Цифровое моделирование рельефа как первый этап выявления мест возможного размещения центров горнолыжного туризма в Республике Мордовия

Мордовия заслуженно имеет славу спортивной республики. Она входит в число четырех лучших регионов России по развитию массового физкультурного движения. Основой этих достижений стали республиканский закон «О физической культуре и спорте» и более десяти Указов Главы и Постановлений Правительства Мордовии, создавшие условия как для высших спортивных достижений, так и развития массового физкультурного движения, «спорта для всех». Тем не менее, массовым спортом в Мордовии охвачено пока не более 15% населения. Немаловажную роль в этом играет приуроченность большей части спортивных сооружений к столице республики или крупным районным центрам. Так, единственный Региональный центр по зимним видам спорта, включающий лыжный стадион с биатлонным комплексом (лыжно-биатлонный центр Республики Мордовия) и функционирующее на его базе Автономное учреждение дополнительного образования «Региональный центр – специализированная детско-юношеская спортивная школа олимпийского резерва по зимним видам спорта Республики Мордовия» расположены в Саранске. В то же время, в республике имеется значительное количество мест, не в меньшей степени пригодных для развития массового горнолыжного спорта и туризма.

Анализ спроектированной, разработанной и построенной нами карты регионов России с развитыми центрами горнолыжного спорта и туризма (рис. 1) выявил парадоксальную ситуацию: Мордовия (как, кстати, и другие финно-угорские регионы), имея значительную долю представителей коренной титульной нации с традиционным занятием (особенно для северных регионов) зимними видами спорта, не относится к числу таких субъектов.

Рис. 1. Регионы России с развитыми центрами горнолыжного спорта и туризма.

Как и любая территория, Республика Мордовия с методологических позиций может быть представлена в виде сложной территориально-общественной геосистемы, единства взаимодействия компонентов ландшафтно-экологического и социально-экономического комплекса «природа – население – хозяйство» [9; 10]. Ее частным локальным проявлением могут быть признаны горнолыжные комплексы и горнолыжные центры, результаты исследования которых в виде выявленных характеристик и взаимосвязей, пригодных для решения практических задач управления, могут быть отображены в серии геоинформационно-картографических моделей. Картографический метод исследования, как один из важнейших традиционных методов в науках о планетах Солнечной системы, Земле и человеческом обществе, находит широкое и многоплановое практическое применение. Использование карт для познания изображенных на них явлений и процессов подразумевает изучение структуры, взаимосвязей, динамики и эволюции объектов, явлений и процессов во времени и пространстве, прогноз их развития, получение их различных качественных и количественных характеристик.

Исследование территорий и комплексов различной природы и их отдельных компонентов, предполагает также и широкое использование количественных методов их интерпретации, выраженных в исследовании закономерностей пространственной дифференциации этих систем, их компонентов и свойств, анализе связей между ними. Основным методом изучения многообразных связей и закономерностей признан математический анализ [6], а его важной особенностью является сочетание с традиционными картографическими методами [10]. Сегодня все большую популярность получило тематическое картографирование и математико-картографическое моделирование окружающей среды для различных целей [3–10], (включая спортивную и туристско-рекреационную деятельность [1; 2 и др.]), позволяющее получать полную количественную и качественную информацию по исследуемым объектам, процессам и явлениям.

С конца прошлого и, особенно, с начала нынешнего века, интерес к изучению различных территориальных систем существенно возрастает именно в связи с лавинообразным развитием компьютерной обработки изображений, систем автоматизированного картографирования, географических информационных систем (ГИС) и геоинформационных технологий. Управление горнолыжными комплексами и горнолыжными центрами на основе картографирования предполагает обработку и анализ больших массивов данных – как о состоянии их природного блока [8; 9], так и об особенностях всестороннего практического использования. При оперировании этой информацией наиболее приемлемым и оправданным с разных точек зрения является проектирование, разработка и создание соответствующих геоинформационных систем разных уровней и направленности, в которых в разнообразных видах (картографическом, графическом, текстовом и др.) представляется и визуализируется выходная информация максимально полных банков исходных данных [3–5; 7–10].

Для определения мест, в максимальной степени соответствующим требованиям размещения горнолыжных комплексов и горнолыжных центров, было решено использовать возможности цифрового моделирования рельефа и геоинформационно-картографического анализа полученных цифровых моделей рельефа (ЦМР) и их производных.

Под ЦМР понимается математическое представление (модель) участка земной поверхности, полученное путем обработки данных о высотном положении [3; 5; 7]. Методика и технология построения ЦМР разных масштабных уровней на базе разнообразного программного обеспечения достаточно хорошо апробирована как для территории исследуемого региона [7], так и для ряда других [3; 8 и др.].

Для определения на базе ЦМР участков, потенциально пригодных для размещения горнолыжных центров, нами были использованы возможности, предоставляемые ГИС ArcView и ArcGIS. Исходная цифровая основа была представлена точечной темой отметок высот и урезов воды на территорию Республики Мордовия масштаба 1:200 000 в формате shp ГИС ArcView [7]. В качестве одного из методов интерполяции был определен Inverse Distance to a Power (обратно-взвешенных расстояний, IDW, ОВР), основанный на взвешивании точек таким образом, что влияние известного значения затухает с увеличением расстояния до неизвестной точки, параметры которой необходимо определить. Взвешивание присваивается исходным точкам со значениями абсолютной высоты на основе коэффициента взвешивания, контролирующего, как влияние точки будет уменьшаться с увеличением расстояния до нее. Чем выше коэффициент взвешивания, тем меньше будет эффект, оказываемый точкой. По мере возрастания коэффициента значение неизвестной точки будет приближаться к значению ближайшей точки с известным значением [1; 3; 5].

