Геоинформационная система оценки состояния инженерных сооружений защиты территорий от подтопления

Шишкин, Илья Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Геоинформационная система оценки состояния инженерных сооружений защиты территорий от подтопления
ВАК РФ 25.00.35, Геоинформатика

Автореферат диссертации по теме "Геоинформационная система оценки состояния инженерных сооружений защиты территорий от подтопления"

Шишкин Илья Александрович

ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ЗАЩИТЫ ТЕРРИТОРИЙ ОТ ПОДТОПЛЕНИЯ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 25.00.35 — Геоинформатика

не: ;;•/:!

Санкт-Петербург - 2014

005548121

Работа выполнена на кафедре информационно-измерительных систем и технологий ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» (СПбГЭТУ)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Алексеев Владимир Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ведущая организация: Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН

Защита состоится 03 июня 2014 в 15.30 часов на заседании диссертационного совета: Д 212.197.03 при Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу: 195196, г.Санкт-Петербург, пр. Металлистов, д.З, аудитория. 102.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета.

Автореферат разослан _2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.197.03

заведующий кафедрой водохозяйственного и гидротехнического строительства Инженерно-

строительного института Санкт-Петербургского государственного политехнического университета

Арефьев Николай Викторович

кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры картографии и геоинформатики Санкт-Петербургского государственного университета Паниди Евгений Александрович

доктор географических наук, доцент

Попова Е. С.

Общая характеристика работы

Актуальность. Одной из важнейших задач развивающихся территорий, особенно в районе крупных городов, является создание и поддержание заданного водного режима, обеспечение нормативного водного баланса в различных ситуациях, в условиях природных и техногенных воздействий. Данную задачу предназначены решать инженерные сооружения (ИС) системы защиты территории от подтопления (СЗТП). В развивающихся промышленных районах, особенно в районе крупных городов изменяется уровень урбанизации территории. Сельскохозяйственные территории занимаются промышленными предприятиями, жилыми массивами, техническими и другими сооружениями. При этом принципы построения и функционирования ИС СЗТП меняются в значительной степени. Особенно важным является сохранение режимов работы существующей СЗТП сельскохозяйственной территории, когда в нее внедряется городская или производственная технология регулирования водного баланса. Поэтому создание системы мониторинга и оценки состояния ИС СЗТП, контролирующей и сопровождающей все работы жизненного цикла таких сооружений, системы поддержки управленческих решений является актуальным.

Географические информационные системы (ГИС) являются эффективным средством решения указанных проблем. Использование географических информационных систем, как систем предназначенных для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных, обеспечивает эффективное решение задач поддержки принятия управляющих решений. ГИС технологии являются удобным инструментом при решении задач районирования территорий, оценки состояния территории, описания системы водопользования и водного баланса территории, описания ее свойств в зависимости от целевого назначения и применения. ГИС имеют развитые средства, позволяющие формировать модель СЗТП, описывающую ее структуру, входящие в ее состав ИС, описывать их характеристики в виде геоданных, определять по результатам контроля оценки состояния ИС, которые могут являться многопараметрическими сложными характеристиками, а также осуществлять прогнозирование изменения их состояния на основании сформированных моделей. Использование основных преимуществ ГИС -автоматизация обработки, анализа и представления данных, обеспечивает возможность построения эффективной системы поддержки принятия управленческих решений.

Целью данной работы является разработка алгоритмического обеспечения и методик формирования ГИС-проектов, обеспечивающих автоматизированное получение оценок состояния территорий и инженерных сооружений (ИС) системы

защиты территорий от подтопления (СЗТП) на основе данных контроля и инвентаризационных обследований.

Для достижения поставленной цели автором решались следующие задачи:

1. Анализ возможностей представления структуры СЗТП в ГИС-технологии, с целью обеспечения автоматического определения и анализа их характеристик.

2. Создание модели представления результатов инвентаризации для получения оценок состояния ИС СЗТП, включающей результаты контроля и значение неопределенности, координаты точки контроля в пространстве и времени, расчетную и контрольно-методическую информацию, и обеспечивающей получение достоверных результатов анализа в автоматическом режиме.

3. Разработка алгоритма формирования простых и сложных оценок по результатам измерений и экспертных оценок, методики формирования комплексной оценки на основе ГИС.

4. Разработка методики проведения районирования по естественным, административным и расчетным характеристикам на ГИС основе, позволяющей автоматизировать определение состояния территорий и степени опасности от подтопления.

5. Разработка методики ранжирования ИС СЗТП по степени опасности, возможному нанесенному ущербу от затопления территорий.

6. Разработка методики поддержки принятия управленческих решений, наиболее эффективного вложения средств на ремонт и реконструкцию инженерных сооружений.

7. Разработка методики формирования геоинформационных проектов оценки состояния ИС СЗТП, ранжирования ИС СЗТП по степени опасности, поддержки принятия управленческих решений.

Объект исследований. Географические информационные системы оценки состояния ИС СЗТП и поддержки принятия управленческих решений и их алгоритмическое обеспечение.

Предмет исследований. Развивающиеся территориальные системы и ИС

СЗТП.

Методы исследования. При решении поставленных задач применялись методы теории вероятностей, статистические методы обработки данных, математические методы аппроксимации и методы метрологического анализа, методы геоинформационного моделирования.

Научная новизна определяется тем, что впервые разработано алгоритмическое обеспечение и методики формирования ГИС-проектов на основе нормированных шкал для получения оценок состояния ИС СЗТП и поддержки принятия

управленческих решений, которые являются основой положений выносимых на защиту:

•методика проведения районирования по естественным, расчетным и реальным характеристикам на ГИС основе, позволяющая автоматизировать определение состояния территорий и степени опасности от подтопления;

•методика формирования структуры ИС СЗТП в виде дерева или сети, имеющих однозначное описание в ГИС-технологии, учитывающая организацию баз геоданных и обеспечивающая автоматизацию проведения анализа их характеристик;

•алгоритм формирования простых и сложных оценок по результатам измерений и экспертных оценок, состояния территории и инженерных сооружений на основе ГИС, удовлетворяющий требованиям единства измерений и обеспечивающий автоматизированное решение поставленной задачи;

•методики формирования геоинформационных проектов, обеспечивающих получение оценок состояния ИС СЗТП и их ранжирование по степени опасности в автоматическом режиме.

Практическая значимость. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при разработке:

• методики ранжирования ИС СЗТП по степени опасности, возможному нанесенному ущербу от подтопления территорий;

• методика поддержки принятия управленческих решений, наиболее эффективного вложения средств на ремонт и реконструкцию инженерных сооружений;

• геоинформационных проектов оценки состояния ИС СЗТП, оценки риска и возможного нанесенного ущерба от подтопления территории, ранжирования ИС СЗТП по степени опасности, поддержки принятия управленческих решений.

