых имелись и более детальные карты более крупного масштаба. Эти крупномасштабные измерения, очень ограниченной площади и сравнительно малочисленные, к счастью, имеются на участки с разнообразными структурно-морфологическими особенностями. Используя эти материалы, а также другие геологические, геофизические системы данных, с помощью картографического экстраполирования, рельеф малоизвестных, но со структурно-морфологической точки зрения „родственных” территорий можно сделать более детальным.

Согласно „Венгерскому толковому словарю”, „экстраполирование — приблизительное определение величин вне наблюдаемой территории путём обобщения закономерностей известных величин.”

Картографическое экстраполирование — не что иное, как использование геолого-геофизических знаний и данных в интересах единого мелкомасштабного изображения Мирового океана с помощью изобат. Такое преобразование, уточнение рисунка изобат, состовленного по правилам интерполирования на основе измерений, которое даёт в результате изображение, лучше выражающее географическо-морфологическое проявление больших структурных форм. Его сущность, следовательно, состоит в том, что разнообразие форм участков, подробно измеренных с картографической точки зрения, на основе геолого-геофизических общих характеристик ”проектируется” на менее измеренные территории. Основа его права на существование —мелкий масштаб: ведь на тагическо-структурных особенностей, возможность картометрических измерений отходит на второй план. (Если это на было бы так, большую часть фьордов, например, мы не смогли бы изображать на мелкомасшатбных картах — часто в преувеличенном размере). Область применения картографического экстраполирования ограничивается хребтами и их окружехием, ведь они представляют собой ту территорию, где образующиеся первичные структурные формы ещё не покрыты или только в очень малой мере покрыты (но не закрыты, в сущности не преобразованы) накоплениями глубоководных отложений.

Практическое осуществление метода — например, зная точное место и механизм эпицентра землетрясений, — может быть наглядно описано следующим образом:

Сейсмическая активность, проявляющаяся в области срединно-океанического хребта, ограничивается централной рифтовой долиной и участками поперечных разломов (расчленяющих хребет на части) между осями хребтов. На основе утверждения, подтверждённого также мелкомасштабными картами, что поперечный разлом представляет собой долинообразное образование, на ровных изобатах, полученных путём интерполирования на основе измеренных отметок глубин, на местах поперечных разломов, выявленных геофизическими измерениями, в полученных путём измерений направлениях мы можем вычертить долинную форму рельефа.

Средино-океанические хребты с генетической точки зрения являются местом образования нового дна океана. С морфологической точки зрения особенностью этой „горной системы” является то, что она расчленяется на небольшие сегменты зонами разломов, (почти) перпендикулярными к оси хребта — поперечными разломами. Основным вопросом генерализации рельефа срединно-океанических хребтов является сохранение этих характерных направлений даже при генерализации большой степени. На наших рисунках на примере части листа ГЕБКО 5.12 мы можем будеть правильное и неправильное решение генерализации.

В связи с изображением рельефа хребтов обращаем внимание ещё на одно очень важное явление: надо хорошо выразить отличие между участками поднятий, образовавшихся на границе пластин с большой и с малой скоростью центральная рифтовая долина ярко выражена, и её надо изображать даже в очень мелком масштабе! В то же время на участках с быстрым раздвижением пластин хребет (его профиль) более пологий, имеет меньший уклон и в мелком масштабе никак не может быть изображён; в узкие разломы из глубины Земли поднимается расплавленное вещество верхней мантии. Эта разница ещё больше бросается в глава при изучении поперечных разломов, почти перпендикулярных оси хребта.

Выводы, заключения

Изучение рельефа мелкомасштабных карт, атласов, глобусов венгерского издания, а также анализ многочисленных карт зарубежного издания приводит к заключению, что на суше слишком обобщённое, схематическое изображение рельефа характерно для равнинных территорий; для морских же территорий схематическое изображение общепринято.

Главной причиной этого является неудовлетворительная генерализация в вертикальном смысле, то есть неправильный выбор изображаемых уровней (сечения).

Для изображения рельефа с нужной детальностью даже для мелкомасштабных карт недостаточна густота изолиний, соответствующая установившейся до сих пор практике. Можно доказать, что и на суше, но особенно и на дне океана необходимо было бы дать гороздо большее количество изолиний в интересах лучшего выражения форм рельефа. В то же время, на территориях океанов нужно также разработать и соответствующие правила генерализации в горизонтальном смысле (составление изобат), т. к. разные картографы из-за отсутствия единых правил и принципов совершенно по-разному производят генерализацию изобат (которая и вообщето субъективна), и результатом этого является значительно отличающееся изображение рельефа.

Принимая во внимание, что на картах, которые построены исключительно на гипсометрической окраске, число „ступеней”, которые могут быть изображены, очень ограничено, этот тип карт непригоден для достаточно детального изображения рельефа, удовлетворяющего поставленным требованиям. На различных картографических произведениях мы нашли много и также примеров, когда рисунок рельефа карты вообще не отражает форму рельефа морского дна, подписанную на карте.

Для разрешения этой проблемы можно предложуть, чтобы практически употребляемые до сих пор „избранные” интервалы изолиний (как слои) были бы выделены отдельным цветом, но между ними в интересах осуществляения более точного изображения рельефа следует дать промежуточные горизонтали и изобаты (в качестве дополнительных изолиний).