CC BY
16НАУЧНЫЕСТАТЬИ
Гидрометеорологияи экология № 2 2020
ЭОЖ 551.4.02+551.4.04
Е.Е. Халыков1'2 Геогр. гылымд. канд. Ю.Ф. Лый3
PhD Е.Х. Какимжанов4
М.М. Макимбаева3 Ж.М. Шарапханова3
ЖЫРАЛЬЩ ЭРОЗИЯНЬЩ ДАМУЫН ЖЕРYСТI ЛАЗЕР Л1К СКАНЕРЛЕУ ЭД1С1МЕНЗЕРТТЕУ
Ty^h свздер: жыральщ эрозия, жыралар, жерYCтi лазерлш сканерлеу, гарыштыщ тYсiрiлiмдер, М^ыр езеш, Жетiсу Алатауы
Цаз1рг1 уацытта жер 6edepi мен басца да объекттерд1 зерттеуде тез дамып келе жатцан adicmepdi^ 6ipi жерYстi лазерлт сканерлеу adici (ЖЛС) болып табылады. ЖерYстi лазерлт сканерлеу adiciHi^ тшмдмгте Yлкен зерттеу аумацтарын цысца мерзiмде квптеген ацпарат жинап жылдар бойы мониторинг ЖYргiзуiн жатцызуга болады. ЖерYcтi лазерлт cканерлеудi цолдану жаратылыстану гылымдарында жэне табигатты зерттеуде, эыресе Батыс Еуропада, АКЩ-та жэне басца дамыган елдерде белcендi дамып келедi.
Мацалада жыраларда ЖYргiзiлген ЖЛС эдiciнiц негiзгi кезецдерi жэне олардыц цалай icке асырылганы сипатталады. Жыраныц егжей-тегжейлi сандыц Yлгiciн алу Yшiн жогары дэлдiктi 3D RIEGL VZ-4000 лазерлт cканерi, алынган деректердi вцдеу Yшiн RiscanPro багдарламасы пайдаланылды.
2017...2019 жж. куз мезгiлiнде Муцыр езет ацгарындагы (Алматы облысы, Кексу ауданы) жыралыц эрозияга ЖЛС эдШмен жэне гарыштыц тYciрiлiмдердi пайдаланып зерттеулер ЖYргiзiлдi. Бул ацгардагы жыралардыц басым белiгi негiзiнен флювиалдыц Yдерicтердiц ыцпалынан бастапцы жэне терец белттерМц еcуi байцалатын дамушы жыралар болып табылады.
1Сэтбаев Университет^ Алматы, Казахстан
2Сэтбаев Университет^ Алматы, Казахстан
3«География жэне су к;аушиздш институты» АК, Алматы, Казахстан
4эл-Фараби атындагы Каза^ ¥лттык; университет^ Алматы, Казахстан 146
Мацала ЖЛС эд!стертщ далалъщ жэне камералдыц зерттеулертщ нэтижелертен турады. Жыралыц эрозияныц дамуына ыцпал ететт факторлар керсеттт, заманауи цуралдар мен гарыштыц тYсiрiлiмдердiц нег1зтде алынган жыралардыц морфометриялыц сипаттамалары бершген.
Осы аймацтагы жыралыц эрозияны экологиялыц цауiпсiз мацсаттагы табиги ортага руцсат еттген ЖYктемелердi жоспарлау цажеттiлiгiмен аныцталады. Жыралыц эрозия цазiргi уацытта эрозияга ушыраган жерлердщ ауданы ул^айып, салдарынан олардыц внiмдiлiгi твмендеп жатцан тау бвктерiндегi жэне жазыцтыц аудандарда едэуiр цауiптi. Жыралыц эрозияныц пайда болу нэтижеанде тек экологиялыц (цунарлылыгын жогалту) цана емес, сонымен цатар экономикалыц залал (ауыл шаруашылыгы вндiрiсi тшмдшШнщ твмендеуi) туындайды.
Юркпе.Жыралар TY3iniMi тау жыныстарыньщ epireH жэне жацбырлы сулардыц уа^ытша агындарымен жер YCTi шайылуына байланысты ^алыптас^ан кYрделi бедер тYзушi YДерiс болып табылады. Жыралар езен ацгарларыныц, сайлардыц, ^рга^ ацгарлардыц баурайларында табиги жагдайларда, ^ала мацындагы аймакгарда, кенттер мацында еамдштердщ деградациялануы кезiнде, сондай-а^ пайдалы ^азбаларды ендiру жэне ^¥рылыс кезiнде жердi шаруашылыщ пайдалану нэтижесiнде пайда болады.
Жыралар Каза^станныц ощустш-шы^ысында орналас^ан Жетюу Алатауыныц таулары мен тау бектервдеп бедердщ кец тараFан деструктивтi формаларыныц бiрi болып табылады. Б^л аума^тар ^олайлы табиFи жаFдайларына байланысты мыцжылдыщтар бойы адамныц шаруашылыщ жYргiзген орны болып табылады. Жер бедерiне антропогендш жYктеменi кYшейту жыралыц эрозияныц ^алыптасуына ыщпал етедi, эсiресе М^^ыр езетнщ а^арында Fарыш тYсiрiлiмдерiн пайдалану ар^ылы езгерулердщ белсендi дамуы аныщталды. Аныкталган белсендi жыраларFа олардыц дамуыныц эртYрлi кезецдерiн тiркеу Yшiн репер нYктелерiн ^олданып жартылай стационарлыщ ба^ылау жYргiзiлдi. Сонымен ^атар 2017...2018 жж. ky3 мезгiлiнде М^ыр езенi ацFарындаFы (Алматы обылысы, Кексу ауданы) жыралыц эрозияFа ЖЛС эдiсiмен зерттеулер жYргiзiлдi.
М^ыр езенiнiц бастауы Жетiсу Алатауыныц батыс белiгiнде ШаFан тауларында (2551 м) орналас^ан, Каратал езенiнiц алабындаFы
147
Быжы езенше к^яды. М^ыр езешнщ суы жемiс-жидек, жемшеп жэне дэндi да^ылдар есiрiлетiн фермерлiк шаруашылыщтар мен бакгардыц ал^аптарын суару Yшiн пайдаланылады.