Внедрение и реализация результатов работы. Достоверность и обоснованность научных и практических положений и рекомендаций подтверждены результатами геоинформационного моделирования и экспериментальных исследований, а также полученными оценками состояния ИС СЗТП и результатами внедрения.

Результаты диссертационного исследования использованы при разработке методологии формирования оценок состояния природных и технических объектов при выполнении НИР 2011-2012 гг, при обучении магистров в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» по дисциплине «Обработка пространственных данных», в научной и практической деятельности в Санкт-Петербургском государственном казенном учреждении «Мелиоративная система Санкт-Петербурга», ГУП «Экострой» и ГУП «Ленводхоз», что подтверждено актами внедрения.

Апробация работы.

На практической конференции «Проблемы прогнозирования и предотвращения

чрезвычайных ситуаций и их последствий» (СПб, межотраслевой конференции «Организация системы

ресурсами и повышением эффективности экологическое безопасности (СПб, 2004г),

Научно-практической конференции «Проблемы прогноз чрезвычайных ситуаций и их последствий» (СПб, 2С

2003 г), Международной управления природными

ярования и предотвращения 06г.), Научно-практической

конференции «Молодые ученые университета - ЛПК России» (СПб, 2006г.), Научно-практической конференции «Наукоёмкие и инновационные технологии в решении проблем прогнозирования и предотвращение чрезвычайных ситуаций и их последствий» (СПб, 2008г.), XVI межотраслевой международной конференции «Допустимое воздействие на окружающую среду и совершенствование системы экологической безопасности» (СПб, 2008г.), IV Международный конгресс «Цели развития тысячелетия» и инновационные принципы устойчивого развития арктических регионов» (СПб, 2011г.), Международном и межрегиональном Биос форуме (СПб. 2012г), МНТК «Наукоемкие и инновацио иные технологии в решении проблем прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий» (СПб, 2011-2013 гг.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 38 работ, в том числе 3 статьи в ведущих журналах и изданиях, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора. Все результаты, представленные в работе, получены соискателем лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, включающего 129 наименований, а так же приложений. Основная часть работы изложена на 137 страницах машинописного текста. Работа содержит 44 рисунка и 32 таблицы.

Содержание работы

Во введении обоснована важность и актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, отражена научная новизна, изложены положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ проблемы оценки сос средств их представления и описания в ГИС-технологш оценки состояния территорий и ПС и управления СЗТП, технических сооружений в виде ГИС-объектов.

На рисунке 1 представлена структура геоинфориационной системы оценки состояния ПС СЗТП, на которой перечислены решаемые процессе решения рассматриваемой проблемы.

ояния и управления СЗТП, :» рассматриваются вопросы представления территорий и

задачи их взаимодеиствие в

Интерфейс специалиста

Формирование основы ГИС

Получение данных контроля

Выполнение ГИС-проектов

Представление результатов

Методики, алгоритмы, программы

Районирование территорий

Контрольные измерения

Оценка состояния территории

1Г"

Определение структуры СЗТП

Ж г

Экспертные оценки

Ж Г

Оценка состояния ИС

Оценка риска и возможного ущерба

Ранжирование ИС по степени опасности

База геоданных

ТГ

Слои харак-' теристикТС и ИС СЗТП

Слои нормированных оценок

Оценки состояния ТС и ИС СЗТП

Результаты ранжирования

Рисунок 1. Структура геоинформационной системы оценки состояния ИС СЗТП.

Выделены основные принципы районирования территорий: по существующему водосбору (природной системы водосбора), по принадлежности (ответственного пользователя), по степени урбанизации (риска от подтопления). Так как анализируемая территориальная система (ТС) может находиться как в пределах одной системы водосбора, так и нескольких, она может быть представлена в виде совокупности одной или нескольких географических территориальных систем:

О* = {к,Оь к2С2, ...,к,Оь ...}, (1)

где в* - анализируемая ТС, - естественные географические системы водосбора (ГеТС), 1 > 1, коэффициент к} отражает тот факт, что ТС Б* размещается на части ГеТС в,, к;< 1.

Аналогично исследуемая ТС может быть представлена как совокупность административных подсистем или подсистем по принадлежности.

Районирование по степени риска от подтопления (уровню урбанизации) направлено на представление ТС как совокупности более мелких подсистем (цк): в* = {ёь 82, ■••, ёк, ••■}• Для каждой подсистемы с большой достоверностью может быть определена степень урбанизации о\.

В этом случае для каждой выделенной подсистемы в соответствии с ее целевой функцией может быть произведен расчет требуемых характеристик системы

водоотвода §к = {(0кь сок2, сою, • ••> ©кш} и получена обобщенная характеристика Ов1(=8иМт{а)1(Ь юк2, сокз, ..., шкт}, где 8иМк - оператор суммирования отдельных характеристик составляющих подсистем ТС: шк!, шк2, юкз, ••■, м^л- Для каждой подсистемы можно, с большой достоверностью, определить ее класс £к = {со'к}- Вся система может быть представлена как совокупность выделенных подсистем.

В работе разрабатывается принцип представления СЗТП в виде объектов ГИС. СЗТП включает в себя ряд ИС, каждое из которых выполняет определенные функции и может быть охарактеризовано некоторым множеством параметров (технических и технологических требований к его функционированию). В состав СЗТП входят мелиоративная сеть, каналы, колодцы, трубопереезды и др., которые организуют определенную схему сбора и отведения воды с анализируемой территории и описывается своими характеристиками.

На основании анализа свойств основных составляющих структуры СЗТП, определен принцип ее представления удобный для анализа в геоинформационной технологии. Определены древовидная и сетевая структуры. На рисунке 2 приведен пример древовидной структуры СЗТП.

Рисунок 2. Древовидная структура СЗТП На рисунке 2 устье магистрального канала (МК) представлено как створ Ст-0. Створы магистрального канала МК, на которых в канал впадают (расположены устья) средние каналы (канал средний - КС) соответственно КС1 (Ст-1), КС2(Ст-2) , КСЗ (Ст-5). Устья каналов мелиоративной системы MCI (Ст-3, Ст-4, Ст-6).

При описании состояния канала используются как расчетные значения характеристик, так и значения, полученные в результате измерений или экспертных оценок, полученные в процессе обследований во время проведения

инвентаризационных работ. В табл. 1. приведен пример описания структуры, показанной на рисунке 2. В таблице «Ст.П.КО» означает: на уровне данного створа на правом берегу МК находится устье канала КС1, «Ст.Л.КС2» означает: на уровне данного створа на левом берегу МК находится устье канала КС2 и т.д.

Для каждого створа на ГИС основе определены: условия формирования стока, требуемая (расчетная) пропускная способность в контрольных створах, мостовых и трубопереездах.

Оценка состояния канала в каждом створе производится на основании сравнения расчетных параметров и текущих значений параметров, полученных в результате измерений и обследований.

Таблица 1

Наименование канала: МК.

