Создание геоинформационных систем в инженерной гидрологии

Яковченко, Спартак Геннадьевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Создание геоинформационных систем в инженерной гидрологии
ВАК РФ 25.00.35, Геоинформатика

Автореферат диссертации по теме "Создание геоинформационных систем в инженерной гидрологии"

На правах рукописи

ЯКОВЧЕНКО Спартак Геннадьевич I

Создание геоинформационных систем в инженерной гидрологии

Специальность 25 00 35 - Геоинформатика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени доктора технических наук

ООЗ17Биоо

Барнаул, 2007

003176056

Работа выполнена в Институте водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской академии наук

Научный консультант: доктор технических наук,

Потапов Вадим Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Бычков Игорь Вячеславович (Институт динамики систем и теории управления СО РАН),

доктор физико-математических наук, профессор Гордое Евгений Петрович (Сибирский центр климато-экологических исследований и образования),

доктор технических наук, Шаклеин Сергей Васильевич (Кемеровское Представительство ОАО «НИИ горной геомеханики и маркшейдерского дела Межотраслевой научный центр ВНИМИ»)

Ведущая организация: Институт вычислительной математики и

математической геофизики Сибирского отделения Российской академии наук

Защита диссертации состоится «8» ноября 2007 г в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 003 036 01 в Институте угля и углехимии СО РАН по адресу 650610, г Кемерово, ГСП, ул Рукавишникова, 21 Факс (3842)21-14-00 E-mail goencke@kemsc ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеках Института водных и экологических проблем СО РАН и Института угля и углехимии СО РАН

Автореферат разослан «0&» октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Преслер В Т

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В последние десятилетия геоинформационные системы стремительно проникают практически во все сферы человеческой деятельности, связанные с пространственным анализом и моделированием природопользователъских процессов Задачи построения геоинформациошшх структур, функций и методов управления данными, их анализа, приспособленных для обработки разнородных, неупорядоченных потоков информации в предметных областях, стали важнейшими в геоинформатике Инженерная гидрология является одним из потенциальных потребителей геоинформационных технологий, что обусловлено большими объемами используемой в ней пространственной информации, сложностью и специфичностью ее обработки

Проблемой инженерной гидрологии является отсутствие единого, масштабированного, открытого для исследователей и пользователей-гидрологов, информационного банка, характеризующего состояние гидроресурсов территории и их использование Источшпс этой проблемы - разбросанность про-страпствепных и мониторинговых даштк по ведомствам, их неполнота, отсутствие систематичности, несогласовашюсть, а также усложненный порядок доступа к существующей информации Такое состояние дел ycyiy бляется неадекватностью используемых гидрологических моделей для обработки современных массивов данных и о i сутствием соответствующих техно погий автоматизированного расчета пространственных гидрологических характеристик и структуризации территории Необходимо решение гидрологических задач в условиях минимума информации, чю требует их глубокой проработки и анализа с целью получеши максимально возможной полноты ретегшя

Отсутствие предметно-ориентированных геоинформационных моделей затрудняет решение основных задач гидрологии К ним относятся создание реестра водных объектов, оценка стока вод, характеристик затопления местности паводками и волной прорыва при разрушении i идротехнических сооружений (TTC), характеристик водопользования и водообеспеченности территорий в водохозяйственных расчетах

В связи с этим необходима разработка методических подходов, геоинформационных моделей, методов и критериев построения предметно-ориентированных ГИС широкого и разномасштабного пространственного охвата инженерно-гидрологических задач (далее гидрологические ГИС или ГГИС) Создание таких ГГИС должно базироваться на комплексных методических, информационных и программных решениях, обеспечивающих эффективную реализацию задач инженерной гидрологии в рамках единого информационного поля Создание этого поля базируется на универсальных цифровых моделях местности (УЦММ), включающих цифровую модель рельефа (ЦМР) В связи с этим создание геоинформационных систем в инженерной

гидрологии на основе современных типовых ГИС является актуальной проблемой, имеющей большое научное и практическое значение

Результаты диссертационной работы являются обобщением десятилетних исследований и разработок автора в области ГИС-технологий и их приложений Диссертационные исследования выполнялись в течение 1999-2005 гг в рамках госбюджетной темы «Гидрологические и экологические процессы в речных системах и их водосборных бассейнах в различных природных зонах Сибири», интеграционных проектов и хоздоговорных работ ИВЭП СО РАН и ЗАО "Центр инженерных технологий", гранта РФФИ 99-05-64600

Объектом исследования являются взаимосвязанные параметры гидрологического объекта (река, речная система, озеро), интегрируемые в рамках специализированной геоинформационной системы

Предметом исследования является геоинформационная система в инженерной гидрологии

Цель диссертации заключается в разработке комплексного обеспечения рациональных решений задач инженерной гидрологии на основе специа-лизировашшх ГИС, их аналитического аппарата и программных решений в форме ГТИС-приложений

Основная идея работы заключается в создании единой информационно-функциональной среды, обеспечивающей эффективный доступ к разнородным и разномасштабным гидрометеорологическим, топографическим, ландшафтным и тематическим данным и их обработку с учетом конкретики реализации задач инженерной гидрологии в ГГИС - приложениях Задачи исследования

1) разработать и обосновать методические подходы к созданию ГТИС,

2) создать единую информационную основу задач инженерной гидрологии -универсальную цифровую модель местности (УЦММ),

3) разработать алгоритмы структуризации местности, поэлементного расчета ее гидрологических характеристик и оценить влияние шага дискретизации и масштаба исходных данных на корректность расчета,

4) построить универсальную модель ГТИС для решения задач инженерной гидрологии,

5) разработать предметно-ориентированные программные решения для реализации ГГИС-приложений,

6) апробировать созданные ГГИС - приложения на задачах инженерной гидрологии

Методы исследования:

• методы системного анализа и функционального моделирования - для обоснования подхода к построению универсальной модели ГТИС и УЦММ,

• методы математической статистики и теории вероятностей, компьютерной обработки данных, картографической алгебры, включая интерполяцию пространственных данных, - для решения задач разработки и реализации

УЦММ, в том числе расчета полей гидрометеорологических характеристик, структуризации местности,

• методы проектирования концептуальных и логических схем БД, организации информационных сред и доступа к ним, методы сбора, хранения, преобразования и отображения пространственно-распределенных данных — для создания ГГИС-приложений