Алдымен М^ыр езеншщ ацгарындагы жыралардыц дамуын ба^ылау Yшiн гарыштыц тYсiрiлiмдердi пайдаланып, езгерiске ^шыраган жыралар аныщталды, содан кешн ЖЛС эдiсiн ^олданып жыралардыц шайылу келемi есептелдi.
ЖЛС - сканерден объектшщ нYктелерiне дейiнгi ^ашьщтьщты жогары жылдамдыщпен елшеу жэне ттсп багыттарды тiркеу. ЖЛС-дi iске асыру кезiнде объектiнi толыщ тYсiру принцип ^олданылады, бiраrç оныц жеке нYктелерi мен белшектерiн емес, осыныц нэтижесшде - объектiнiц Yш елшемдi суреп жасалынады. Олар скан деп аталады. ЖЛС технологиялары алгашында геодезияда пайда болды жэне б^л олардыц ^олданылуына байланысты: топографиялыщ тYсiру, к^рлыс, кYрделi инженерлiк к^рылымдарды сканерлеу жэне т.б. Табиги ортаны зерттеулерде ЖЛС технологиясын ^олданылган негiзгi салалыщ багыттар келесшер: гидрологиялыщ зерттеулер [12]; жер жамылгысы [5]; гляциология [4]; жер сшкшютерш зерттеу [6]; жагалау аймакгарына мониторинг жYргiзу [9, 10]; сыргыма процестерш зерттеу жэне ба^ылау [2, 11]; геологиялыщ зерттеулер [14].
Авторларыныц ж^мыстарында[3] ЖЛС эдiсiн ^олдану ар^ылы Миннесота штатыныц (АКШ) солтYCтiк белiгiндегi сулы-батпакгы ал^аптардыц микротопографиялыщ езгергiштiгi зерттелген. Олар сулы-батпа^ты ал^аптардыц микротопографиялыщ ^рылымын сандыщ аныщтаудыц жаца эдiсiн ^сынган жэне шамамен 1 см ^са^ белшектерi бар бедердiц сандыщ Yлгiсiн (БСY) к^растырган. Нэтижесiнде 1 см жогары ажыратымдылыгы бар ец дэл микротопографиялыщ беттiц Yлгiсi алынды (ыгысу = 1,26 ±0,1 см). Зерттеу нэтижелерi 1...10 см жогары р^сат етiлген жогаргы ^абаттыц Yлгiлерi (сулы-батпа^ты ал^аптар) тiк жэне келденец микротопографиялыщ к^рылымды дэл тYсiрiп алу Yшiн ^ажет екенiн керсеттi, жэне де Yлгiнiц ^ателш БСY р^сатын азайтумен ^лгаяды. Б^л эдiстi ^ашыщтан зондылаудыц ^сас платформаларына ^олдануга болады [3].
К^рп уацытта ЖЛС эдiсiн ^олдану ар^ылы жыралыщ эрозия Yдерiстерiн зерттеу ж^мыстары жиi жYргiзiлуде. Кытайлыщ мамандар Лесс Yстiртiндегi езендер мен жыралардыц ^зындыгын жэне ауданыныц езгеруiн ЖЛС эдiсiмен бiрге QuickBird жасанды жер сертнщ тYсiрiлiм суреттерiне негiзделген эрозияны багалау моделiн ^растырган. Кытайдыц
148
солтYCтiгiндегi Шэньси провинциясындагы 44 ацгардыц жагалауларыньщ морфологиялыщ сипаттамалары 3-влшемдi сканердщ квмепмен зерттелдi. Ацгарлардыц вткiзгiш квлемi мен узындыгы арасындагы ^уат функциясыныц байланысы бул аймакга жогары эрозиялыщ ^ауштшк барын кврсеттi жэне айтарлыщтай бiр-бiрiмен байланысты eKeHiH аныщтады [16].
Эуедеп лазерлiк сканерлеу (ЭЛС) жэне ЖЛС технологиялары жер бетшщ топографиясын кещспктжте егжей-тегжейлi багалауга мYмкiндiк бередi жэне квп уа^ытта жиналган сканерлеу мэлiметтерiнен геоморфологиялыщ взгерiстi багалау Yшiн пайдалануга болады. Аустралияныц солтYCтiк-шыFысындаFы Квинсленд штатындагы Аратула аумагындагы жыралыц эрозияныц дамуын 1 жыл iшiнде ЭЛС жэне ЖЛС эдютерш ^олдана отырып, ^ай эдiстiц дэлiрек сандыщ мэлiмет беретшш аныщтады. Осы эдiстердi ^олдану нэтижес бойынша ЭЛС эдiсi жыралардыц 10 м жоFарFы узындык;тагы бiрнеше жылдыщ Yлкен взгерiстердi жа^сы кврсетсе, ЖЛС эдю уса^ жыралардыц жауын-шашын салдарынан бiр жыл iшiндегi 0,45 м твмен взгерютерш кврсете алды. ЖЛС жыл сайын жыралардыц неFурлым аз взгерютерш аныщтай алды, бiраrç кещспктеп шектеулер бар. ЖЛС жэне ЭЛС зерттеулерi бiр-бiрiн толы^тыратын ^осымша технологиялар жэне бiрге rçолданылFан кезде эртYPлi уа^ыпаы жэне кецiстiктiк масштабтаFы таботи арыщтар мен жыралардаFы эрозиялыщ YДерiстердi неFурлым егжей-тегжейлi тYсiнуге мYмкiндiк бередi [8].
Зерттеу ayMaFbi. Географиялыщ орналасуы бойынша бул аума^ Жетюу Алатауыныц батыс сiлемдерi, аздап бвлшген орташа-уса^ таулар (Жацабай, Албасу, Жуантвбе таулары), тецiз децгейiнен 900 м-ден 1600 м-ге дейiнгi абсолютпк биiктiкте орналас^ан. Бедер тегiстелген квлбеу а^арлар мен сайлар жYЙесiмен кYPделенген, салыстырмалы биiктiгi 200...250 м-ден аспайды (1-сурет).
Геоморфологиялыщ аудандастыру бойынша зерттеу аумаFы Каза^станныц оцтYCтiк жэне оцтYCтiк-шыFысындаFы орогендiк белдеу аймаFына, Yлкейтiлген геоморфологиялыщ аймавда - Жетiсу Алатауыныц жоталары мен тау бвктерiне жатады [1]. Морфогенетикалыщ тYрiне сэйкес бул денудация бетше жиналFан жина^таушы бедер. Бул квптеген таулы, квбiнесе ^урFа^ шащалдар мен солтYCтiк баFытта басым болатын уа^ытша аFындардыц ацFарлары бар тебелi-бедерлi бедер.