Номер створа, Ст-№ Обозначение Расстояние до устья,м Ширина проектная/ реальная, м Глубина проектная/ реальная, м Оценка состояния, балл

0 Ct.O.KMI 0 5/5 2/2 100

1 Ст.П.КС1 800 5/4.5 2/1.2 60

2 Ст.Л.КС2 1200 5/4.5 2/1.2 60

3 Ст.П.МС1-1 1300 5/5 2/2 100

4 Ст.П.МС1-2 1600 5/5 2/2 100

5 Ст.Л.КСЗ 1700 5/4.0 2/1.0 50

6 Ст.П.МС1-3 1900 5/4.5 2/1.2 60

7 Ст.П.КМ! 2100 5/4.5 . 2/1.2 60

Во второй главе «Разработка алгоритмов формирования оценок состояния территорий и инженерных сооружений» рассмотрены алгоритмы получения простых и сложных оценок на базе нормированных шкал на ГИС основе. Показано, что одним из основных показателей ТС является водный баланс, который определяет условия существования и развития системы. Выделены основные характеристики водного баланса территории: естественные, проектные, реальные.

Основными характеристиками ТС являются: площадь водосбора о>1 = 8, м2; количество осадков ш2 = +У, мм в год; количество испарений Шз = -V, м3/м2 в год; естественный отвод воды со4 = -V, м3/год; искусственный отвод воды ш5 = -V, м3/год; характеристика состояния территории ш6: ю61 - осушено Б, м2; ю62 - подтоплено Б, м2; ш6з - заболочено 8, м2; ю64 - поле 8, м2; ю65 - кустарники Б, м2; а66 - лес 8, м2; 0)61 -асфальтобетонное покрытие 8, м2.

Таким образом, каждая ТС характеризуется множеством параметров

Gn = {ю„1, ю„2, Шпз, ranm},

где n - номер естественной ТС, m - номер параметра (характеристики ТС).

В этом случае характеристика анализируемой ТС G* будет описываться как G*= {k|Gi={coi 1, со12, con, ..., Wim}, k2G2={co2i, ю22, ш23, ..., co2m}, k3G3={co3,, ю32, и33, ..., co3m}, ...} в соответствии с (1).

Проектные характеристики определяются исходя из целей использования анализируемой ТС, перспектив развития ТС. К ним отнесены: уровень урбанизации территории ш7 = Sy/SG» и уровень подтопления <в8 - hlrr, м.

Реальные характеристики устанавливаются в результате обследования территории специалистами-экспертами. Они направлены на оценивание состояния территории и как следствие состояния СЗТП.

Оценка состояния территории ю 6 формируется на базе измерений и экспертных оценок (обследований); оценка уровня урбанизации территории ю*7, определяется с помощью экспертных оценок и результатов измерений в ГИС после нанесения информации на карту; оценка уровня подтопления определяется для каждого класса территории со*8: co*8i - значительно ниже (ЗН) нормы h, м; ю*82 - ниже нормы (НН) h, м; ш*83 - норма (Н) h, м; со*84 - выше нормы (ВН) h, м; со*85 - значительно выше (ЗВ) нормы h, м; и формируются на базе серии измерений с определенной точностью и носит вероятностный характер. На рисунке 3 приведен пример такой оценки.

На рисунке 3: h*j - i-ый результат контрольных измерений уровня подтопления, p(h) - плотность распределения вероятностей погрешностей измерений, проводимых с заданной точностью, со 8норм - ось нормативных значений уровня воды для конкретной ТС; со *8норм - ось качественных нормированных значений с равными коридорами; р(со*8) - значения вероятностей, с которыми результаты измерений попадают в

* ' «

соответствующий коридор качественной нормированной шкалы, р(со 8) = J a-f(h ¡)dh,

h. '-1

i=l-^5, 2P(®8j) = ' -0; a — коэффициент пересчета нормативных значений шкалы /

измерений в нормированную качественную шкалу оценки ш8.

Показано, что аналогичным способом могут быть получены нормированные значения других характеристик ТС.

измерения может быть сведен к нормированной оценке состояния контролируемого объекта. В результате будет получено множество оценок контрольных измерений параметров состояния территории - Хт= {хт;*} и сооружений - Хс= {х^ }.

Рисунок 3. Схема формирования оценки уровня подтопления территории по результатам контрольных измерений Ь ¡.

В работе разрабатываются алгоритмы представления результатов контрольных измерений в виде нормированной шкалы с равными отрезками и условными отношениями: 0-1 - повреждений нет (ПН), 1-2 - незначительные повреждения (НП), 2-3 - средние повреждения (СП), 3-4 - значительные повреждения (ЗП), 4-5 -большие повреждения (БП), 5-6 - канал разрушен (КР). При этом любой результат измерения может быть сведен к нормированной оценке состояния контролируемого объекта. В результате будет получено множество оценок контрольных измерений параметров состояния территории - Хт= {хт]*} и сооружений - Хс= {хс;*}.

Экспертная оценка может быть получена в результате обследования (инветаризации) объекта. Эксперт - специалист высказывает свое мнение относительно интересующей характеристики в понятиях или отношениях, характеризующих ее значение, например: "средние повреждения" с вероятностью 0.85 - х* = {СП, 0.85}; не хуже чем " незначительные повреждения" с вероятностью 0.7 - х* = {НП, 0.7}; не лучше чем "значительные повреждения" с вероятностью 0.8 -х* = {ЗП, 0.8}. При этом регистрируются различные количественные величины. Степень достоверности определяется как результат статистической обработки протоколов обследования.

Результаты инвентаризации состояния и измерения физических параметров ИС (канала) также представлены в нормированном пространстве качественных оценок и

представляют собой множество экспертных оценок параметров состояния территории - Ет = {е,|*} и сооружений — Ес = {ес;*}.

Получение сложных оценок. Территориальные системы и ИС представляют собой сложные объекты, которые характеризуются большим количеством параметров. Поэтому оценка состояния таких объектов также является сложной, базирующейся на простых, частных оценках.

Сложная оценка представляет собой обобщенную характеристику, полученную путем суммирования простых оценок в нормированном пространстве с учетом их свойств

Ога* = виМ; е )5 {хД еД рх;, рс]}, где: т - номер сложной характеристики объекта в множестве сложных характеристик М, 8ЦМ)6 — оператор суммирования, хД ej* — простые оценки, входящие в множество анализируемых характеристик pxj и р^ - показатель неопределенности соответствующих оценок.

Для оценки состояния сложного объекта также может быть использована оценка вида

X* = вим^^ием {*] , е/,0 ш , Рх] , Рф Рот}, где множество сложных характеристик М является подмножеством анализируемых характеристик объекта ^щ, 8им,еКтем-оператор суммирования простых хД ej и сложных о*ш оценок.