Основные паучные положения, защищаемые автором:

1 Создание ГГИС в условиях неполноты и затрудненного доступа к информации о гидрологическом состоянии территории должно основываться на адаптации к задачам инженерной гидрологии подхода, ориентированного на данные

2 Целевая установка и принцип гидрологической согласованности определяют необходимые условия, а ГИС-интеграция информационных потоков топографических данных, ДДЗ, фондовых и мониторинговых данных и их производных - достаточные условия построения УЦММ

3 Введение критерия структуризации территории и точности расчета ее гид-роло!ических характеристик обеспечивает рациональный выбор параметров УЦММ — шага дискретизации и масштаба

4 Выявление функциональных единиц для реализации задач инженерной гидрологии и их организация в соответствующие блоки создает программно-алгоритмическую основу построения ГГИС

5 Целенаправленное объединение функциональных единиц согласно предметно ориентированным программным решениям создает необходимые условия адаптации ГГИС к широкому кру1у задач инженерной гидрологии в форме ГГИС-приложении

6 Реализация ГТИС в форме ГГИС - приложений снижает непроизводительные затраты и повышает качество обработки информации, по сравнению с типовыми ГИС, обеспечивая адекватность принимаемых пользователями-гидрологами решений

Достоверность паучных положений обеспечивается

• использованием широко апробированных методов проектирования геоинформационных систем, методов картографической алгебры и методик гидрологических расчетов,

• преимуществами разработанных цифровых моделей рельефа и моделей гидрометеорологических характеристик над известными аналогами вследствие расширения номенклатуры исходных данных, по сравнению с известными методическими подходами, и корректностью использования пространственных зависимостей исследуемых величин, полученных на основе апробированных моделей,

• допустимым расхождением цифровых моделей с точным картографическим расчетом по картам крупного масштаба,

• сравнением полученных распределений величин (солнечной радиации) с известными аналитическими результатами (расхождение не более 4-10 %),

• результатами практического применения созданных ГГИС-приложений для водных объектов бассейна Верхней Оби

Научная новизна работы заключается в следующем

• Разработаны методические подходы к построению предметно-ориептированных 11 НС для решения задач инженерной гидрологии, отличающиеся от существующих учетом региональной специфики (доступность и тип исходных данных, особенности региональных методик гидрологических расчетов)

• Создана универсальная цифровая модель местности, отличающаяся много-масштабностью и разнородностью цифровых картографических материалов и способами целевой интеграции и использованием этих материалов в инженерно-гидрологических расчетах В ее рамках предложен подход к расчету полей гидрометеоэлемептов средствами картографической алгебры, основанный на разделении методов интерполяции по масштабу пространственной неоднородности

• Введен критерий рационального выбора параметров УЦММ (шаг дискретизации и масштаб данных) для расчета характеристик территории и разработаны методики расчета ряда характеристик (уклон речной сети, длина склонов и др )

• Построена универсальная модель ГТИС, основанная на комплексном использовании данных полевых исследований и ДЗ, картографических и архивных данных Модель обладает механизмами адаптации к типу и объему используемой информации в условиях ее недостаточности

• Разработаны программные решения для типовых задач инженерной гидрологии, включая реестр водных объектов, оценку стока вод и характеристик затопления, водопользования и водообеспеченности территорий Решения отличаются механизмами настройки на тип имеющихся исходных данных

• Созданные ГТИС - приложения (их методический аппарат и структуры) апробированы в ходе комплексных полномасштабных испытаний на водных объектах бассейна Верхней Оби, в результате которых была получена новая информация об их динамическом состоянии (водохозяйственные характеристики, зоны затопления паводками, реестр водных объектов и др )

Научное значение работы состоит в создании методического обеспечения для построения адаптивных специализированных ГИС, предметно-ориентированных на решение задач инженерной гидрологии, реализация которых базируется на созданном универсальном геоинформационном инструменте - УЦММ посредством развития функциональных единиц, оперирующих разнородными и разномасштабными данными

Практическая ценность работы состоит в следующем

• Предложены подходы к интеграции разномасштабных и разнородных векторных и растровых топографических данных и ДЦЗ, которые на порядок снижают затраты на решение гидрологических задач при отсутствии цифровых данных по рельефу крупного масштаба

• Даны рекомендации по созданию УЦММ для различных типов гидрологических расчетов, которые минимизируют объем работ по созданию цифровых картографических материалов На основе интерполяции полей гидрометеорологических величин с учетом ландшафтной зависимости получены недостающие данные для бассейна реки Бия

• Создано программное обеспечение (ПО) для расчета максимального стока изученных и неизученных; рек ("Гидростатистика" и "Паводок&Половодье"), параметров водосборов ("Бшрсак") и расхода реки в створах ("Морфоствор"), оценки затоплешш волной прорыва при разрушении ГТС ("Поос1са1с"), а также "Реестр водных объектов", ориентированное на пользователя-гидролога

• Разработаны методические рекомендации по целевому построению ГГИС пользователем-гидрологом, ориентирующие его на комплексное решение задач на основе базового класса Рекомендации охватывают задачи оценки русловой трансформации и максимального стока, построения полей гидрометео-элсментов и оценки зон затопления паводком, волной прорыва, вклада территории в гидрохимический сток, а также подготовки первичных дашшх

Личный шел ад а» гора.

Рассматриваемые в диссертации исследования и практические работы выполнены в лаборатории гидрологии и геоинформатики Института водных и экологических проблем СО РАН и ЗАО "Центр инженерных технологий" в рамках обозначенных ранее тем, по которым автор являлся научным руково-дитетем (или соруководителем) и/или огвеютвенным исполнителем Защищаемые и составляющие новизну результаты получены лично автором К результатам, приведешгым в содержательной части, полученным в неделимом соавторстве, относятся методики учета дополнительной информации при создании ЦМР и расчета гидрологических характеристик подстилающей поверхности, критерий структуризации территории и точности расчета ее гидрологических характеристик, модель уровней водной поверхности для оценки зон затопления в паводок (совместно с Постновой И С ), программные решения для основных задач инженерной гидрологии (выполнены совместно с коллективами указанных организаций)

