Моделирование энергетических характеристик ландшафта в ГИС SAGA

Эта страница является черновиком статьи.

При изучении ландшафтных комплексов, планировании и проектировании мероприятий по их оптимизации (мелиорация, рекультивация, охрана) довольно важным фактором выступает оценка энергетических параметров природно-территориальных комплексов. Понятие об энергетике применяется в геофизике ландшафта и заключается в оценке и анализе энергии процессов функционирования природно-территориальных комплексов.
В данной статье рассматриваются аспекты геоинформационного моделирования двух наиболее важных в энергетическом отношении параметров ландшафта – солнечной радиации и гравитационной энергии (энергии рельефа) в ГИС SAGA. Территория – Воронежская область, данные - SRTM (Shuttle Radar Topographic Mission).
ГИС SAGA (System for Automated Geoscientific Analyses) представляет собой мощный инструмент для морфометрического анализа ландшафтов. Изначально разработана в департаменте физической географии Гёттингенского Университета, в настоящее время разработка перенесена в Университет Гамбурга. Программа имеет модульную структуру, отличается большим набором инструментов анализа и моделирования растровых данных, обладает высокой производительностью. Для анализа энергетических характеристик ландшафтов использовалась группа модулей Terrain Analysis.

Как наиболее значимые в ландшафтном отношении можно выделить следующие виды энергии:
1) лучистая энергия Солнца (поток суммарной солнечной радиации составляет 5 600 МДж/м2•год, а радиаци¬онный баланс – 2 100 МДж/м2•год);
2) внутреннее тепло Земли (составляет 0,00017 от энергии Солнца и связано с радиоактивным распадом различных элемен¬тов, фазовыми переходами вещества, химическими реакциями внутри Земли; по разным оценкам оно составляет от 9,6–1020 до 43,5-1020 джоулей; имеет ландшафтообразующее значение лишь в вулканических районах);
3) гравитационная энергия;
4) энергия вращения Земли;
5) энергия гравитационного поля Солнца и Луны (морские приливы и отливы);
6) падение твердых частиц на Землю из Космоса;
7) химически аккумулированная энергия (только на суше накоплено 3•1020 МДж потенциальной энергии, т. с. в три раза больше ежегодной суммарной радиации).

Главным энергетическим процессом в ландшафтной сфере Земли является лучистая энергия Солнца. Поступление осуществляется преимущественно с суммарной радиацией, которая складывается из прямой (Рп) и рассеянной (Рр). Соотношение этих видов радиации обусловлено географическим положением, характером рельефа и оптическими свойствами атмосферы. Солнечная радиация определяет функционирование ландшафтного комплекса, биопродуктивность, направление и интенсивность перемещения вещества и энергии.
Региональные и локальные особенности радиационного режима геосистем определяются следующими основными факторами: географическим положением, определяющим угол падения солнечных лучей, режимом облачности, запыленностью, экспозицией склонов (элементами мезорельефа), отражательной способностью деятельной поверхности, теплоемкостью литогенной основы.
Для оценки биоэнергетических показателей природно-территориального комплекса используют фотосинтетически активную радиацию (ФАР), которая является основным энергетическим потоком для растительности, так как используется для важнейшего физиологического процесса – фотосинтеза. Границами ФАР считают длины волн 400 и 700 нм. Она рассчитывается по формуле:

ФАР = 0,4Рп + 0,62Рр,

где Рп – величина прямой солнечной радиации, Рр – величина рассеянной солнечной радиации.
ГИС SAGA предоставляет возможность рассчитать потенциальное количество поступающей в ландшафтные комплексы солнечной радиации. Для этих целей используется инструмент Terrain Analysis - Lightning - Potential Incoming Solar Radiation

Модуль Potential Incoming Solar Radiation

К сведению, подобные инструменты моделирования в opensource GIS есть в GIS GRASS, а также в модуле SEXTANTE, который может быть использован в ГИС gvSIG, OpenJUMP и др. Из проприетарных ГИС подобные инструменты имеются в ArcGIS модуль Spatial Analyst.

Еще одним важным источником энергии в ландшафтном комплексе выступает гравитационная энергия, которая во многом определяет характер потоков вещества, энергии и информации. Трансформация гравитационной энергии в природном комплексе выражается в таких характеристиках как потенциальная энергия комплекса и работа отдельных геомасс. Различие ландшафтных комплексов в гипсометрическом отношении определяет величину гравитационной энергии, что проявляется в характере и интенсивности развития тех или иных ландшафтообразующих процессов (эрозия, оползни, осыпи и др.) Одним из важнейших показателей является потенциальная энергия ландшафта:

E = mgh,

где m – масса ландшафта, g – ускорение свободного падения (9,81 м/с2), h – абсолютная высота ландшафта (для исследования на локальном уровне возможно использование значений перепада высот).
Также гравитационная энергия ландшафта характеризуется работой геомасс (лито-, гидро-, фито- и др.), которая определяется формулой: A = mg(h1-h2), где m – величина геомассы, g – ускорение свободного падения, (h1-h2) – перепад высот. Энергия ускорения свободного падения определяет целый ряд процессов в ландшафте – выпадение осадков и их фильтрация в почву, ряд процессов биогеоцикла, поверхностный и подземный сток, склоновые процессы. При изучении ландшафтных особенностей территории наиболее важной характеристикой является величина работы стока. На основе гидрологических модулей ГИС SAGA (Terrain Analysis – Channels – Vertical Distance to Channel Network) был построен растр перепадов высот (относительно базиса эрозии), который затем был использован при расчете потенциальной энергии ландшафтов и величин работы стока.