Каждый вид оценки может быть представлен как слой ГИС, поддерживаемый соответствующей базой данных и программой ее формирования. В работе на основании рассмотренных алгоритмов формирования нормированных оценок состояния территорий и ИС разработана методика формирования ГИС проектов получения нормированных оценок состояния ИС и ранжирование ИС по результатам анализа (см. рисунок 4).

В третьей главе «Разработка алгоритмов анализа состояния территорий и ИС, ранжирования и поддержки принятия управленческих решений» рассмотрены алгоритмы обеспечивающие решение перечисленных задач в ГИС-технолгии. Показано, что на основании полученных оценок, используя стандартные ГИС средства, можно провести на основании анализа упорядочивание всех контролируемых объектов: ранжировать створы каналов по степени их опасности в зависимости от состояния (простые оценки), ранжировать каналы и другие сооружения СЗТП (сложные оценки), ранжировать территории по степени опасности от подтопления (комплексные оценки).

Особый интерес представляет задача нахождения наиболее опасных повреждений инженерных сооружений, приводящих к максимальному ущербу от

подтопления. Для решения данной задачи в ГИС разработана методика. Рассмотрим методику на примере структуры СЗТП, показанном на рисунке 2. Канал имеет повреждения в двух створах Ст-1 и СТ-2. На рисунке 2 это зона подтопления от повреждения створа СТ-1 - 0Ст1 = (ёп, ёп, ёв} и зона подтопления створа СТ-2 -

бсм = {&1, %п, ё23, ё24, ё25>-

Рисунок. 4. Структура «ГИС проекта нормированной оценки состояния ИС и ранжирование ИС по результатам анализа».

В соответствии с методикой:

1. Все створы упорядочиваются в соответствии с убыванием оценки опасности (степени разрушения) подтопления ОСТ1тах = 8иМ1{Хс), Ес(}, ..., —» 0„1тт = 8иМ,{Хс|, Ес|}, где 1 - номер створа, принадлежащий множеству контролируемых створов Ь.

2. Для критических створов на ГИС основе определяется территория подтопления, которая может включать несколько территориальных подсистем разного назначения - Ост|* = {§ь ..., ©ж ■■■}, площадь которой равна 8ст1 = £8гк].

3. Для каждой территориальной подсистемы может быть получена оценка риска подтопления Гсы = Уук! 1оЫ > гДе коэффициент опасности подтопления и коэффициент уязвимости подтопления ууИ.

Оценка риска подтопления территорий ОСТ1*, связанной с контролируемым створом 1, в этом случае может быть получена по формуле

Rd — S VyU loti > Sol

где S0i - площадь территории, для которой определяется коэффициент Rci, Soi = X Ski >

i=l

К- число разбиений территории GCTi* площадью S„i на непересекающиеся территории gu площадью Ski, для которых получены оценки коэффициента опасности подтопления 1оЫ и коэффициента уязвимости подтопления vykl.

4. Для каждого створа определенного в п.2, по результатам контроля рассчитывается оценка степени риска от подтопления

Rncri= SUMgit е ост1 {Rngik}, (2)

и возможный нанесенный ущерб

Упст! = SUMglk е GcTl {Yngik}, (3)

где Rngik - оценка степени риска соответствующей территории, yngik - оценка возможного нанесенного ущерба той же территории, (руб.).

5. На основании полученных оценок риска подтопления производится ранжирование створов, каналов, территорий. Так как все полученные оценки носят вероятностный характер, задача ранжирования створов по их опасности может быть сведена к анализу наиболее вероятных ситуаций - поиску критических створов.

В этом случае оценка опасности для заданного створа является сложной и может быть определена оценка степени риска от подтопления как Ari = f(Oi, RncTi, р0ь Pri), где Pol, Pri - вероятности нахождения соответствующих оценок в определенных областях шкал нормированных значений, а для оценки возможного нанесенного ущерба как лУ) = f(Oi, УпстЬ Pol, РуО, где ро) - вероятность нахождения соответствующей оценки в определенной области шкалы нормированных значений, Pyi - величина, характеризующая степень доверия к полученной оценки возможного нанесенного ущерба Упсть

Упорядочивание результатов. В первом случае |Ст(А,и) = {СтЖтах, ..., Ст^шш}, где I — оператор упорядочивания по убыванию множества створов Ст, для которых определено значение оценки XR. В результате получается упорядоченный по степени опасности список створов.

Во втором - |Ст(Ху|) = {CTyRmax, CTyRmin} ПОЛуЧИМ уПОрЯДОЧеННЫЙ СПИСОК

створов по величине возможного нанесенного ущерба.

В результате разработана методика формирования ГИС проектов получения оценок состояния территорий и ранжирования ИС СЗТП. Структура ГИС проекта «Оценка состояния территорий и ранжирование ИС по результатам анализа» показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Структура ГИС проекта «Оценка состояния территорий и ранжирование ИС по результатам анализа».

В результате для каждого критического створа СЗТП на базе ГИС определяются вероятные территории подтопления и их характеристики, оценивается степень важности (опасности) возникшей ситуации.

В ГИС проекте также решается задача наиболее эффективного вложения средств на ремонт и реконструкцию инженерных сооружений. Для этого на основании оценки стоимости работ восстановления канала в заданном створе определяется показатель эффективности восстановления опасного створа, который может быть получен, либо путем анализа отношения возможного нанесенного ущерба и этих затрат - Яс1о = f(Oi, Упстi/Cal, p0i, ру[, peí), либо путем анализа абсолютных значений показателей затрат - Xaa = f(Oi, Упсть Са1, ро!, рУь рс1), где peí - величина, характеризующая степень доверия к полученной абсолютной оценке стоимости работ восстановления канала в заданном створе. Поиск эффективного решения осуществляется путем полного перебора возможных решений с целевой функцией: максимум предотвращенного возможного ущерба тах(£|УПСт1) при ограниченных затратах на восстановление (EiCa|)<C. В этом случае решается оптимизационная задача, и получаемое решение дает наиболее эффективный вариант на основании полученных ранее оценок.

В четвертой главе «Реализация ГИС проектов для решения задачи мониторинга состояния СЗТП и поддержки принятия управленческих решений»

рассматривается информационная организация ГИС мониторинга и оценки состояния территорий и ИС СЗТП, структура ее информационно-алгоритмического обеспечения.

Рассмотрена реализация ГИС-проектов оценки состояния СЗТП на примере территорий аэропорта Пулково и промзоны Шушары.

Для ТС аэропорта Пулково и прилегающих территорий проведено районирование территорий по административной принадлежности, получена оценка степени воздействия системы водосбора каждой территории на ее инженерную систему защиты от подтопления и степень воздействия на прилегающие территории и их СЗТП. Результаты представлены в виде таблицы.

Для оценки состояния ИС СЗТП промзоны Шушары использованы результаты комплексного обследования в 2010 году. Структура каналов представлена в виде карты-схемы (рисунок 6).