Реализация результатов работы

Разработанное ПО "Гидростатистика", "Паводок&Половодье", "Морфоствор", "Бтрсак", "Иооёсак", "Реестр водных объектов" применяются в организациях ОАО "Алтайавтодор", ОАО "Алтайводпроекг", ОАО "ТомскНИПИ-Нефть ВНЕС", ОАО "ГорноАлтайскавтодор", ОАО "Сибгипротранс ", ИВЭП СО РАН, ИГ СО РАН, ИУУ СО РАН, Верхне-Обском БВУ, Кемеровском ГУПР, Алтайском ГУПР и ряде других

вого развития общества и эволюция жизненных сил населения Сибири на рубеже XX - XXI веков» (Барнаул, 1998), «ГИС для устойчивого развития территорий Intercarto 4» (Барнаул, 1998), «ГИС для устойчивого развития территорий Intercarto 5» (Якутск, 1999), «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия» (Томск, 2000), ENVIROMIS 2002 «Измерения, моделирование и информационные системы как средства снижения загрязнений на городском и региональном уровне» (Томск, 2002), «ГИС для устойчивого развития территорий Intercarto 8» (Санкт-Петербург, 2002), по проблемам рек Обь-Иртышского бассейна (Усть-Каменогорск, 2003), "Society and Environment International under Global and Regional Changes" (Москва-Барнаул, 2003), «ГИС для устойчивого развития территорий Intercarto 9» (Новороссийск-Севастополь 2003), «ГИС для устойчивого развития территорий Intercarto 10» (Владивосток-Чаньчунь, 2004), ENVIROMIS 2006 «Измерения, моделирование и информационные системы как средства снижения загрязнений на городском и региональном уровне» (Томск, 2006) IX Всероссийский гидрологический съезд (Санкт-Петербург, 2004), Международная научно -практическая конференция "Геоинформатика-2000" (Томск, 2000), Международная конференция "Научный конгресс ГЕО-Сибирь-2005" (Новосибирск, 2005), Международная конференция "Научный конгресс ГЕО-Сибирь-2007" (Новосибирск, 2007), Международная конференция и школа молодых ученых по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде Cites - 2005 (Новосибирск, 2005), а также Всероссийские научные конференции "Экология ландшафта и планирование землепользования", (Иркутск, 2000), "Современные проблемы стохастической гидрологии" (Москва, 2001) Научная конференция "Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов" (Иркутск, 2005)

Публикации. Автором опубликовано 89 работ Основное содержание диссертации изложено в 46 публикациях, в том числе в 1 монографии, 8 публикациях в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, 4 свидетельствах на программные продукты, зарегистрированных в РОСАПО

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, б глав, заключения, 5 приложений, библиографии из 257 наименований, 73 рисунков и 36 таблиц Общий объем работы - 408 страниц

Автор выражает глубокую благодарность В А Жорову, В И Потапову и В Т Преслеру за многочисленные обсуждения и поддержку при выполнении работы, а также свою признательность всем соавторам и сотрудникам ИВЭП СО РАН и ЗАО "ЦИТ", оказавшим неоценимую помощь на различных этапах работы

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 приведен обзор и анализ существующих подходов к созданию ГТИС и решена задача 1. Интенсивное развитие геоинформационных технологий, создание и расширение баз цифровых данных о природных сис-

темах, и возникновение на этой основе новых возможностей обработки и анализа информации поставило ряд задач по методическому обеспечению процессов создания ГИС в природопользовании, в том числе, инженерной гидрологии Применение ГИС наиболее эффективно для задач, которые задействуют большой объем информации о территориальном распределении параметров К первому классу таких задач в инженерной гидрологии относятся оценки характеристик водного и гидрохимического стока и влияния его на конкретные природные объекты Ко второму - ипформациошю-аналитические системы, в том числе, реестровые Они аккумулируют информацию об естественные водных объектах (реки, озера и т п ) и гидротехнических сооружениях (плотины, водохранилища, дамбы и т п) Современный этап проникновения ГИС в гидрологию характеризуется развитием компьютерной картографии, построением многоцелевых систем, интеграцией данных и использованием сетевых решений в области доступа к ним Современные системы для гидро-логаческих расчетов в США и Европе включают ГИС-препроцессоры для подготовки данных и ГИС-вьюеры для просмотра результатов расчетов Основополагающими для создапия таких систем явились работы Beven К J, Maidment D R , Sivapalan M, Wood В F и других

В России алгоритмы и методики расчета инженерно-гидрологических задач были в основном сосредоточены в СНиПах (в настоящее время "Свод правил по проектированию и строительству") Программные системы, реализующие эти задачи на основе ГИС, до 2000 года отсугствовали Это обусловлено общим низким уровнем компьютеризации инженерной гидрологии Методики расчетов не адаптированы к существующим обширным массивам цифровой картографической информации о территории и ДДЗ Характеристики территориального распределеши гидрологических параметров по-прежнему определяются по бумажным картам Замедленное проникновение ГИС в гидрологию в России обусловлено отсутствием единого открытого информационного банка метеорологической, спутпиковой и картографической информации В связи с этим создание универсальной модели ГГИС, ориентированной на решение задач инженерной гидрологии, первый важный шаг в преодолении данной ситуации Вторым шагом является разработка программных решений для предметной реализации модели Эти направления — основные в данном исследовании

Существуют два подхода к ГИС-моделированию гидрологических процессов (см Таблица 1) В первом мультипрограммном подходе, модель реализуется с помощью внешних программных средств (С++ и т п ), связываемых с типовыми ГИС Пример - программный комплекс HSPA, написанный на внутреннем языке AML ГИС ESRI Arc/Info и интегрированный с U S ЕРА программой гидрологического моделирования HSPF Во втором монопрограммном подходе, используется язык моделирования процессов окружающей среды EML, встраиваемый внутрь ГИС Этот подход тесно связан с картографической алгеброй, формализующей картографические вычисления Базовы-

ми объектами картографической алгебры являются переменные - векторные и растровые картографические слои и обрабатывающие их функции и выражения Алгебра является аппаратно независимым языком, и реализована в форме внутреннего языка программирования ГИС В монопрограммном подходе широко используется ПО фирмы ESRI (© Arc View, © Arc/I ni'o) Создание универсальной модели ГГИС требует органичной интеграции моно- и мультипрограммного подхода