Бетi сур-сары тYCтi, тврттен бiрi сазда^тармен, iрi малтатастармен жэне кумдармен к¥PалFан. Сазда^тардыц ^уаты 2,55 м-ден 3,10 м-ге дешн
149
ауыт^иды, орташа 2,87 м. Инженерлш-геологиялыщ жагдайлар мен бедер тYзушi Yдерiстерге физикальщ Yгiлу, жазыщтыщ шайылу, бYЙiрлiк эрозия, жыральщ эрозия, орташа ^ар^ынды жацбырмен ^оректенетш селдер, сел тас^ындары, су агындары (^атты агынмен жэне кездейсо^ кврiнiсi), жартасты жыныстардагы швгiндiлер, жартасты жыныстардагы опырылым, квшкiндер, ^ар квшкiндерi жатады. Бул YДерiстер бiр уа^ытта бедердi взгертедi жэне заттыц ^айта орналасуына ^атысады, ягни учаскенщ казiрri замангы бедерiн ^алыптастыруга бiр мезгшде денудация жэне шогырландыру Yдерiстерi ^атысады.
Сур. 1. Жыраларга зерттеулер ЖYргiзiлген аудан.
Ауданныц климаты континентальды, Yлкен тэулiктiк жэне жылдыщ ауа температурасыныц амплитудалары, орташа суыщ ^ыс жэне уза^ ыстыщ жаз тэн. Ауаныц орташа жылдыщ температурасы +6...9°С, жылдыщ жауын-шашынныц орташа жылдыщ жиынтыгы 380 мм. Жыра пайда болуыныц мацызды факторларыныц бiрi гидрометеорологиялыщ жагдайлар болып табылады: жауын-шашын мвлшерi, олардыц ^ар^ындылыгы жэне уа^ыт бойынша бвлiнуi. Жауын-шашын мвлшерi мен жыралардыц сызыщтыщ всушщ взара байланысын аныщтау Yшiн зерттеу кезещндеп атмосфералыщ жауын-шашынныц жиынтыщ саны есепке алынды.
Зерттеудщ езектшт. Осы айма^тагы жыралыщ эрозияны экологиялыщ ^аушшз ма^саттагы табиги ортага ру^сат етiлген 150
жYктемелердi жоспарлау ^ажеттшшмен аныщталады. Жыралыщ эрозияныц салдарынан rçазiргi уа^ытта эрозияга ^шыраган жерлердiц ауданы ^лгайып, олардыц ешмдшп темендеп, тау бектерiндегi жэне жазыщтыщ аудандарда ^ауш тугызуда. Жыралыщ эрозия тек экологиялыщ (^нарлылыгын жогалту) ^ана емес, сонымен ^атар экономикалыщ залал (ауыл шаруашылыгы ендiрiсi тиiмдiлiгiнiц темендеу^ тудырады.
Зерттеу материалдары мен эдктерь Далалыщ-аспаптыщ эдiсiтерiмен жыраларды зерттеу учаскелершде, жергiлiктi жердiц егжей-тегжейлi сандыщ Yлгiсiн алу Yшiн жогары дэлдшт 3D RIEGL VZ-4000 лазерлiк сканерi ^олдалынып нYктелiк б^лттар жасалынды. Деректердi ендеу Yшiн RiscanPro багдарламасы ^олдалынды. Картографиялыщ эдiстi, геоа^параттыщ жYЙелердi (ГАЖ), ArcGIS багдарламасын пайдалана отырып, орта жэне жогары шешiмдi гарыштыщ тYсiрiлiмдердi дешифрлеу, салыстырмалы, жYЙелiк талдау жэне нэтижелердi сипаттау эдiстерi пайдаланылды.
ЖЛС эдюш ^олдану эрозиялыщ YДерiстердi зерттеу кезвде денудация жэне аккумуляция процесш сипаттай отырып, жергiлiктi жердiц бедершде езгерiстердi керсететiн жогары дэлдiкпен Yш елшемдi деректердi жедел алуга мYмкiндiк бередi. ЖЛС эдiсi эрозиялыщ Yдерiстердiц, атап айщанда шайылган топыра^ келемшщ, келденец жэне бойлыщ кескiндердiц сызыщтыщ езгерiсiнiц сандыщ сипаттамаларын аныщтауга мYмкiндiк бердi.
К^рп уа^ытта бедер ортасыныц езгергiштiгiн багалау, оныц iшiнде жыралы-сайлы жYЙелердiц езгеруiн аныщтау Yшiн ЖЛС эдюш зерттеушшер тиiмдi ^олдануда.
ЖЛС эдю 3 негiзгi кезецнен тирады: мониторингтiк учаскелердi жэне сканерлеу щктелерш тандау; тYсiрiлiм жасалынатын нысанныц сырт^ы беткейiн максималды 3D жерYCтi лазерлш сканермен тYсiру; RiSCAN PRO багдарламасында алынган деректердi камералдыщ ендеу.Лазерлiк сканерлеу координаталыщ-елшеу жYЙелерi объектiнiц нYктелерiнiц координаталарын оныц геометриялыщ елшемдерiн аныщтау ма^сатында елшеуге арналган.
Жыраныц 3 елшемдi бедердiц сандыщ Yлгiсiн (БСY) алу Yшiн жогары дэлдiктi RIEGL VZ-4000 лазерлш сканерi ^олдалынды. RIEGL VZ-4000 - б^л жiцiшке инфра^ызыл лазерлiк сэуленi iске ^осу жэне жылдам эрекет ететiн сканерлеу механизмш пайдалана отырып, ж^мыстыц жогары жылдамдыгын, деректердi тYЙiспесiз жинауды ^амтамасыз ететш Yш елшемдi жерYCтi лазерлiк сканера ЖЛС ^ралыныц эрекет ету принциш
151
кещспктеп нYктелердiц координаталарын полярлы; эдiспен елшеу болып табылады. Кашы;ты;ты елшеу сигналды цифрлау технологиясы бар импульстiк эдют пайдаланатын лазерлiк ара-;ашы;ты;ты елшеуiшпен жYргiзiледi [13].