Анализ состояния ИС СЗТП показал, что наибольшие повреждения имеют каналы: ОГР-1 створ №1 (ПТ №1); ОГР-1 створ №6 (ПТ №2); ОГР-2 створ №0 (ПТ №0); ОГР-2 створ №1 (РС №9); ОГР-2 створ №9 (ПТ №6-2); МК-1 створ №0 (ПТ №14); 5ТС-3 створ №0 (РС №22).

Для перечисленных створов на основе ГИС определены зоны возможного подтопления. На рисунке 7 показана зона возможного подтопления для створа ОГР-1 створ №1 (ПТ №1). Для каждой выделенной территории определены оценки степени риска подтопления и рассчитана степень опасности подтопления. Результаты расчета приведены в таблице 3.

Рисунок 6. Структура каналов СЗТП территории промзоны Шушары

«5F»

™5!-и™

Рисунок 7. Зона возможного подтопления для створа ОГР-1 створ №1 (ПТ №1)

Таблица 3

Зона_подтопления X

Плошадь 1 Тип подюпяения Номер тпубоперееща1коэф уязвимое! Стеень опасности подтоплен ! Коэф подтопле

34989,093164 ¡Пло цадка размещения фирмы "Тойота" ОГР-1 ¡ПТ NS1 6 2,588 0,5

11415,46537 ¡Плошедка размещения фирмы "Тойота" ОГР-1 ПТ №2 1 0,413 0,5

43270,310447 !Ппо|цадка размещения фирмы "Тойота" МК-1 ПТ №14 1 0,474 0,5

40013,62069 'Площадка размещения фирмы "Тойота" ОГР-2 !РС №9 6 1,865: 0,5

56701,099167 ¡Плошедка размещения фирмы "Тойота" ¡ОГР-2 ¡ПТ №6-2 1 0,43: fi

72230,352798 /Сельскохозяйственная зона 5ТС-3 : Створ N222 1 0,335 0,5

35705,290269! Сельскохоз яйст Б енна я зона ¡5ТС-3 ¡Створ №22 1 0,165 0,5

9241,690591 ; Площадка размещения фирмы "Тойота" ¡ОГР-2 ¡ПТ №6-2 6 0,42! 0,5

2419,493413 : Плошедка размещения фирмы "Тойота" ¡ОГР-1 ¡ПТ №2 6 0,525 : 0,5

5569,983376 ¡Площадка размещения фирмы "Тойота" ОГР-1 ПТ №1 1 0,069 0,5

2406,827503;Площадка размещения фирмы "Тойота" МК-1 ¡ПТ №14 6 0,158 0,5

24369,36184 ¡Плошедка размещения фирмы "Тойота1 ОГР-2 ¡PC №9 1 0,189 i 0,5

< >

H 4 0 > и И* (2 из 12Выбранные)

! Зона_подтопления ;

Далее створы ранжируются по степени опасности подтопления (табл. 4).

Таблица 4

ГГГа- Ч|.<& , X

.'f'^pv.^- ^ , ' ■ .. ...... . .....j

Г1 Тип подтопления IКанал iНомертрубопепееэда Коэ<Ь УЯЗВИМОСТИ Г Стеень опасности подтопления 1 КозИ подтопления I

3 Плош^дка размещения ф ирмы ОГР-1 ;ПТ N21 6i 2,538 0,5;

4 Пловдка размещения ф •трмы ОГР-2 PC №9 6] 1,865 ; 0,5

2 Пловдка размещения <| ирмыЮГР-1 ПТ №2 .......................................................6! 0,525 0,51

4 Пловдка размещения 4 ирмы МК-1 ПТ №14 1 ; 0,474 _....................... 0,5 :............

5 Площадка размещения с| ирмы ОГР-2 ........ПТ №6-2 1 i 0,43 0,5:

9 Площадка размещения с ирмы ОГР-2 :ПТ №6-2 б] 0,42 0,5

1 Площадка размещения 6 ирмыОГР-1 ПТ №2.............................. 1 I ■ 0,413: 0,5;

7\Сельскохоз яйст в енна я она 5ТС-3 Створ №22 0,335 0,5

2 Площадка размещения с фМыОГР-2 PC №9 0,189 0Д5 :

3 Сельскохозяйственная 2 Плошедка размещения ф она 5ТС-3 Створ №22 ц 0,165 0,5!

•1рмы МК-1 рТГ №14 б] 0,158 0,5!

5 Плоишдка размещения фирмы:ОГР-1 jflT №1 1! 0.069 : ................. 0,5:.............

< ¿ш

И < 0 ► M 12 Выбранные)

i : Вона_подтопления;

Таким образом, полученные результаты являются основой для принятия управленческих решений по проведению ремонтных и восстановительных работ соответствующих сооружений СЗТП развивающейся территории промзоны Шушары.

Основные результаты и выводы

1. Разработана методика проведения районирования по естественным, расчетным и оцененным характеристикам на ГИС основе, позволяющая автоматизировать определение состояния территорий и степени опасности от подтопления.

2. На основе проведенного анализа показано, что структуру и описание СЗТП удобно представлять в виде дерева или сети, имеющих однозначное представление ГИС-технологии, обеспечивающее автоматизацию проведения анализа их характеристик.

3. Разработаны алгоритмы формирования простых и сложных нормированных оценок по результатам измерений и экспертных оценок, методика формирования комплексной оценки на основе ГИС.

4. Разработана методика ранжирования ИС СЗТП по степени опасности, возможному нанесенному ущербу от затопления территорий.

5. Разработаны методики формирования геоинформационных проектов оценки состояния ИС СЗТП, анализа и ранжирования по степени опасности, представления результатов с целью поддержки принятия управленческих решений.

6. Разработана методика поддержки принятия управленческих решений, наиболее эффективного вложения средств на ремонт и реконструкцию инженерных сооружений.

7. Разработанная методика реализована в виде ГИС-проектов на примере территориальных систем аэропорта Пулково и поселка Шушары, которые внедрены в Санкт-Петербургском государственном казенном учреждении «Мелиоративные системы Санкт-Петербурга», ГУП «Экострой» и ГУП «Ленводхоз». О чем свидетельствуют акты внедрения.

По теме диссертации опубликовано 38 работ, основные из них:

В изданиях, рекомендованных ВАК

1. Алексеев В.В., Шишкин И. А. ИИС мониторинга состояния системы инженерной защиты территории от подтопления на базе ГИС. Часть 1. Описание объектов.//Приборы.-2012.-№5,- С. 19-28.

2. Алексеев В.В., Шишкин И.А. ИИС мониторинга состояния системы инженерной защиты территории от подтопления на базе ГИС. Часть 2. Получение оценок, поддержка принятия управляющих решений.//Приборы,-2012.-№6,- С. 28-37.

3. Алексеев В.В., Шишкин И.А. Геоинформационная система оценки состояния технических сооружений защиты территории от подтопления/ науч. журнал

«Вестник ТОГУ»,- Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского гос. ун-та.-2012.-№4(27).-С. 69-78.