Особенность гидрологических задач -- наличие временной составляющей Значительный объем данных занимают временные ряды - расходы, уровни, метеорологические параметры и др , отнесенные к пространственным точкам (створ, метеостанция) Ввод, верификацию и обработку этих рядов целесообразно производить в специализированных СУБД, подобных Microsoft ACCESS, те в рамках мультипрограммного подхода Классификация задач инженерной гидрологии но типу позволяет выявить наиболее предпочтительный подход для их программной реализации (см рис 1)

Таблица 1 Сравнение подходов к созданию ГГИС

Подход к созданию ГГИС Наиболее распространенная реализация Преимущества Проблемы

Мультипрограммный Связанные единой информационной средой ГИС-приложение и спе-циализированное ПО Высокая эффективность специализированного ПО при решении классов задач, на которые оно ориентировано Связывание внешнего ПО с ГИС

Монопрограммный Приложение, написанное на внутреннем языке программмиро-вания ГИС Avenue (ArcView), AML (Arc/Info), Visual Basic (ArcGIS) Универсальность, простота, отсутствие дополнительного ПО Недостаточность понятийного аппарата картографической алгебры для реализации инженерно- гидрологических задач

Основные отличия исследовательских и расчетных задач

а) наличие итеративного цикла коррекции и калибровки модели,

б) широта спектра используемых методов обработки и анализа информации,

в) большой объем и разнообразие привлекаемых данных,

г) требование гибкости и перестраиваемости программной системы

Большой объем данных и расчетов предъявляет специфические требования к форме обработки и представлению информации Это открытость и легкость модификации алгоритмов обработки и возможность быстрого перебора вариантов параметров Ряд методов обработки целесообразнее реализовать в специализированных системах компьютерной математики Ма&аЬ, МаАтСас!, а ГИС использовать как поставщик данных Требование гибкости и

перестраиваемости легко удовлетворяется, если использовать в рамках единой информационной среды и структуризации задач по типу выполшемых операции типовые ГИС и программные модули, написанные на специализированных (Ма^.аЬ, МаШСас!) и высокоуровневых языках (С++ и т д )

Типы зддач ГГПС

Исследовательские задачи

Расчетные задачи

Информационно-справочные задачи

Информационно-аналитические

задачи_

Задачи ввода и подготовки первичных данных

Рисунок 1 Классификация задач, выполняемых ГГПС

Реализация ГИС для выполнения расчетов, отличается повышенным требованием к интерфейсу конечного пользователя, что в ряде случаев требует единства программной среды разработки Формой реализации может стать приложение типовой ГИС, либо программный код на языке высокого уровня в рамках монопрограммного подхода

Реализация гидрологических задач информационно-справочного характера не имеет существеш1ых отличий от реализации аналогичных задач общего назначения Исключением являются задачи, в которых справочные параметры являются расчетными, что требует создания соответствующих ГИС-приложещш Особенность информационно-аналитических задач в отличие от информационно-справочных - наличие средств для осуществления функции анализа первичпых или расчетных данных Отличия информационно-аналитических от исследовательских задач - меньший выбор предоставляемых методов анализа и повышенные требования к интерфейсу конечного пользователя так же, как и для информационно-справочных и расчетных задач Задачи ввода и подготовки первичных данных требуют специфичных средств построения и корректировки цифровых карт и обработки временных рядов наблюдений В таблице 2 представлен подход к реализации гидрологических задач, рациональным образом использующий специализированное и комплексное ПО

Таблица 2 Программное обеспечение, используемое при решении гидрологических задач

Тип ПО Пример ПО Выполняемые задачи Информационно-справочная ГГИС Информационно-аналитическая ГГИС Расчетная ГГИС Исследовательская ГГИС ГГИС для подготовки первичных данных

Профессиональная ГИС ESRI Arc/Info 7 12 пространственное моделирование, подготовка УЦММ нет кет нет может бьггь да

Настольная ГИС с модулями пространственного анализа ESRI Arc-View + Spatial Analyst + 3D Analyst пространственное моделирование, анализ, визуализация результатов да да может быть да да

ПО для подготовки и анализа ДДЗ Erdas Imagine, ENVI подготовка ДДЗ нет нет нет может быть да

ПО для подготовки картографических данных (графический редактор, векторизатор) Easy Trace, Adobe Photoshop подготовка первичных картографических данных нет нет нет нет да

СУБД Microsoft Access ввод, коррекция, атрибутивных данных, управление ими нет может быть может быть может бьггь да

Программные комплексы на языках высокого уровня С++, Pascal, Fortran численное моделирование нет нет может быть может быть нет

Специализированные пакеты компьютерной математики Mathcad, MatLab численное моделирование нет нет может быть может быть нет

Задачи инженерной гидрологии характеризуются коллективным использовании исходных данных и результатов решения Например, оценка влияния стока на природные объекты и водохозяйственные расчеты требуют предварительной оценки характеристик стока Формирование в составе ГГИС на основе существующих функциональных единиц (операторов картографической алгебры, пакетов прикладных программ) функциональных блоков, представляющих программную реализацию операций, общих для инженерной гидрологии, упрощает построение ГТИС-приложений, сводя его к блочной "сборке" Выбор функциональности блоков производится па основе предметного анализа и возможностей типовых ГИС Блочная реализация ГИС в гидрологии должна базироваться на преобразовании конкретной гидрологической задачи в модель, например, по правилам UML, что обеспечит создаете формализованных описаний и разделит объекты и процессы моделирования Создание гидрологических ГИС должно основываться на следующих базовых принципах

1 Для формализованного представления задач инженерной гидрологии используется универсальный язык моделирования UML

2 Организация блоков Г1"ИС на основе функциональных единиц, обладающих информационной согласованностью и реализующих решение самостоятельных гидрологических задач или их отдельных стадий

3 Регламентирование доступа блоков к данным посредством универсальной цифровой модели местности

4 Адаптация ГТИС к решению гидрологических задач посредством "сборки" ГТИС - приложений на основе функциональных блоков

Объем и доступность пространственных данных - важные параметры, влияющие на использование ГИС в инженерной гидрологии Свыше 90 % затрат в ГИС-проекгах приходится на создание и анализ базы пространственных и атрибутивтгх данных Организация доступа к данным и средствам их обработки в России отлична от зарубежной (см Таблица 3) В связи с этим необходимо разработать и обосновать подходы к построению ГИС в инженерной гидрологии с учетом региональной специфики. В отечественной гидрологии отсутствует методика создания единого согласованного набора данных УЦММ и выявления их характеристик с учетом региональной специфики Решение данной задачи также является целью исследования В этой связи следует отметить работа В Г Калинина и С В Пьянкова, в которых развит подход к построению ГИС бассейна водного объекта Одна из важных подзадач создания набора данных -оценка возможностей применения для гидрологических расчетов карт мелкого масштаба

