способ картографирования природных переходных зон (экотонов)

Формула изобретения

Способ картографирования природных переходных зон - экотонов разного пространственного уровня в суббореальных ландшафтах, включающий определение широты географических зон на суше по радиационному потоку тепла и радиационному индексу сухости, выделение внутри каждого широтного пояса границ природных зон, соответствующих определенным значениям радиационного индекса сухости, отличающийся тем, что широту границ переходных зон - экотонов между географическими зонами определяют через связь радиационного потока тепла на суше - (R) с нормированной географической широтой суббореального пояса - (x), которая описывается уравнением энергетического баланса географических зон, выраженным логистической функцией R=A/[1+0,72exp(4,25-Bx)]+C, где A - коэффициент радиационного потока тепла, B - коэффициент зональности, C - минимальный годовой радиационный поток тепла, причем за ноль нормированного широтного диапазона принята широта 90°, а за единицу - широта 0° экватора, при этом картографирование границ переходных зон - экотонов между географическими зонами осуществляют следующим образом: по нулевому значению второй производной определяют широту центра экотона первого пространственного уровня, а по ее экстремумам - широту нижней и верхней границ экотона первого пространственного уровня, по нулевым значениям третьей и последующих производных устанавливают широты центров межзональных экотонов соответствующего пространственного уровня, по экстремумам этих производных определяют широту границ переходных зон - экотонов и выделяют их широтный диапазон, после чего наносят на картографическую основу линии, соответственно соединяющие полученные значения широт одноименных границ и центров, отображая положение переходных зон - экотонов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области картографирования, в частности к картографированию природных ландшафтных зон

Из литературных источников [1, 2, 3, 4] известны методы исследования экосистем, в частности природных зон, здесь приведены статистические данные и аналитические зависимости, описывающие взаимосвязи компонентов ландшафтов и распределение их по географическим зонам, в которых природные условия, обуславливающие эти экологические составляющие, сохраняют многие общие черты и заметно изменяются от зоны к зоне [1, стр.139], влияние на влагооборот [1, с.131-138], радиационный баланс [1, стр.67, 94, 142,], [2, с.198-204]. Здесь выделяют четыре типа географической среды, относящиеся к различным широтным поясам - экваториальный, тропический, умеренный, арктический. Характерным для всех поясов является наличие природных зон, отличающихся друг от друга радиационным потоком тепла и количеством выпадающих осадков. Различные сочетания тепла и влаги, например, в умеренном поясе, соответствует различным типам растительного покрова: - тундре, лесотундре, хвойным, смешанным и лиственным лесам, лесостепи, степи, полупустыне, пустыне. Концепция экотонов, как пограничных переходных зон с нестабильным состоянием, обусловленным высоким градиентом изменения природной (физической) среды, играет важную роль в описании пространства, а выделение в суббореальных ландшафтах позволит установить их границы.

Из литературного источника [1, стр.145] известен периодический закон географической зональности, устанавливающий связь географических зон с радиационным балансом земной поверхности и радиационным индексом сухости, где отмечается, что внутри каждого широтного пояса существует соответствие границ природных зон определенным значениям радиационного индекса сухости IR=R/Lr, где R - радиационный поток тепла, L - скрытая теплота испарения, r - годовые осадки. Недостатком данного закона является то, что не учитывается внутризональное разнообразие ландшафтов - форма и экспозиция склонов, наличие водоемов, растительного покрова, которые оказывают существенное влияние на радиационный индекс сухости каждого конкретного ландшафта.

Из литературного источника [2, стр.223] известно, что годовые осадки, согласно периодическому закону географической зональности, постоянные для больших площадей, недостаточно тесно коррелируют с фактическим увлажнением почвы отдельных угодий, в связи с чем, рекомендуется изменение формулы IR=R/Lr введением поправок, учитывающих дополнительное увлажнение, а также изменение радиационного баланса в зависимости от экспозиции склона. Недостатком этого подхода является отсутствие количественной оценки взаимосвязи индекса сухости и морфоструктур ландшафта.

Из литературного источника [3, стр.157-163] известен метод измерения экотонов по аэрокосмическим фотоснимкам, которое осуществляется с помощью денсиметрических трасс, протянутых поперек них. Эти трассы представляют собой регистограммы оптической плотности негативного изображения. Последующий анализ регистограмм по негативам аэрофотоснимков характеризует черты экосистемных границ. Резкость границы (g) определяется шириной зоны перехода (l) и деталиметрическим разрешением представления экотона на снимке (r): g=r/l. Недостатком этого метода является то, что экотоны выделяются по формальным признакам.

В литературном источнике [4, стр 41] приведена разработанная на основании информационно-картографического анализа пространственной сопряженности полиноминальная зависимость распределения групп видов ландшафтов по экотону от суммарной годовой радиации, годовой суммы осадков, типа морфоструктур и морфоскульптур и гранулометрического состава почвообразующих пород. Недостаток данного подхода заключается в том, что моделирование общей позиционной упорядоченности ландшафтов осуществляется без выделения границ экотонов.