Статьи и другие публикации:

4. Шишкин И.А. Представление системы инженерной защиты территории от подтопления в ГИС с целью автоматизации оценки их состояния / МНТК «Наукоемкие и инновационные технологии в решении проблем прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий», -СПб, 2011, 2011, с. 47-52. г.

5. Шишкин И.А. Оценка состояния подтопляемых территорий на ГИС основе / Сборник материалов Биос фрума. - СПб. 2012, с. 301 - 305.

6. Шишкин И.А., Антонов И.В., Епифанов A.B. «Методика инвентаризации мелиоративных каналов совхозов Санкт - Петербурга на базе геоинформационных систем». Сборник материалов XIV Международного Экологического форума «День Балтийского моря» - СПб, 2013, с. 66 - 67.

7. Алексеев В.В., Шишкин И.А. ГИС «Мелиорация». Цели и принципы организации. Материалы VI Международного конгресса «Цели развития тысячелетия и инновационные принципы устойчивого развития Арктических регионов». - СПб, 2013, с. 79 - 84.

8. Алексеев В.В, Орлова H.A., Шишкин И.А. ГИС «Мелиорация». Получение оценок состояния объекта на основе контрольных измерений. Материалы VI Международного конгресса «Цели развития тысячелетия и инновационные принципы устойчивого развития Арктических регионов», СПб, 2013, с. 69 - 74.

9. Алексеев В.В., Шишкин И.А. Районирование территорий на базе ГИС с целью оценки степени риска от подтопления / МНТК «Наукоемкие и инновационные технологии в решении проблем прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий», - СПб, 2011, с. 39-47.

10. Алексеев В.В., Орлова Н.В., Шишкин И.А. Оценка состояния системы инженерной защиты территории от подтопления на базе ГИС технологии / МНТК «Наукоемкие и инновационные технологии в решении проблем прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий», -СПб, 2011, с. 34-39.

11. Геоинформационное районирование территорий с целью выявления взаимного влияния их водного баланса и оценки опасности подтопления / Алексеев В.В., Орлова Н.В., Шишкин И.А., Гусева Е.С., Жигновская A.C.; С.-Петербургск. гос. электротехн. ун-т. - СПб., - 2012. - 33 е.: И ил. - Библиогр. 11 назв. - Рус. -Деп. в ВИНИТИ. 27.04.2012 № 188-В2012.

12. ГИС мониторинга состояния инженерных сооружений защиты территории от

подтоплений/ Алексеев В.В., Олова Н.В., Шишкин И.А., Гусева Е.С., Жигновская A.C.; С.-Петербурге, гос. электотехн. ун-т. - СПб; - 2012. - 27 е.: 10 ил. - Библиогр. 16 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ. 27.04.2012 № 193-В2012.

13. Алексеев В.В., Орлова Н.В., Гусева Е.С., Жигновская A.C., Шишкин И.А. Оценка возможного нанесенного ущерба от подтопления территории на базе ГИС/ Сборник материалов Биос фрума. - СПб. 2012, с. 297 - 301.

14. Алексеев В.В., Шишкин И.А. Контроль и управление параметрами водовыпусков для обеспечения экологических стандартов. Сб. «Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий» СПб 2003г. с. 14-18.

15. Кондрашкова Г.А., Шишкин И.А. Модель управления водообеспечением в природно-технической системе района. Сб. Материалы Международной межотраслевой конференции «Организация системы управления природными ресурсами и повышением эффективности экологической безопасности», СПб, 2004г., с. 300-304.

16. Применение ГИС технологий для разработки нормативов ПДВВ бассейна реки Невы [Текст]/ A.B. Епифанов, А.И. Шишкин, И.А. Шишкин // Сборник трудов международной научно-практической конференции: Ресурсо- и энергосбережение в целлюлозно-бумажной промышленности и городском коммунальном хозяйстве/ СПб ГТУРП. - СПб., 2005. - с. 173-176.

17. И.А. Шишкин, Г.А. Кондрашкова, П.В. Луканин. «Управление и контроль параметров водохозяйственного комплекса с применением ГИС технологий». Сборник докладов и сообщений научно-практической конференции «Молодые ученые университета - ЛПК России». СПб, 2006г., с. 117-120

18. И.В. Антонов, И.А. Шишкин, A.B. Епифанов. «Использование удельных показателей для оценки техногенной нагрузки с использованием геоинформационных систем». Материалы XVI межотраслевой международной конференции «Допустимое воздействие на окружающую среду и совершенствование системы экологической безопасности». СПб, 2008г., с. 105 — 108.

19. В.А. Колосов, И.А. Шишкин, С.Н. Белякова, О.В. Глянцева. «Обеспечение безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений, расположенных на территории Санкт-Петербурга». Охрана окружающей среды, природопользование и обеспечение экологической безопасности в Санкт-Петербурге в 2007 году /Под редакцией Д.А. Голубева, Н.Д. Сорокина, СПб, 2008г., с. 421-428

20. В.А. Колосов, И.А. Шишкин, С.Н. Белякова, О.В. Глянцева. «Обеспечение безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений, расположенных на

территории Санкт-Петербурга». Охрана окружающей среды, природопользование и обеспечение экологической безопасности в Санкт-Петербурге в 2008 году / Под редакцией Д.А. Голубева, Н.Д. Сорокина, СПб, 2009г., с. 434-442

21. В.А. Колосов, A.B. Шувалова, И.А. Шишкин, С.Н. Белякова. «Гидротехническое обустройство устьевого участка р. Малая Сестра». Охрана окружающей среды, природопользование и обеспечение экологической безопасности в Санкт-Петербурге в 2009 году / Под редакцией Д.А. Голубева, Н.Д. Сорокина, СПб, 2010г., с. 411-416

22. И.А. Шишкин, И.В. Антонов, A.B. Епифанов. «Квотирование нагрузки в рамках природно-технического комплекса в среде ГИС». IV Международный конгресс «Цели развития тысячелетия» и инновационные принципы устойчивого развития арктических регионов», СПб, 2011 г., с. 53 - 58.