Поскольку ЦМР - основная часть набора пространственных данных, то технологии ее построения уделяется большое внимание зарубежных исследователей Michael Hutchinson дал ряд решений в этой области, основанных на принципе интеграции данных по гидрографии и рельефу Однако, за исключением данных решений, существующие технологии

построения ЦМР для гидрологии не реализованы в типовых ГИС, а те, что используются, ориентированы на специальные программные средства, либо нестандартные представления рельефа (см Таблица 4) что усложняет их практическое применение

Таблица 3 Сравнение особенностей применения ГИС в гидрологии в России и за рубежом__

Особенности применения ГИС в гидрологических приложениях за рубежом (США и др ) Особенности применения ГИС в гидрологических приложениях в России

• открытый доступ к первичной гидрометеорологической информации (ГМИ) сетевого мониторинга и цифровым данным по рельефу, а также слоям циф-ровых топографических карт, используемых в моделях стока, • стандартизация ГМИ, • монополизация банков первичных данных по цифровым картам (Роскарто-графия) и сетевой мониторинговой информации (Госкомгидромет, Фонды геологической информации), низкий уровень ее стан-дартизации и высокая стоимость,

• Совместная с территориальными данными ор1анизация ГМИ в общедоступные наборы данных по водосборам рек, • отсутствие барьера секретности по использованию картографической информации наиболее употребительного масштаба 1 25 ООО, • относительно низкая стоимость и широкий выбор разномасштабной информации дистанционного зондирования, • низкая обеспеченность цифровыми картами и данными дистанционного зондирования крупных масштабов и их секретность,

• высокая плотность сети гидрометеорологических наблюдений (например в США одна станция наблюдения прихо-дится на 1200 км2) • низкая плотность сети гидрометеорологических наблюдений Для Алтайского края и Горного Алтая в среднем одна станция наблюдения приходится на 4500 км2, для Сибири и Дальнего Востока еще меньше

• наличие открытого банка стандартных алгоритмов и программных комплексов для расчета гидрологических характеристик • отсутствие открытого банка стандартных алгоритмов и программных комплексов для расчета гидрологических характеристик

Не решена задача интеграции перспективных решений и оценки области их применимости к гидрологическим задач Поэтому создание технологии построения ЦМР для гидрологических приложений - важное направление работы До сих пор не решена задача выявления зависимости гидрологических характеристик от свойств цифровой модели местности (в особенности дискретности) и оценки точности их вычислешш Особенность расчетов по региональным методикам для России - слабая техническая база

гидрометеорологических наблюдений (низкая плотность станций, см Таблица 3) Это вынуждает применять гидрологические модели (см В А Жоров), которые используют большой объем цифровых данных о территориальном распределении параметров и специальные сложное деление территории на расчетные единицы, а также методы интерполяции данных редкой сети наблюдений. Для некоторых гидрологических характеристик и деления территории на структурные гидрологические единицы для таких моделей отсутствует технология автоматизированного расчета их пространственного распределения на основе цифровых даггных по территории Разработка технологий автоматизированного деления территории на структурпые специфические элементы, расчет характеристик этих элементов и интерполяция данных сети наблюдений для построения полей гидрометеорологических элементов в составе УЦММ входят в две задачи настоящей работы

Таблица 4 Характеристики стандартных представлений рельефа в типо-

вых ГИС

Модель рельефа Представление поверхности Преимущества Недостатки

GRTD (сетка, растровая модель данных) Сетка из квадратных ячеек, высота в пределах которых постоянна Высокая скорость и просто га алгоритмов обработки Высокие требования к ресурсам памяти

TIN (триангуляционная модель данных) Набор соприкасающихся гра-пей- треуголышков (фасеток) Большая точность представления поверхности Сложность численных алгоритмов обработки, большие затраты машинного времени при расчете параметров рельефа

Специфика создашгя ГТИС в России (см таблицу 3), заключается, прежде всею, в наличии жестких требований по объему первичных данных и ориентации на материалы открытого доступа или относительно низкой стоимости, что обуславливает выбор подхода, ориентированного на данные На рис 2 показана возможная стратегия применения данного подхода, основанная на выполнении ряда критериев В соответствии с результатами применения подхода производится оценка стоимости картографических данных, ДДЗ, режимных наблюдений, этапов создания, верификации и корректировки баз данных, а также программного кода ГТИС Вариант, опгимальггый по стоимости, является базовым для реализации ГТИС

Стадии применения подхода, ориентированного на данные

Выбор способа формирования алгоритма для решения гид рологической задачи на основе сущес гвующих функциональных блоков ГГИС

Определение достаточного для реализации выбранного алгоритма набора данных

• Выбор способов оценки пространственного распределения входных величин (картографияее кий, с использованием ДЦЗ, интерполяция по пунктам сети наблюдений, смешанный, экспертный) разрешения и типа ДДЗ, набора рядов наблюдений"

Оптимизация масштаба и набора слоев картографических данных, пространственной и временной дискретности набора данных а также периода наблюдений, минимизация прост-ранствешюй протяженности_

Достаточность используемого набора данных для расчета с необходимой точностью

Критерии

Минимальная избыточность используемых функциональных блоков

Достоверность построенного гфостранственного распределения гидрологических характеристик