Далалыщ жагдайда ЖЛС Yшiн дайындъщ жумыстары. Аспаппен ец ;ар;ынды бедер тYзушi YДерiстердi барынша ;амту жэне сканермен тYсiрiлмеген беттердi (;ара да;тар) азайту Yшiн Google Earth ресурстарында, гарышты; тYсiрiлiмдер мен топографиялы; карталар бойынша зерттелетiн аума;;а алдын ала барлау жYргiзiледi. Дайындалган карта-сызбаларда сканерлеу нYктелерi (сканпозициялар) жазылады, бiра; жергiлiктi жерде немесе д^рыс емес картографиялы; материалдар езгерген жагдайда сканерлеу нYктелерi учаскенiц жагдайына байланысты далалы; кезецде тYзетiледi.
Даладагы ЖЛС дайынды; ж^мыстары кезiнде жыралы-сайлы жYЙелердi сканерлеу Yшiн келесi елшемдер аны;талды: нысанга дейiнгi ец аз ара;ашы;ты; (5 м); нысанга дешнп ец Yлкен ара;ашы;ты; (4000 м); шашырац;ы нысандарды (;абыргалар, бугалар мен агаштар) ба;ылау, нысанныц бетiнде мэлiметтердiц толы; жиынтыгын алу; 60° тiк вертикальдi сканерлеу диапазоны; келденец ;адаммен сканерлеу 0,03° (Frame Res); 200 кН жишкп елшеу багдарламасы (1...2 км сканерлеу); сканпозициялардыц ;абаттасуы 10...15%; сканпозициялардасканердiц ны; т^ру жерiн аны;тау.
Тацдалган аймащтарды RIEGL VZ-4000 crnHepiMeH жер Ycmi лазерлiк сканерлеу. Нысандарды сканерлеу, эдетте, зерттелетш табиги нысанга ;атысты сканердщ эртYрлi нYктелерiнен алынган бiрнеше сканерлеу кемепмен жYзеге асырылады (сканерлеу позициялары, 2-сурет). Сканердi «Керудщ тшб^рышты ерюЬ> режимiнде сканерлеудi орнату ;ажет. Эдетте ^^рылымды; жэне сызы;ты; сканерлер бiрдей б^рышты; есiмге орнатылады, сонды;тан алынган щктелш б^лт б^рмаланбайды, бiра; ею осьте де теракты б^рышты; торга ие. Тштертб^рышты сканерлеу режимiнде сканердщ бастап;ы белiгiнiц айналуы, мэлiметтердi жинауы жэне айналдырудыц ая;талуы барлы; кершю ерiсi сканерленгеннен кейiн басталады [13].
Далалыщ кезецде алынган depeKmepdi RiSCAN PRO багдарламасында камералыщ вцдеу жумыстары. Кыс;аша лазерлш сканерлеу деректерш ецдеу келесi ;^рам-белштерден тирады:
- сканерлеу ^станымын тiркеу жэне кеп станцияны тецестiру
(КСТ); 152
- 6ipiKKeH щктелш булт К¥РУ; «жацгырыщтан» тазарту; всiмдiктерден жэне табиги емес объектшерден тазарту;
- эртYрлi кезецдердеп нYктелiк б^лтты салыстырмалы талдау;
- сандыщ биiктiк Yлгiсiн К¥РУ;
- 2 жыл бай^ау кезiнде шайылган топыра^ массасыныц квлемiн есептеу.
Сур. 2. Лазерлгк сканерлеу ЖYргiзiлген Муцыр езет ацгарындагы жыр.
Сканерлеу позициясы жэне КСТ. Сканерлеудщ эртYрлi позицияларын жобаныц координаталар жYЙесiнде тiркеу процесше сэйкес матрица мен сканердщ орналасуын аныщтау болып табылады. Сканерлеудщ бiр позициясын жобаныц координата жYЙесiнде пркеу Yшiн сканердiц меншiктi координата жYЙесiнде байлау нYктелерiнiц тiзiмiн алу керек. Кешн автоматты тiркеу функциясы бар RiSCAN PRO багдарламасында барлыщ сканерлер ^ркеледь Деректердi жазудыц б^л тYрi пайдаланушыныц минималды немесе нвлдiк араласуымен сканерлеу нYктелерiн автоматты тYрде пркеуге мYмкiндiк бередi. RiSCAN PRO жа^ын нYктелер алгоритмiнiц итерациясын ^олдана отырып, бiрдей нYктелердi автоматты тYрде аныщтай алады. Б^л бас^а нYктелiк б^лттардан бiрдей нYктелердi аныщтау ар^ылы жузеге асырылады.
153
Автоматты пркелу «Voxels» деп аталады. «Voxels» белгш бiр физикалы; елшемдегi текшелер тYрiнде метрмен керсетiледi, Yлкен ашы; жерлерде сканерлеу Yшiн 4,0 м елшемш тацдау керек. Автоматты пркеу опциясын ;олданганда, бiз багдарлама опциясында ;алалы; орта емес ашы; жер параметрш тацдаймыз. Б^л параметр ашы; кецiстiктегi экзогеодинамикалы; YДерiстердi зерттеуге ете ;олайлы.
Белгiлi бiр аудандарда ;абаттасудыц болмауы немесе эртYрлi сканерлерде сипаттамалы; элементтердiц болмауы себебiнен «Автоматты пркеу» эр;ашан белгiлi бiр сканерлеулердi тiркеудi жYзеге асыра бермейдi. Б^л жагдайда оператор ;олмен кемек опциясын пайдаланады. Колмен кемек параметрiн ;олдана отырып, сканерлеу ^йлерш ;олмен туралауга болады. Егер тiркеу сэтсiз болса, хабарлама эдетте тiркеудi то;тату Yшiн то;тайды жэне сiзге 3D форматындагы багдар мен орынды езгерту ^сынылады. Сканерлеудщ айналуы мен ;озгалыс манипуляцияларынан кешн ;олдану тYЙмесiн басу ар;ылы автоматты пркеу процесi жалгасады. Б^л интегралда сканерлеу позициясын жогары дэлдiкпен орналастыру ;ажет емес, ейткенi д^рыс емес пркеу кезiнде д^рыс орналасу Yшiн тарту эрекетi орындалады.