Подписано в печать 03.04.14. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 22. Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5 Тел./факс: 346-28-56

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Шишкин, Илья Александрович, Санкт-Петербург

04201457910

Шишкин Илья Александрович

ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ЗАЩИТЫ ТЕРРИТОРИЙ ОТ ПОДТОПЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ

УПРАВЛЯЮЩИХ РЕШЕНИЙ

Специальность 25.00.35 — Геоинформатика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2013

Содержание

Введение 6

Гл. 1 Анализ проблемы оценки состояния и управления ИС СЗТП. Разработка принципов применения ГИС-технологии для решения задач представления и описания территорий и ИС СЗТП 12

1.1 Постановка задачи 12

1.2 Анализ проблемы 12

1.2.1 Оценка состояния территорий 14

1.2.2 Оценка состояния ИС СЗТП 20

1.2.3 Применение ГИС технологии для решения задач оценивания состояния территорий и ИС СЗТП 25

1.3 Разработка принципов районирования территорий на основе ГИС 29

1.3.1 Анализ целевых функций использования территорий 29

1.3.2 Определение соотношения между градостроительными и сельскохозяйственными задачами 40

1.3.3 Определение характеристик — формирование информационной структуры критериев районирования территорий 42

1.3.4 Классификация территорий. Районирование территорий по целевому назначению 45

1.4 Описание структуры и характеристик ИС СЗТП в ГИС-технологии. 49

1.4.1 Анализ возможности использования существующих характеристик для оценки состояния ИС СЗТП (введение бальных оценок) 49

1.4.2 Описание структуры СЗТП и представление в ГИС технологии 52

1.4.3 Расчетные гидрологические характеристики ИС СЗТП 57

1.4.4 Анализ полноты применяемых характеристик 61 Выводы по главе 62

Гл. 2 Разработка алгоритмического обеспечения для формирования оценок состояния территорий и ИС СЗТП в ГИС-тсхнологии. 64

2.1 Постановка задачи. 64

2.2 Получение оценок физического и экологического состояния территорий и ИС СЗТП по результатам контрольных измерения на

ГИС основе 65

2.2.1 Получение оценок физического состояния территорий по результатам контрольных измерений 65

2.2.2 Получение оценок экологического состояния территорий по результатам контрольных измерений 68

2.2.3 Получение оценок состояния ИС СЗТП по результатам контрольных измерений 76

2.3 Получение экспертных оценок состояния территорий и ИС СЗТП

на ГИС основе 78

2.4 Разработка алгоритмов формирования сложных и комплексных оценок состояния объекта на ГИС основе 82

2.5 Методика формирования ГИС проекта получения оценки состояния территорий или ИС СЗТП 86 Выводы по главе. 95 Гл. 3 Разработка алгоритмического обеспечения анализа состояния территорий и ИС СЗТП, ранжирования и поддержки принятия управляющих решений на ГИС основе 97

3.1 Постановка задачи 97

3.2 Оценка степени риска от подтопления территории 97

3.2.1 Оценка опасности подтопления 98

3.2.2 Оценка степени уязвимости территорий при подтоплении 104

3.2.3 Оценка риска от подтопления территории 107

3.2.4 Районирование на основе оценки опасности, уязвимости или

нанесенного ущерба при подтоплении территорий 108

3.3 Анализ влияния характеристик ИС СЗТП на состояние территории, оценка эффективности возможных решений по улучшению ситуации 109

3.3.1 Определение оценки риска и ущерба от подтопления для критических створов и предоставление результатов анализа в ранжированном виде 109

3.3.2 Оценка объемов работ по восстановлению канала в заданном створе 111

3.3.3 Оценка возможного нанесенного ущерба 113

3.3.4 Ранжирование сооружений по степени опасности (возможному нанесенному ущербу от затопления территорий) 116

3.3.5 Решение задачи наиболее эффективного вложения средств на ремонт и реконструкцию инженерных сооружений 118

3.4 Разработка методики формирования ГИС проекта ранжирования ИС то степени опасности и поддержки принятия эффективных решений 119 Выводы по главе. 127 Гл. 4 Разработка методического обеспечения для построения ГИС мониторинга состояния территорий и ИС СЗТП, поддержки

принятия управляющих решений. 129

4.1 Постановка задачи. 129

4.2. Информационная организация ГИС мониторинга и оценки состояния территорий и ИС СЗТП 130

4.3. Структура информационно-алгоритмического обеспечения ГИС мониторинга и оценки состояния территорий и ИС СЗТП, поддержки принятия управляющих решений 132 4.4 Районирование территорий по степени урбанизации Пулково.

Оценка водного баланса и системы водоотведения территории Пулково 134

4.5 Районирование территорий по степени урбанизации, оценка состояния ИС, оценка риска и ущерба, ранжирование ИС по степени опасности для поддержки принятия управляющих решений развивающейся территории поселка Шушары 139

Выводы по главе 143

Заключение 144

Список использованных источников 145

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Результаты комиссионного обследования ИС СЗТП промзоны развивающейся территории поселка Шушары 159

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Зоны возможного подтопления для критических створов ИС СЗТП промзоны развивающейся территории поселка Шушары 164

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Акты внедрения 167

Введение

Актуальность. Одной из важнейших задач развивающихся территорий, особенно в районе крупных городов, является создание и поддержание заданного водного режима, обеспечение нормативного водного баланса в различных ситуациях, в условиях природных и техногенных воздействий. Данную задачу предназначены решать инженерные сооружения (ИС) системы защиты территории от подтопления (СЗТП). В развивающихся промышленных районах, особенно в районе крупных городов изменяется уровень урбанизации территории. Сельскохозяйственные территории занимаются промышленными предприятиями, жилыми массивами, техническими и другими сооружениями. При этом принципы построения и функционирования ИС СЗТП меняются в значительной степени. Особенно важным является сохранение режимов работы существующей СЗТП сельскохозяйственной территории, когда в нее внедряется городская или производственная технология регулирования водного баланса. Поэтому создание системы мониторинга и оценки состояния ИС СЗТП, контролирующей и сопровождающей все работы жизненного цикла таких сооружений, системы поддержки управляющих решений является актуальным.

Географические информационные системы (ГИС) являются

эффективным средством решения указанных проблем. Использование

географических информационных систем, как систем предназначенных для

сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных

данных, обеспечивает эффективное решение задач поддержки принятия

управляющих решений. ГИС технологии являются удобным инструментом

при решении задач районирования территорий, оценки состояния

территории, описания системы водопользования и водного баланса

территории, описания ее свойств в зависимости от целевого назначения и

применения. ГИС имеют развитые средства, позволяющие формировать

модель СЗТП, описывающую ее структуру, входящие в ее состав ИС, описывать их характеристики в виде геоданных, определять по результатам контроля оценки состояния ИС, которые могут являться многопараметрическими сложными характеристиками, а также осуществлять прогнозирование изменения их состояния на основании сформированных моделей. Использование основных преимуществ ГИС - автоматизация обработки, анализа и представления данных, обеспечивает возможность построения эффективной системы поддержки принятия управляющих решений.

Целью данной работы является разработка алгоритмического обеспечения и методики формирования ГИС-проектов оценки состояния территорий и инженерных сооружений (ИС) системы защиты территорий от подтопления (СЗТП) на основе данных контроля и инвентаризационных обследований.

Для достижения поставленной цели автором решались следующие задачи:

1. Проведен анализ возможностей представления структуры СЗТП в ГИС-технологии, с целью обеспечения автоматического определения и анализа их характеристик.

2. Предложена модель представления результатов инвентаризации для получения оценок состояния ИС СЗТП, включающая результаты контроля и значение неопределенности, координаты точки контроля в пространстве и времени, расчетную и контрольно-методическую информацию, и обеспечивающая получение достоверных результатов анализа в автоматическом режиме.