Минимальность стоимости используемой информации

Рисунок 2 Применение подхода, ориентированного на данные, при создании ПИС

В главе 2 решена задача 2. УЦММ - организованный в форме слоев ГИС и электронных таблиц набор геоинформационных ресурсов, достаточный для решения задач инженерной гидрологии Номенклатура и характеристики данных определяются целевой установкой, т е требованиями методик решения конкретной задачи Анализ этих требований, совместно с номенклатурой доступных данных выявляет их вхождение в УЦММ Структура этих данных приведена на рис 3 В нее входят три типа геоинформационных ресурсов Первый включает картографические данные разного масштаба, содержащие векторные слои рельефа и гидрографии, оцифрованные с топокарт и геопривязанные топографические планшеты и ДДЗ Методика создания этих слоев достаточно разработана ДДЗ геопривязаны и представлены в читаемых ГИС-форматах (Erdas Imagine и др ) Второй - тематические слои и связанные с ними атрибутивные данные, создаваемые при оцифровке тематических карт или на основе архивной информации о геопривязке Третий тип (вычисляемые данные) - производный от первых двух, данные меняются в зависимости от поставленных задач Минимальная по объему исходная картографическая база данных включает (см рис 3) геопривязанные растры топографических карт и топографическую векторную основу среднего (включая данные ДДЗ) и мелкого масштаба на всю исследуемую территорию и крупного масштаба (включая данные ДДЗ) па ключевые участки (антропогенно-измененные, затапливаемые и другие территории) Состав, структура тематических слоев и атрибутивная информация зависят от решаемой задачи Основной набор включает цифровые карты районирования, положения постов мониторинга объектов и данные мониторинга К данным третьего типа относятся продольный профиль русла (НИР), гидрологически согласованная ЦМР и ее производные уклоны, экспозиции, деление территории на стокооднородные расчетные участки и бассейны различных порядков, ландшафтно-однородные участки К вычисляемым данным от-

носится метрическая гидрографическая сеть (МГС), представленная векторным линейным покрытием, отображающим речную сеть в форме иерархических деревьев Алгоритм вычисления такого покрытия в ГИС основан на расчете дренажа по ЦМР или на полуавтоматической коррекции векторной гидрографии

Представленные данные - база для анализа гидрологических и водохозяйственных характеристик территории Использование ЦМР в качестве основы УЦММ требует гидрологической согласованности, что гарантирует корректность расчета водораздельных линий и линий тальвегов Гидрологическая согласованность ЦМР означает 1) должны отсутствовать фиктивные точки стока, под которыми понимаются области, высота которых меньше, чем у всех соседних точек 2) потоковые линии (линии наискорейшего спуска) должны совпадать с соответствующими отрезками исходной речной сети С использованием данных ДЗ по рельефу или данных с топографических карт (цифровые карты местности - ЦКМ) расчет гакой ЦМР обычно невозможен в силу погрешности или «разреженности» исходных данных но рельефу Необходим учет данных по гидрографии Принцип гидрологической согласованности данных и целевая установка -важнейшие факторы, определяющие необходимые условия построения УЦММ Реализация принципа связана с решением задачи учета дополнительных данных по рельефу - линий речной сети, озер и водохранилищ, урезов воды, областей, занятых руслами рек, точек стока, овражной сети, бровок и подошв обрывов, депрессий и упрессий рельефа Распространен способ расчета ЦМР на основе контурных карт изолиний рельефа, а также по отметкам высот По отметкам высот расчет производится методами сплайн и ОВР (обратных взвешенных расстояний) интерполяции и посредством триангуляции при создании крупномасштабных топопланов и русловых съемок С появлением ДДЗ (космические снимки), эти способы получили более широкое распространение Для интерполяции данных, снимаемых с ЦКМ (горизонтали высот) разработано эффективное ПО В России для этих целей используются программные комплексы MAG (МГУ) и Arc/Info TopoGnd Применение стандартного ПО для интерполяции по точечным данным (например Arc View 3D Analyst и т п ) дает так называемый "эффект террас", или появление на регулярной сетке плоских участков, что обусловлено пробелами изолиний на исходной контурной карте Приведенные комплексы неадекватно учитывают дополнительные данные по рельефу Исключение - использование данных по линиям речной сети в Arc/Info TopoGnd

Создание гидрологически согласованной ЦМР базируется на положениях 1) интеграция разнот ипных источников данных по рельефу, гидрографии, а также дополнительных данных по рельефу снимаемых с ЦКМ, 2) максимальное использование стандартных возможностей ГИС Согласно им обобщены и модифицированы способы создания ЦМР, информация по которым сведена в Таблицу 5 Бток подготовки ЦМР, вхо-

дящий в функциональный блок "Подготовка УЦММ", создан как набор алгоритмов картографической алгебры на базе ГИС Агсиелу и АгсШо

Таблица 5 Основные способы создания гидрологически корректных ЦМР

Х2 Способ/ПО Тип ЦМР Дополнительные данные Предлагаемая модификация способа

Î Учет гидрографии «вычитанием» речной сети/ Spatial Analyst /ArcView GRID Речная сеть (линия) Нет

2 Учет гидрографии посредством TOPOG RID/AicJnfo GRID 1) Речная сеть (линия) 2) Озера с информацией о высотах и острова (область) 3) Речная сеть (область), профиль русла 4) Бессточные озера 1) Использование крупномасштабной речной сети) 2) Расчет отметок высот на территории озера затем расчет ЦМР с использованием данных отметок 3) Расчет ППР гаггерголяциеи по точкам и его использование для получения ЦМР 4) Вывод областей бессточных озер за границу заливки фиктивных депрессий

3 Учет гидрографии в TIN/Arc view Arlnfo TIN 1) Озера с 1гнформа-шей о высотах (область) 2) Речная сеть (линия, область), ППР 3) Экстраполяция высот внутри замкнутых горизонталей 1) Нет 2) Создание TIN ППР и 3D покрытия речной сети с информацией о высотах 3) Создание регулярного покрытия точек в плоской обтасти и присвоение ему высот на основе информации о высоте ближайшей горизонтати и расстояния до нее

4 Учет наличия линии излома / Spatial Analyst /ArcVjew GRID, TIN 1) Учет обрывов и овражной сети 2) Учет искусственных упрессий (насыпи дамбы) 1) К основным источникам данных по рельефу добавляются дополнительные точки по сторонам линии излома, высоты которых рассчитываются из условия минимальной кривизны ЦМР вне обрыва 2) В местоположении упрессий к высоте рассчитанной без её учета, добавляется величина равная ее высоте

Выбор способа создания ЦМР определяется исходным масштабом картоосновы, целью построения ЦМР, географическими особенностями территории В таблице 6 представлены рекомендации по ее созданию Серьезную проблему при создании УЦММ представляет пространственная интерполяция полей гидрометеорологических элементов Используемые в ГИС методы интерполяции наблюдений (сплайн, триангуляционный, ОВР и др ) дают некорректные результаты Это обусловлено редкостью сети наблюдений и невыполнением в большинстве случаев критерия г«1, где г - расстояние между точками наблюдений, I - расстояние характерного изменения исследуемой величины В гидрологической практике в отличие от стандартной интерполяции применяется "моделирующая" интерполяция, основанная на использовании зависимостей измеряемой величины от непрерывных полей параметров