Автоматты пркеу жэне багдарлама ж^мысына ;олмен кемек керсету опцияларын ;олданганнан кейiн КСТ ;олданылады. КСТ бiрнеше жазылган сканерлеу орындарыныц арасындагы алша;ты;ты азайтуга арналган. Ол Yшiн сканерлеу ^станымыныц багыты мен орналасуы бiрнеше итерация нэтижешнде езгертiледi. Б^л процестi жеделдету Yшiн нYктелiк б^лтты дайындау керек (;ыс;арту, жецiлдету, азайту). Сканерлеу позицияларын салыстыру Yшiн байланыс нYктелерi, байланыс нысандары жэне полидата нысандары ;олданылады. КСТ бастау Yшiн алдын-ала деректердi дайындау ;ажет. КСТ сканерлеу орнын тецеспру Yшiн сканерленген объектiнiц беткi (жазы;ты;) мэлiметтерiн пайдаланады. КСТ сканерлеу орнын езгертш, есептелген ^ша;тар арасындагы ;ашы;ты;ты азайтады. Б^л Yшiн тиiстi бетю тегiс «патчтарды» (Б'Ш) аны;тау опциясы ;олданылады. Б^л екi немесе одан да кеп нYктелiк б^лттарды лркеу Yшiн ;олданылады, нэтижесiнде жазы;ты;ты жэне бетшщ ;абаттасатын белiктерi аны;талады. БТП опциясы нYкте б^лтындагы жазы;тарды iздейдi. Осы алгоритм - мYмкiн болатын ец Yлкен мелшерi бар БТП iздеу (мысалы, тегiс бiртектi аума;тарда беттер Yлкенiрек жэне жиектерiне жа;ын болады). Сiз минимумнан максимумга дешн реттеу ар;ылы БТП минималды мелшерш бас;ара аласыз.
154
КСТ бастамас б^рын, барлык кол жетiмдi сканерлеу устанымдарыныц тiзiмiнен блоктау Yшiн сканерлеу орнын тацдау керек. Сканерлеудщ эр устанымыныц жанындагы тшкатысу терезешнде орын (x, y, z) жэне багдарлау (айналу, сыргу, ауытку) кврсетшедь Б^л опция эртYPлi сканерлеулердi тецеспру Yшiн колданылады. Эдетте тYзету Yшiн барлык баска позицияларды камтитын сканерлеу орны колданылады. Сканерлеудiц бiр позициясыныц екiншiсiне ауысуын эртYрлi тYCтер берш, сканерлеу орны атауыныц алдына тексеру белпш кою немесе вшiру аркылы аныктауга болады. Кажетп сканерлеу орнын аныщтаганнан кейiн ол б^гатталады жэне реттеу процесi басталады. Б^л параметр кате минимумга жеткенге дейiн эр сканерлеу орны мен багыты туралы акпаратты взгертедi. Ол Yшiн мэлiметтер аныктамалык координата жYЙелерiне байланыстырылуы керек. Егер сштеме нYктелерi болмаса, кем дегенде бiр карап шыгу орныныц орналаскан жерi мен багдарын б^гаттау керек. ТYзетiлген жэне багдарланган мэлiметтердi содан кейiн жобалык багдарламада сактауга болады.
Бiрiккен нYктелiк булт жасау. ^ркеу аякталганнан кейiн жэне барлык сканерлеу устанымдарын тецеуден кейiн бiрiккен нYктелiк б^лт К¥ру керек. НYктелiк б^лт - белгiлi бiр координаталар жYЙесiндегi координаталык мэндерi бар нYктелер тобы. Координаталардыц мэнiн аныктайтын жогары дэлдiктегi к¥рылгыныц болмауына байланысты бiз RiSCAN PRO багдарламалык жобасыныц координаталар жYЙесiн колдандык. Координаталардан баска, нYктелiк б^лттан шыккан эрбiр нYкте мацызды косымша атрибуттарды аныктауга мYмкiндiк беред^ мысалы, импульстiк пiшiннiц кабшет мен ауыткуын кврсететiн уакыт белгiсi, амплитудасы. Бiрiккен нYктелiк б^лтты к¥ру кезiнде нYктелердiц тыгыздыгын белгiлi бiр сантиметр аркылы (x, y, z координаталары бойынша) сиретемiз, бiздiц жагдайда 5, 10, 20 сантиметр аркылы сирету щктелш б^лттыц салмагын эрi карай вндеу жэне корытынды сандык деректердi алу Yшiн жецiлдету Yшiн жYргiзiлдi. 3-суретте автоквлiк жолына жакын орналаскан М^кыр взенiнiц ацгарындагы жыраныц лазерлш сканерлеу нэтижесiнде к¥рылган бiрiккен нYктелiк б^лты кврсетiлген. Б^л суреттегi щктелш б^лтта жыраныц взi, жол бойындагы электр желiсiнiц баганалары жэне агаштар анык кврiнедi. RiSCAN PRO багдарламасыныц жеке жобаларындагы эр бакылау алацы ушш курылган бiрiккен нYктелiк б^лт сандык талдау Yшiн ыцгайлы монолитп мэлiметтер материалы болып табылады.
155
Сур. 3. Жыраныц лaзepлiк сканерлеуден кешнгг жасалынган бгрткен нYктелiк булты (кок тYстен цызыл mYCке цapaü нYктелердiц биiктiгi
жогaрылaйды).
«Жaцгырыцmaн» ma3apmy. ТaбиFи нысaндaрды гондолы деректермен бiрге станерлеген кезде rçосымшa эхо-деректер (эртYрлi беттерден шaFылысrçaн сигнaлдaр) тYседi. Б^л «жaнFырьщ» деректерiн эрi rçaрaй тaлдay Yшiн нYктелiк б^лтты eндеyде ^жет емес arçпaрaттaрды жaсaйды. Сонды^ган мандой «жaнFырьщ» деректерiн жою ^жет. Ол Yшiн K¥рылFaн бiрiккен нYкте б^лтында 6í3 тек «жaлFыз» жэне «сощы жaнFырьщты» rçaлдырьm, <^ршшЬ> жэне «^a^a жaнFырьщтaрды» жоямыз. Осылaйшa, эрi rçaрaй eцдеyдiц ец пaйдaды нYктелерi бiрiккен нYктелiк б^лтга ^гады.