Метод интерполяции IDW (как, впрочем, и другие) не лишен недостатков. Так, качество получаемых результатов может достаточно существенно снизиться, если распределение исходных точек данных с известными значениями будет иметь неравномерный характер. Кроме того, экстремальные (максимальные и минимальные) значения интерполированной поверхности могут быть зафиксированы только в точках исходных данных, что нередко приводит к небольшим пикам и углублениям вокруг них (артефактам). В связи с этим, метод IDW может быть использован в случаях, когда множество точек с исходными данными является достаточно плотным для выявления степени локального изменения отображаемой поверхности [1; 3; 5].

Использование метода IDW в нашем случае позволило получить корректную цифровую модель рельефа (рис. 2), когда экстремальные значения отметок абсолютной высоты рельефа полученной модели совпали с действительными значениями высоты на местности. Кроме того, автоматическое создание ЦМР на основе метода IDW позволяет получить наиболее оптимальную для существующей в пределах исследуемой территории степени вертикального расчленения местности шкалу высот [1].

Рис. 2. Цифровая модель рельефа Республики Мордовия.

Алгоритм построения ЦМР в ГИС ArcGIS включал такие технологические этапы, как:

• -    подгрузка исходных данных для ЦМР (точечные и полилинейные векторные данные в виде отметок высот, урезов воды, горизонталей);

• -    выполнение работы в ArcToolbox: «Инструменты 3D Analyst» -> «Интерполяция растра» -> «Топо в растр»;

• -    выбор ранее подгруженных слоев в качестве входных данных -> выбор значений высоты «HV» в колонке «Поле», выбор в колонке «Тип» для слоев урезов воды и отметок высот PointElevation, для слоя с горизонталями - Contour ^ определение размера входной ячейки (значение 50);

• -    осуществление настройки высоты сечения рельефа.

Полученная цифровая гипсометрическая модель рельефа территории Республики Мордовия и прилегающих районов (в пределах соответствующих листов топографической карты масштаба 1:200 000) после выполнения необходимых дополнительных настроек и корректирования, представлена на рисунке 2.

Таким образом, начальный подготовительный этап комплексного изучения особенностей территории Республики Мордовия, применительно к выбору наиболее оптимальных мест размещения горнолыжных комплексов и горнолыжных центров, позволил разработать структуру и создать базу данных, получить различные варианты ЦМР, провести оценочные работы с получением качественных и количественных характеристик рельефа и составлением аналитических картосхем с результатами оценок.

Для получения производных карт, использованных на следующем этапе исследований для определения потенциальных и отбора наиболее оптимальных по разным показателям пригодности участков размещения горнолыжных комплексов и горнолыжных центров, были использованы возможности расширений базовых ГИС ArcView и ArcGIS «Spatial Analyst» и «3D Analyst». Этот этап включал построение карт уклонов и экспозиции склонов в ArcToolbox:

• -    проведение работы в ArcToolbox: «Инструменты Spatial Analyst» ^ «Поверхность» ^ «Уклон/Экспозиция»;

• -    использование в качестве входного растра ЦМР, построенной на предыдущем шаге;

• -    осуществление настройки полученных карт уклонов и экспозиции склонов.

Соответствующие цифровые модели на всю территорию республики и прилегающие районы, полученные после выполнения необходимых настроек и корректирования, представлены на рисунке 3.

Далее с целью отбора допустимых и недопустимых (пригодных и непригодных для размещения горнолыжных комплексов, и горнолыжных центров) значений величин уклонов и экспозиции склонов нами были выполнены операции переклассификации (реклассификации) и оверлея (наложения, пересечения) слоев [3; 5].

Переклассификация и конвертирование в векторные данные так же выполнялись с использованием ArcToolbox:

• -    работа в ArcToolbox: «Инструменты Spatial Analyst» ^ «Переклассификация»;

• -    создание двух классов: допустимые (2) и недопустимые (1) значения уклона и экспозиции;

• -    работа в ArcToolbox ^ «Конвертация» ^ «Растр в полигоны», где в качестве входного растра используются переклассифицированные слои;

Пересечение производилось с использованием инструментария геообработки:

• -    Геообработка ^ «Пересечение»;

• -    входные объекты представлены полигональными данными по благоприятным (допустимым) значениям величин уклонов и экспозиции склонов.

В качестве допустимых (благоприятных) величин крутизны склонов в соответствии с литературными данными отбирались показатели средней крутизны более 12°, экспозиции склонов – участки с северной составляющей (северо-восток, север, северо-запад) и северные, а также учитывалась площадь наиболее подходящих участков (свыше 0,3 км2, что является минимальным показателем для организации горнолыжного центра).

Привлечение на следующем этапе социально-экономических показателей – данных по транспортной доступности и дорожной сети (железным и автомобильным дорогам)

позволило получить приведенную на рисунке 4 модель 37 мест возможного размещения центров горнолыжного туризма.

Б

Рис. 3. Цифровые модели углов наклона (А) и экспозиции (Б) склонов Республики Мордовия.

Анализ созданной модели потенциально пригодных для размещения центров горнолыжного туризма участков показал, что сообразно особенностям рельефа республики (см. рис. 1, 2) их подавляющая часть (89,2%) расположена в ее восточной части.

Рис. 4. Цифровая модель мест возможного размещения горнолыжных центров в Республике Мордовия.

Полученные на основе комплексного ГИС-анализа ЦМР производные геоинформационно-картографические модели могут найти широкое применение в организации планирования и размещения, создаваемых геосистем рекреационной направленности (от отдельных комплексов и центров до целых туристско-рекреационных зон) и управления ими, решая, в конечном счете, так же задачи оптимизации регионального природопользования, включая рациональное использование земельных ресурсов региона.