Таблица 6 Сводная таблица способов создания ЦМР в зависимости от целей

Цель создания ЦМР Масштаб Оптимальный способ Учет озера и островов Учет укло-нов (речная сеть) Вычитание речной сети "Заливка" ЦМР Учет обрывов и насыпей № метода (см Таблица 5)

Визуализация 1 200 К и мельче Триангуляция/Т оро§пс1 без учета речной сети - - - + -

1 100 К и крупнее Триангуляция/1 оро;*гк1 без учета речной сети + - - + + 2,4

Расчет водораздельного деления, водосборов и зон добега-иия 1 500 К и мельче Тородгк! с учетом речной сети + - + - 1,2

1 200 К н крупнее Триангуляция, модель -растровая ^шпис интерполяция) Л- ■+ + 1,2,3

Расчет расчлененности рельефа, морфомст-рических параметров 1 500 К и крупнее Горонпс! с учетом речной сети - - - -

1 200 К -1 100 К Триангуляция, модель растровая (цишЬс интерполяция), Торо§п(1 без учета речной сети + + +/- 1,2,3

1 50 К и крупнее Триангуляция, модель -растровая (срнпио интерполяция), Торо^пЛ без учета речной сети + + +/- + 1,2,3,4

Расчет затопления 1 50 К и крупнее Триангуляция, модель -растровая ^итЦс интерполяция) + + + 2,3,4

Предложен подход, совмещающий качества стандартной и "моделирующей" интерполяции, основанный на использовании приведенных величин и подхода В А Шутова к интерполяции снегозапасов Он состоит в разделении крупномасштабных "быстрых" изменений рассматриваемой величины (г > /м) и мелкомасштабных "медленных" изменений (г < /т), где /м и /т - масштабы соответствующих изменений Последние характеризуются приведенной величиной, для интерполяции которой используются стандартные методы ГИС Разделение производится при помощи известной эмпирической или модельной зависимости исследуемой величины от известных ландшафтных параметров Подход реализован в форме блока, который адаптирован к возможностям ЕМЬ ГИС Лгсушалг для всех основных гидрометеорологических величин, в частности, полей влажности, давления, температуры, снегозапасов (с учетом только высотной зависимости), возможного суточного потока на склоны солнечной радиации (без учета облачности) Для определения суточной

радиационной суммы (см. рис. 4) предложен способ расчета при всех значениях экспозиций и уклонов на базе возможностей типовой ГИС. Ошибка не превышает 10% для прямой радиации для всех сезонов и 4 % для рассеянной радиации (для зимы 30%) радиации. Такое комплексное использование в рамках УЦММ функций картографааеской алгебры и стандартных IТТС - алгоритмов интерполяции достаточно для расчета полей гидрометеорологических характеристик с необходимой точностью.

А/Граница водосбора Озера

Возможная сумма (кДк/смЭ]

В 0.25-0.1) 0.5 - 0.75 ■ 1

ШШ 1 -

|Щ 1.2S- 1.S SB1.S* 1 75 ! 1.75-2 ; 2-2,25 : 2.25-2.5 р.5-2.75 12.75-3 fi_j 3-3.25

;......! 3.25 - 3.5

.....! 3.5-3,75

3.75 - 4 Г I No Data

Рисунок 4. Суточные радиационные суммы для водосбора реки Бия в период снеготаяния

ЦМР, МТС и ноля ги.дрометеоэлеменгов ио целевому назначению являются базовыми структурами УЦММ, наличие которых, наряд,' с данными первого и второго типа, достаточно для решения задач инженерной гидрологии. Способы их создания основаны па интеграции и согласовании базовых картографических данных и ДДЗ. а в случае полей гидрометеоэлемсигов -м онитори нговых данных. Из вышесказанного следу от, что 1 'ИС-интеграпия и согласование информационных потоков то»графических данных, данных ДЗ, фондовых и мониторинговых данных о характеристиках поверхности, а также их производных в УЦММ определяют достаточные условия её построения,

В главе 3 решена задача 3. В число структурных и расчетных элементов рельефа входят тальвеги и водоразделы, границы зон постоянной длины до бегания, а и ряде ыгучаев положения вершин, седловин, и. пр. Инверсия рельефа сохраняет положегше структурных линий и точек, но приводит к их переопределению Функции водосборного деления Ш растровой ЦМР сточной территории, определении тальвешюй сети и гидрографической сети ре ал изо-

ваны в Arc View Spatial Analyst Для определения водосборного деления бессточной территории предложен способ вывода территории бессточных озер из области заливки фиктивных депрессий Известные способы расчета гидрографической сети требуют либо наличия покрытия точек истоков, либо задания минимальной водосборной площади, что возможно при однородности свойств территории Для расчета дренажа бассейнов предложен способ, использующий информацию по длинам речной сети В нем минимальная водосборная площадь и расчетная гидрографическая сеть определяются индивидуально для каждого бассейна по равенству длин расчетной и реальной речной сети Разделение территории на расчетные элементы, в том числе склоновую и русловую часть, определение зон постоянной длины добегания и конечных и транзитных (с наличием транзитного стока) водосборов, водоохраных зон производятся с использованием функций EML Предложен способ определения лево* и правобережной частей транзитных водосборов, основанный на удалении из растрового представления территории, занятой дренажем, и последующей идентификации наибольших по площади связных областей растра Также предложены способы расчета горизонтальной расчлененности с учетом плоских участков и вертикальной расчлененности с выделение дуг водоразделов, тальвегов, подошв и бровок и созданием по ним упрощенной триангуляционной модели рельефа Выделение структурных элементов речного бассейна на основе перечисленных способов реализовано в виде блока ГТИС