Известен способ комплексного картографирования природной среды при котором используют N>1 соответствующих одному и тому же периоду времени одномасштабных карт исследуемой территории, каждая из которых включает совокупность контуров отображающих территориальное распределение определенного компонента природной среды или соответствующих природных ресурсов, накладывают друг на друга взаимоориентированные совокупности контуров всех используемых карт, выделяют в полученном изображении участки, являющиеся замкнутыми и не имеющими внутренних границ областями, в пределах каждого такого участка идентифицируют параметры компонентов среды и параметры природных ресурсов, выделяют группы однотипных участков, характеризующихся заданной степенью сходства параметров, регистрируют полученное изображение и соответствующую ему параметрическую информацию (Патент RU 2036516, G09B 29/00, G01C 11/00 опубликован 27.05.1995). Недостатком такого способа является использование в качестве источника информации уже разработанных одномасштабных карт, которые утрачивают часть данных при масштабировании и генерализации.

Задачей изобретения является картографирование переходных зон (экотонов) разного пространственного уровня в суббореальных ландшафтах.

Сущность изобретения заключается в картографировании переходных зон (экотонов) разного пространственного уровня в суббореальных ландшафтах, включающем определение широты географических зон на суше по радиационному потоку тепла и радиационному индексу сухости, выделение внутри каждого широтного пояса границ природных зон, соответствующих определенным значениям радиационного индекса сухости, при этом, широту границ переходных зон (экотонов) между географическими зонами определяют через связь радиационного потока тепла на суше - (R) с нормированной географической широтой суббореального пояса - (x), которая описывается уравнением энергетического баланса географических зон, выраженным логистической функцией R=A/[1+0,72exp(4,25-Bx)]+C, где A - коэффициент радиационного потока тепла, B - коэффициент зональности, C - минимальный годовой радиационный поток тепла, причем за ноль (0) нормированного широтного диапазона принята широта 90°, а за единицу (1) широта 0° (экватора), при этом картографирование границ переходных зон (экотонов) между географическими зонами осуществляют следующим образом: по нулевому значению второй производной определяют широту центра экотона первого пространственного уровня, а по ее экстремумам - широту нижней и верхней границ экотона первого пространственного уровня, по нулевым значениям третьей и последующих производных устанавливают широты центров межзональных экотонов, соответствующего пространственного уровня, по экстремумам этих производных определяют широту границ переходных зон (экотонов) и выделяют их широтный диапазон, после чего наносят на картографическую основу линии, соответственно соединяющие полученные значения широт одноименных границ и центров, отображая положение переходных зон (экотонов).

Способ реализуется следующим образом. Зависимость радиационного потока тепла на суше - (R) с нормированной географической широтой суббореального пояса (x) для модельной поверхности суши, представляющей собой часть сферы, описывают уравнением энергетического баланса географических зон, выраженным логистической функцией

R={A/[1+0,72exp(4,25-Bx)]}+C,

где A - коэффициент радиационного баланса, МДж/м²кг; B - коэффициент зональности; C - минимальный годовой радиационный поток тепла, МДж/м² кг

Для северного полушария в широтном диапазоне от 0 до 90° (x=1 0) параметры A=2,81; B=8,51; C=0,28.

Выделение переходных зон (экотонов) разного пространственного уровня в суббореальных ландшафтах проводят на основании анализа производных логистической функции, при этом количество производных определяется количеством существующих природных ландшафтных зон.

Логистическая кривая имеет точку перегиба, соответствующую максимуму первой производной, в момент перехода возрастающей скорости процесса в убывающую. Анализ производных позволяет установить значения широт характеризуемых изменениями радиационного потока тепла.

На фиг.1 представлена первая производная R'(x), которая определяет скорость изменения радиационного потока тепла и имеет максимум, характеризующий ее переход от нарастания к убыванию, что позволяет установить широтный центр экотона.

На фиг.2 представлен вторая производная R''(x,), которая характеризует ускорение процесса и в точке перегиба функции R(x) вторая производная равна нулю. Она достигает максимума и минимума в точках перегиба функции R'(x). Значения широты в точках экстремумов соответствует границам зоны перехода.

На фигуре 3 представлена третья производная R'''(x), а также четвертая пятая, шестая, седьмая и последующие (фиг.3), которые используются для выделения межзональных экотонов с установлением их географических координат. Производные в точках перехода равны нулю и соответствуют координатам центра экотона определенного пространственного уровня, а максимумы и минимумы соответствуют их границам.

На основании уравнения радиационного баланса в логистической форме осуществляют выделение границ переходных зон с устойчивыми, малоустойчивыми и неустойчивыми экосистемами, как показано на фиг.4.

Литература

1. Будыко М.И. Глобальная экология. М: Мысль, 1977, 327 с.

2. Арманд Д.Л. Географическая среда и рациональное использование припродных ресурсов. М.: Наука, 1983, 240 с.

3. Виноградов Б.В. Основы ландшафтной экологии. М.: ГЕОС, 1988, 418 с.

4. Коломыц Э.Г. Зонально-поясной экотон в системе больших равнинных водосборов (на примере Волжского бассейна). В сб. Экотоны в биосфере. М.: РАН, 1997. С.34-50.