Оамджтен жэне ma6rnu емес объекттерден ma3apmy. Ашьщ жерде скaнерлеy кезiнде станер сaндьщ биiктiк моделiн к^рУ Yшiн ^жет емес кeптеген eсiмдiктер мен тaбиFи емес объектiлерден шaFылысrçaн сигнaлдaрды aлaды. Сонды^ган бaFдaрлaмaльщ rçaмтaмaсыз етуд нYктелiк б^лтган e^^y кезiнде, eсiмдiктер фильтршщ опциялaрын rçолдaнa отырып, eсiмдiк жaмылFысын aлып тaстaймыз (4-сурет). ТaбиFи емес нысaндaр бaFдaрлaмaдa подмен жойылaды, эр нысaнды жеке-жеке кесiп тaстaйды. Эсiмдiктер мен тaбиFи емес нысaндaрды тaзaлaFaннaн кейiн, сaндьщ бедердi сaлy тyрaлы деректер Faнa сaкraлaды.
ЭрmYрлi кезецдердегi нYкmелiк бYлmmы сaлысmырмaлы maлдaу. ^ктелш б^лтты эртYрлi кезендерге тaлдay Yшiн бaFдaрлaмaльщ жaсaктaмaдa бiр жобaдaFы эртYрлi кезендерге бiрiккен нYктелiк б^лт
156
шaкырy ^жет. БaFдaрдaмa жобaсындa, оныц швде уяшык мaсштaбындaFы кyрaд, объектшщ бткпп, енi мен узынды^ыныц eзгерyi тyрaлы сaндык мэдiметтердi aдyFa бодaды. Сонымен кaтaр, бiр сyретте эртYрдi кезендерге aрнaлFaн жоспaрды кeрiнiстi, ^дденец жэне бойдык кескiндердi aдyFa бодaды.
a) б)
Сур. 4. Жыраныц 3D модeлiндeгi eciMdiK сигналдарынан тазалау: а -е^мджтн, б - всiмдiктeрдeн тазаланган соц (щызыл mYcme всiмдiктeр).
Бeдeрдiц сандъщ Yлгiсiн щуру. Бодaшaктa БСY куру Yшiн мэлiметтер CY3ricm коддaнып полидaтa куру кaжет. Деректер CYЗгiсiнде 2,5D рaстрдык режимiн тaндaп, 6Í3 полидaтa aлaмыз. Эрi кaрaй aлынFaн полидaтa Дедон триaнгyдяциясы aдгоритмi aркыды Yшбyрыштaлaды. Дедон триaнгyдяциясы тiрек жaзыктыFынa aйнaлдырылFaн шьщдaрдьщ 2,5D координaтaлaрынaн есептедедi. Бул есептеу эдiсi кeдемдi есептеу Yшiн тYсiрiдiм (триaнгyдяция) кезiндегi бедердщ бетш пaйдaдaнaды. Жедшщ эрбiр Yшбyрышы прек жaзыктыкпен бiрге Yшбyрышты призмaны кyрaйды. Призмaлaрдыц бaрдык гадемдершщ косындысы объектшщ жaдпы кeдемiн кyрaйды. Мэдiметтердi триaнгyляциялay нэтижесiнде 6Í3 одaн эрi тaлдay Yшiн жырaныц БСY-iн aдaмыз (5-сурет).
2 жылдыщ бацылау кeзiндeгi шайылган топыращ массасыныц квлeмiн eсeптeу. RiSCAN PRO бaFдaрлaмaсымен есептеу эдiсiне бaйлaнысты нYктедiк бyдттaн (скaнердеy немесе полидaтa нысaндaры) немесе жaсyшaдaрдaн (тек подидaтa нысaндaры) объектшердщ кeдемiн эртYPДi жодмен есептей aлaды.
Бедгiдi бiр кезендеп жырaдaFы шaйыдFaн топырaк кeдемiн ami^ray Yшiн эртYрдi кезецдерге БСY-iн дaйындay кaжет. Бiр жобaдa эртYPДi жылдaрдaFы дaйындaлFaн БСY-iн aшып, кeдемдi есептеу
157
опциясын колдaнa отырып, кубтык бiрдiгiндегi сaндык деректер aлынды (б-сурет).
Сур. 5. 2 жылдагы жыра топырагыныц шайылуын аныщтайтын 3D модeлi: а - 2018 жыл, б - 2017 жыл.
Жaзыктык пен aлынFaн бет aрaсындa ^лем есептедедь БСY-iн гаптеген зерттеудерде, соныц iшiнде геоморфодогиядык зерттеулерде KOддaныдaды. Lin z. З. жэне бaскa дa Faлымдaр eз ецбектервде БСY-iн KOддaнa отырып, кiшiгiрiм тектоникaлык-геоморфологиялык ерекшедiктердi жэне Жaпонияньщ ортaлык тayлaрындaFы кемшiдiктердi aныктaды [7]. Бaскa жyмыстaрдa Faлымдaр БСY тYрiндегi жер бетвдеп дaзердiк станердеудщ нэтижедерiн коддaнa отырып, Kayirni Yдерiстердщ aлдын aдy Yшiн эртYрдi дитодогиядык жыныстaрдьщ беткейдерiндегi жaрыктaрды aныктaды [15]Алынган сандыщ мзлiмeттeр.Myкыр eзенi aцFaрындaFы жырaдык эрозияны зерттеу жырaлaрдыц aдaндык тaрaдyын, одaрдыц eсy жылдaмдыFын, сондaй-aк оныц дaмyыныц бaскa дa себептерiн aныктayFa бaFыттaлFaн. АдынFaн ЖЛС деректерш коддaнa отырып, жекедеген бaкылay yчaскедершщ бойындa Мукыр eзенi aцFaрыньщ екi жыддык БСY-сi жaсaлды. Нэтижедер гарсетш отырFaндaй, осы кодaйды эдю кeмегiмен кaркынды дaмып кеде жaткaн жырaдaрды тез
i5S
aHbi^ran, сaндьщ мэлiметтер aлaды. ЖЛС эдюш rçолдaнy aрrçылы aлынFaн эртYрлi жылдaрдaFы сaндьщ биiктiк модельдершщ тaлдayы непзшде топырarç мaссaлaрыньщ шaйылFaн галемшщ жылдaмдыFы жэне жырa шындaрыньщ ecyi бaFaлaнды.
Сур. 6. Жыраныц 3D модeлiнiц шК квлeмiн анъщтау Yшiн толтырылган
nmiH.