3. Разработан алгоритм формирования простых и сложных оценок по результатам измерений и экспертных оценок, методика формирования комплексной оценки на основе ГИС.

4. Разработана методика проведения районирования по естественным, административным и расчетным характеристикам на ГИС основе, позволяющая автоматизировать определение состояния территорий и степени опасности от подтопления.

5. Разработана методика ранжирования ИС СЗТП по степени опасности, возможному нанесенному ущербу от затопления территорий.

6. Разработана методика поддержки принятия управляющих решений, наиболее эффективного вложения средств на ремонт и реконструкцию инженерных сооружений.

7. Разработаны методики формирования геоинформационных проектов оценки состояния ИС СЗТП, ранжирования ИС СЗТП по степени опасности, поддержки принятия управляющих решений.

Объект исследований. Географические информационные системы оценки состояния ИС СЗТП и поддержки принятия управляющих решений и их алгоритмическое обеспечение.

Предмет исследований. Развивающиеся территориальные системы и ИС СЗТП.

При решении поставленных в работе задач получены следующие результаты, выносимые на защиту:

•представление структуры ИС СЗТП в виде дерева или сети, имеющих однозначное представление в ГИС-технологии, обеспечивающее автоматизацию проведения анализа их характеристик.

•модель представления результатов обследований (инвентаризации) для получения оценок состояния ИС СЗТП, включающая результаты контроля и значение неопределенности, координаты точки контроля в пространстве и времени, расчетную информацию, и обеспечивающая получение достоверных результатов анализа в автоматическом режиме.

•алгоритм формирования простых и сложных оценок по результатам измерений и экспертных оценок, методика формирования комплексной оценки состояния территории и инженерных сооружений на основе ГИС.

• методики поддержки принятия управляющих решений, наиболее эффективного вложения средств на ремонт и реконструкцию инженерных сооружений;

• методики формирования геоинформационных проектов оценки состояния ИС СЗТП, оценки риска и возможного нанесенного ущерба от подтопления территории, ранжирования ИС СЗТП по степени опасности, поддержки принятия управляющих решений.

Внедрение и реализация результатов работы. Достоверность и обоснованность научных и практических положений и рекомендаций подтверждены результатами математического моделирования и

экспериментальных исследований, а также полученными оценками состояния ИС СЗТП и результатами внедрения.

Результаты диссертационного исследования использованы при разработке методологии формирования оценок состояния природных и технических объектов с целью прогнозирования техногенных и природных чрезвычайных ситуаций (ПЧС-1, 20011-2012 гг), при обучении магистров в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» по дисциплине «Обработка пространственных данных», в научной и практической деятельности лаборатории экологического нормирования при Санкт-Петербургского государственного технологического университете растительных полимеров (СПб ГТУРП), ООО «Гидроэконорма».

Апробация работы.

На практической конференции «Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий» (СПб, 2003 г), Международной межотраслевой конференции «Организация системы управления природными ресурсами и повышением эффективности экологической безопасности (СПб, 2004г), Труды научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций и их последствий» (СПб, 2006г.), Научно-практической конференции «Молодые ученые университета — ЛПК России» (СПб, 2006г.), Научно-практической конференции «Наукоёмкие и инновационные технологии в решении проблем прогнозирования и предотвращение чрезвычайных ситуаций и их последствий» (СПб, 2008г.), XVI межотраслевой международной конференции «Допустимое воздействие на окружающую среду и совершенствование системы экологической безопасности» (СПб, 2008г.), IV Международный конгресс «Цели развития тысячелетия» и инновационные принципы устойчивого развития арктических регионов» (СПб, 2011г.), МНТК «Наукоемкие и инновационные технологии в решении проблем прогнозирования и предотвращения

чрезвычайных ситуаций и их последствий» (СПб, 2011г.), V Международный конгресс «Цели развития тысячелетия» и инновационные принципы устойчивого развития арктических регионов» (СПб, 2012г.).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 32 работы [1, ..., 32], в том числе 3 статьи [3, ..., 5] в ведущих журналах и изданиях, рекомендованных ВАК.

Гл. 1 Анализ проблемы оценки состояния и управления ИС СЗТП. Разработка принципов применения ГИС-технологии для решения задач представления и описания территорий и ИС СЗТП

1.1 Постановка задачи

Для устойчивого развития территориальных систем (ТС) важным является сохранение водного баланса. Особенно критической эта проблема становится для территорий в районах промышленных центров, мегаполисов, и других территориях, подвергающихся большому преобразованию и изменению целевого использования. Во всех случаях возникает проблема сохранения водного баланса территориальных систем, оценки состояния территорий и их взаимного влияния, оценки состояния инженерных сооружений (ИС) системы защиты территорий от подтопления (СЗТП), оценки степени риска от подтопления и возможного нанесенного ущерба. Задача поддержки управляющих решений с максимальным экономическим эффектом.

В первой главе проводится анализ поставленной проблемы, рассматриваются принципы применения ГИС технологии для решения поставленных в первой главе задач. Рассматриваются вопросы описания ТС средствами ГИС, с целью оценки их структуры, состояния и взаимного влияния, разрабатываются способы представления (моделирования) средствами ГИС, структуры ИС СЗТП с целью формирования оценок их состояния и определения степени влияние на водный баланс ТС и ее состояние.

1.2 Анализ проблемы

Обозначенная проблема связана с решением ряда задач, которые должны решаться при эксплуатации ТС, водопользовании и проектировании промышленных, сельскохозяйственных производств, транспортных и других коммуникаций, которые непосредственно влияют на водный баланс ТС и не должны вызывать изменение водного баланса, ухудшение экологического

состояния территорий. При этом существенными являются задачи связанные с районированием территорий [3, 6, 8], определением их целевых функций, водного баланса и системы водопользования [15, ..., 23, 32], уровня урбанизации и др. Важными являются задачи определения оценок состояния территорий, которые говорят о соблюдении водного баланса, рациональности водопользования. Поскольку ТС является сложным объектом, оценки могут быть простыми, интегральными, комплексными, построенными как на основе контрольных измерений и нормативной базы, так и на основе экспертных оценок, полученных в результате обследований территорий. СЗТП являются определяющими в обеспечении водного баланса территорий, поэтому одной из важнейших задач является определение структуры системы и оценка состояния ИС. На рис. 1.1 схематично представлены перечисленные задачи и их взаимодействие в процессе решения рассматриваемой проблемы.

Районирование территорий -4-► Определение структуры СЗТП

1 X 1

Контрольные измерения Экспертные оценки

1 X г

Оценка состояния территории Оценка состояния ИС

Оценка риска и возможного ущерба -► Ранжирование ИС по степени опасности

Реализация в ГИС технологии

Рисунок 1.1. Схема взаимодействия реша�

Информация о работе