Тaсымaлдaнaтын мaтериaлдьщ кeлемiн жэне жырa шывдaрыньщ биiктiгiн ami^ray Yшiн шектi aйырмaшыльщ эдiсiне негiзделген aнaлитикaльщ шaрaлaр жYргiзiлдi. 2017...2018 жж. зерттелген жырaньщ негiзгi бeлiмiнде шaйылFaн топырa^тыц мeлшерi 85 м Yшiн 132,02 м3 болды (7-сурет). ШaйылFaн жер галемшщ мaцызды ca^^irç деректерi М^ыр eзешнщ aцFaрывдaFы эрозия YДерiстершщ сaлдaры болып тaбылaды. Эрозиялыщ YДерiстерде тесер жaцбыр кезiндегi су энергиясы жырaньщ шывдaры, шеткi rçырлaрын, беткейлерi мен тaльвегтершщ негiзiн шaйып элсiретедi, б^л олaрдьщ морфологиясы мен морфометриясыныц eзгерyiне экелiп соFaды, нэтижесiнде, жырaлы-сaйлы жYЙесшщ eзгерyi мен дaмy динaмикaсын ^шейтедь
159
Сур. 7. 2 жылдагы жыра топырагынъщ шайылуын RiSCANPRO
багдарламасында есептеу нэтижелер1: а - 2018 жыл, б - 2017 жыл.
^орытынды. Орындалган ж^мыстардыц нэтижес - жыралар есушщ сандык морфометрикалык деректерi болып табылады. НYктелiк б^лт тYрiндегi жыралардыц алгаш^ы алынган Yш елшемдi деректерi болашак бакылаулардыц негiзi болып табылады. Непзп учаскеде табиги жагдайлар кешеш мен олардыц езгеруiне байланысты зерттелетш жыралардыц эркайсысыныц есу серпiнi аныкталды. М^кыр езенiнiц ацгарында жыралардыц есуш аныктайтын факторлар субстраттыц механикалык к¥рамы, атмосфералык жауын-шашын (кектемгi су агысы, жазгы несер), тальвег пен беткейлердщ ^зындыгы болып табылады. Алынган материалдар негiзiнде жыралык эрозия М^кыр езеш ацгары бедерiн езгертушi ец каркынды факторы болып табылады деп айтуга мYмкiндiк бередi.
Жыралык эрозия - б^л жердiц едэуiр нашарлауына экелш соктыратын негiзгi факторлардыц бiрi. Салдарынан кептеген ауылшаруашылык жерлерiнiц сапасы жогалып, одан коргауга косымша каржылай шыгындарга экелiп соктырады. Б^л Yдерiстiц каркынды дамуы аймактагы табиFи-антропогендiк ортаныц экологиялык шиеленiсiн арттырады. Жыра жYЙесiнiц есу^ оныц каркынды дамуы ауыл шаруашылы^ы жерлерiнiц сапасын нашарлатады, жол жэне 160
инфракурылым объектшерше ^ауш твндiредi. Соцгы уа^ытта жыралыщ эрозияга ^арсы курес ю-жузвде уйымдастырылмауда, 6ipa^ бул жагымсыз удерютщ экологиялыщ жэне экономикалыщ салдары Му^ыр взешшц ацгарына гана емес, сонымен ^атар квптеген eHiM шыгаратын ауыл шаруашылыщ жерлерi бар бYкiл Жетюу вцiрi Yшiн де мацызды.
Бедер тYзyшi Yдерiстердi зерттеуде ЖЛС эдюш жYЙелi жэне уза^ мерзiмге ^олдану эрозия Yдерiсimц ^ауштшпн ба^ылауга, жер бедершщ ^оршаган ортаныц ^ызмет мен морфометриясыныц ^орытынды сипаттамасын жа^сартуга, сонымен ^атар олардыц дамуын ба^ылауга мYмкiндiк бередi. ЖЛС эдiсi сандыщ деректердi алудыц жэне жыра жYЙесiнiц даму заццыльщтарын аныщтаудыц кец мYмкiндiктерiн ашады. Жогары дэлдiкке ие бул эдю бас^а геоморфологиялыщ YДерiстердi тiркеyге мYмкiндiк бередi.
Зерттеу нэтижелерi жыралыщ эрозия YДерiсiнiц ^ауштшшн багалауга, сондай-а^ бешмделген ^арсы шараларды жоспарлауга жэне юке асыруга жауапты жергiлiктi билiк органдарына сенiмдi мэлiметтер бередi. Алынган нэтижелер инфра^урылымдыщ жэне ауыл шаруашылыгы жумыстарын жоспарлау жэне жYргiзy кезiнде взекп болып табылады жэне жыралыщ эрозияныц таралуына, сондай-а^ ыщтимал ^ауштшпне байланысты жердi ^оргау жвнiндегi iс-шараларды талап етедь
ЭДЕБИЕТТЕР Т1З1М1
1. Республика Казахстан. Том 1. Природные условия и ресурсы / Под ред. Н.А. Искаков, А.Р. Медеу. - Алматы, 2006. - 202 с.
2. Abellân A., Jaboyedoff M., Oppikofer T., Vilaplana J.M. Detection of millimetric deformation using a terrestri-al laser scanner: experiment and application to a rockfall event // Natural Hazards and Earth System Science. 2009. Vol. 9, Issue 2. Pp. 365-372.
3. Atticus E.L. Stovalla, Jacob S. Diamondc, Robert A. Slesakd, Daniel L. McLaughlinc, Hank Shugart. 2019. Quantifying wetland microtopography with terrestrial laser scanning. RemoteSensingofEnvironment 232 (2019).
4. Avian M., Bauer A. First results on monitoring glacier dynamics with the aid of terrestrial laser scanning on Pasterze Glacier (Hohe Tauern, Austria) // Grazer Schriften der Geographie und Raumforschung. 2006. Vol. 41. Pp. 27-35.
5. Bienert A., Maas H.-G., Scheller, S. Analysis of the information content of terrestrial laserscanner point clouds for the automatic determination of forest inventory parameters // Workshop on 3D Remote Sensing in Forestry, 14th -15th Feb 2006, Vienna.
161
6. Forman P., Parry I. Rapid data collection at major incident scenes using three-dimensional laser scanning techniques // Proceedings of 35th International Carnahan Conference on Security Technology, October 16-19,
2001, London, England. Pp. 60-67.
7. Lin Z., Kaneda H., Mukoyama S., Asada N., Chiba T., 2013. Detection of-subtle tectonicegeomorphic features in densely forested mountains by very-high-resolution airborne LiDAR survey. Geomorphology 182 (0), 104-115.
8. Nicholas R Goodwin,John D Armston, Jasmine Muir, Issac Stiller. Monitoring gully change: A comparison of airborne and terrestrial laserscanning using a case study from Aratula, Queensland // Geomorphology. 2017. Vol. 282, Pp. 195-208.
9. Pfeifer N., Lindenbergh R., Rijntjes C. Dune monitoring with terrestrial laser scanning at Egmond beach. Tech-nical report, 2005.
10. Poulton C.V.L., Lee J., Hobbs P., Jones L., Hall M. Preliminary investigation into monitoring coastal erosion using terrestrial laser scanning: case study at Happisburgh, Norfolk // Bulletin of the Geological Society of Norfolk. 2006. № 56. Pp. 45-64.
11. Hobbs P.R.N., Humphreys B., Rees J.G., Tragheim D.G., Jones L.D., Gibson A., Rowlands K., Hunter G., Airey R. Monitoring the role of landslides in 'soft cliff coastal recession // Instability - Planning and Management / McInnes R.G., Jakeways, J. (eds.). Thomas Telford, London,
2002. - Pp. 589-600.
12. Hodge R., Brasington J., Richards K. Analysing laser-scanned digital terrain models of gravel bed surfaces: linking morphology to sediment transport processes and hydraulics // Sedimentology. 2009. Vol. 56, Issue 7. - Pp. 2024-2043.
13. http://riegl.com/[Электронный ресурс].
14. Hunter G., Pinkerton H., Airey R., Calvari S. The application of a longrange laser scanner for monitoring vol-canic activity on Mount Etna //Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2003. Vol. 123, Issues 1-2. - Pp. 203-210.
15. TingCao, AnchengXiao, LeiWua, LiguangMaoc, 2017. Automatic fracturede-tection based on Terrestrial Laser Scanning data: A new method and casestudy. Computers &Geosciences.Volume 106, September 2017. - P. 209-216.
16. Zhen Li, Yan Zhang, Qingke Zhu, Song Yang, Hongjun Li, Huan Ma. Agully erosion assessment model for the Chinese Loess Plateau based onc-hanges in gully length and area // Catena. 2017. Vol. 148. - Pp. 195-203.
Поступила 16.07.2020
162
Е.Е. Халыков Канд. геогр. наук Ю.Ф. Лый
PhD Е.Х. Какимжанов
М.М. Макимбаева Ж.М. Шарапханова
ИЗУЧЕНИЕ ОВРАЖНОЙ ЭРОЗИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ
Ключевые слова: овражная эрозия, овраги, наземное лазерное сканирование, космические снимки, река Мукыр, Жетысу Алатау
Одним из самых быстроразвивающихся методов исследования рельефа земли и других объектов на сегодняшний день является метод наземного лазерного сканирования (НЛС). Эффективность метода наземного лазерного сканирования можно объяснить тем, что за короткий промежуток времени можно собирать много информации и вести мониторинг больших территории исследований. Использование наземного лазерного сканирования в естественных науках и при изучении природы активно развивается в Западной Европе, США и других развитых странах.
В статье описаны основные этапы метода НЛС в изучении оврагов. Высокоточный 3D лазерный сканер RIEGL VZ-4000 был использован для получения подробной цифровой модели оврагов, а полученные данные обрабатывались с применением программы RiscanPro.
В долине реки Мукыр (Алматинская область, район Коксу) в осенний сезон 2017...2019 гг. проводились исследование овражной эрозии с применением метода НЛС и с использованием космических снимков. Большинство оврагов в этой долине растущие, имеющие прирост вершинной и глубинной частей, преимущественно за счет флювиальных процессов. Статья содержит результаты полевых и камеральных исследований методом НЛС. Показаны факторы, способствующие развитию овражной эрозии, приведены морфометрические характеристики оврагов, полученных на основе современных приборов и космических снимков.
Актуальность исследований овражной эрозии в данном регионе определяется потребностями в планировании допустимых нагрузок на природную среду, в экологически безопасном плане. Овражная эрозия наиболее опасна в предгорных и равнинных районах, где в настоящее время площади эродированных земель увеличива-
163
ются, снижается их продуктивность. Результатом проявления овражной эрозии является не только экологический (потеря плодородия), но и экономический ущерб (снижение эффективности сельскохозяйственного производства).
Ye.Ye. Khalykov, Yu.F. Lyy, Y.Kh.Kakimzhanov, M.M. Makimbayeva, Zh.
M. Sharapkanova
STUDY OF GULLY EROSION USING METHOD OF TERRESTRIAL
LASER SCANNING
Key words: gully erosion, gully, terrestrial laser scanner, satellite images, Mukyr river,ZhetysuAlatau
One of the fast developing methods of study of the Earth relief and another objects in the present time is the method of terrestrial laser scanning. Efficiency of the method of terrestrial laser scanning could be explained by the short period of time allowing to collect a lot of information and conduct monitoring of big territories of study. Use of terrestrial laser scanning in natural sciences and by nature study is actively developing in Western Europe, USA and another developed countries.
In the article described the main stages of terrestrial laser scanning by gully erosion studies. High resolution 3D laser scanner RIEGL VZ-4000 was used to receive detailed digital model of the gullies and the data was developed with the use of software RiscanPro.
In the valley of Mukyr river (Almaty region, Koksu district) in the Autumn season of the years 2017...2019 were conducted researches of gully erosion by using method of terrestrial laser scanning and satellite images. The majority of the gullies in this valley are growing and have grows in upper and deep parts and mainly due to fluvial processes. The article contains results of field and laboratory works using method of terrestrial laser scanning. The factors contributing to development of gully erosion are shown and morphometric gully erosion characteristics received on the base of modern devices and satellite images are provided.
Actuality of gully erosion study in this region is determined by needs of planning of allowable loads to the environment in ecologically safe meaning. Gully erosion is most dangerous in piedmont and plain regions where in the present time the areas of erosive lands are increasing and their productivity is decreasing. The result of gully erosion processes is not only ecological (loss of fertility) damage but also economical loss (low efficiency of agricultural sector).
164