В гидрологических расчетах необходимым шагом является вычисление усредненных гидрологических характеристик элементов структурированной территории (водосборов), таких как длина и извилистость речной сети, площадь водосбора и длина его водораздельной линии, изменение его ширины вдоль течения реки, ареаграфическая и гипсографическая кривые, коэффициент асимметрии водосбора, средний уклон, общий склонов и русла, средняя длина склонов и добегания, продольный профиль русла, коэффициенты зале-сенности, озерности и заболоченности, гидрографическая кривая Для его реализации достаточно средств EML, данных ЦМР, покрытий гидрографии и ландшафтов Это обусловило создание блока ГТИС для вычисления характеристик речного водосбора Применение стандартных операторов EML для расчета уклона речной сети существенно завышает его значения Корректен способ с использованием расчетного перепада высот и суммарной длины речной сети в окрестности ячейки 3x3 растровой ЦМР Для гидрологической склоновой длины предложен метод расчета как удвоенного значения средней потоковой длины до русла на склоне Эти способы включены в соответствующий блок ГТИС

Определяющее влияние на точность расчета контуров и параметров водосборов оказывают масштаб используемой топографической основы и размер ячейки ЦМР Размер ячейки влияет на расчетные величины длины дренажа и морфометрических параметров территории Объем вычислений обратно пропорционален квадрату размера ячейки а, а точность растет с уменьшением

ее размера Объем необходимых для расчета цифровых картографических данных и их суммарная стоимость обратно пропорциональны квадрату масштаба Таким образом, необходимо оценить наибольшие размер и масштаб, для которых достигается заданная погрешность вычисления параметров водосборов Для оценки погрешности е„ при заданном масштабе М использована степенная зависимость вида еа = С ак Предложен способ определения неизвестных С, к для произвольной территории и исходного масштаба картографического материала, основанный на использовании результатов расчета характеристик водосбора для нескольких значений а Геометрическая оценка максимального размера ячейки, достаточного для корректного расчета дренажа для задаштого масштаба М (а в силу симметрии при инверсии рельефа также и водораздельного деления), приводит к результату, обобщающему формулу, предложенную Gyasy-Agyel и \Vilgoose а^ =шах(8м, где Ьм = 0 2 10~3Л'/ - среднее отклонение твердого контура карты, м, 1тах - максимальный уклон на водосборе, а, — стандартное отклонение высот для данной модели местности Формулу для оценки погрешности са представим в виде >:а = // (й/атш)*, где параметр ;; е\0 01 0 1] (для водосборов средней Кату-ни)

Ошибка расчета структурных характеристик территории определяется как геометрическая оценка влияния генерализации и расчлененности рельефа на контур и площадь водосбора Для водосбора площади Р максимальная относительная ошибка расчета ем оценивается как для площади водосбора и вт!>тах - Для длины водораздельной линии и дренажа Относительная ошибка расчета площади водосбора, дренажа и длины водораздельной линии при переменных масштабе и размере ячейки оценивается как сумма ем и са При заданном значении максимальной погрешности расчета етах эта сумма позволяет определить рациональные М и а, с учетом наличия картографических материалов и вычислительных мощностей Для остальных гидрологических характеристик М задается по существующим правилам, а величина а оптимизируется по са

Для расчета контуров и параметров водосборов необходим масштаб 1 100К или крупнее Роскартографией па территорию Россию оцифрованы топоосновы масштабов 1 200К, 1 500К, 1 1М На территорию Сибири и Дальнего Востока цифровые карты масштаба 1 100К и крупнее практически отсутствуют Материалы ДДЗ можно использовать только после дополнительной обработки Исключение составляют материалы по рельефу, полученные при обработке результатов БАЯ, но они обладают низкой корректностью Предлагается использовать для расчета характеристик водосборов цифровые карты наиболее близкие к масштабу 1 200К или ДДЗ в силу их доступности и дешевизны В условиях отсутствия крупномасштабных цифровых карт предлагаются следующие подходы

Параметр Уравнение связи между величиной, рассчитываемой по источнику 1 200К и размеру ячейки 100 м (х), и источнику 1 100К и размеру ячейки 25 м (У)

Р [км2| у = 1 0145 х - 0 4231

I (град) у = 1 2415 х - 1 1465

I» [град] у = 1 4134 х - 1 146

1<,л [град] у = 1 2271 х - 1 2639

1 [км] у = 0 2734 х + 0 3493

Ь [км] у = 1 0353 х + 0 0278

Н [м] у = х

Ьр [км] у = 1 7138 х- 19351

1) Корректировать парамет- Таблица 7 Связь параметров водо-ры, рассчитанные по мелкомас- сборов, рассчитанных по карто-штабной цифровой топофафиче- графическим источникам разного ской карте, с использованием ланд- масштаба для 25 водосборов бас-шафтных карт на основе крупномасштабной топоосновы для небольших участков основных ландшафтов В основе коррекции лежит идея Ю Б Виноградова о зависимости соотношения морфологических и ландшафтных характеристик водосборов, определяемых по картам разного масштаба, от изменчивости ландшафтных зон Получить эти зависимости можно только для карт близкого масштаба В Таблице 7 дом бассейна верхней Катуни приведены зависимости, полученные без учета ландшафтного фактора, а в Таблице 8 с учетом

2) Перейти к крупномасштабному псевдорельефу, созданному на основе мелкомасштабной гипсометрии или ДЦЗ, и данных по рельефу, снятых с топографической карты крупного масштаба (прежде всего, ППР)

Перспективен второй подход Он не требует ландшафтных карт необходимой точности и градации по территории Предлагается простой способ создания псевдорельефа, основанный на зависимости

Н=Ни+(Ня-Ни+£ (1т / 1т)) ехр(-А с!т/1т),

где Ям( Г) и Нт{ Г) - ЦМР, построенные, соответственно, по данным мелкого масштаба М и данным ППР крупного масштаба т (базис эрозии), /ш - локально или глобально усредненная склоновая длина, оцениваемая по густоте речной сети, с!т( Т) -расстояние от ближайшего контура речной сети или озера крупномасштабной карты Величина £ выбирается из условия выполнения равенства (н) = (нм) средних значений высот Значение величины ц определяется из условия \Н-НМ\<2ШМ где АНМ - погрешность мелкомасштабной ЦМР Рациональное значение ¡л можно представить фупкцией среднего модуля отклонения высот ППР \еШ\г = (\НМ -Нт

от мелкомасштабной ЦМР на речной сети Например, для условий горных

Таблица 8 Ландшафтная зависимость коэффициента пересчета уклонов к (у= кх, см Таблица 7) для участков бас-

Ландшафт Число контуров к

Высокогорный 27 1 0109

Долины рек 8 1 0793

Низкогорный 8 0 9353

Среднегорный 82 1 0116

ландшафтов окрестностей оз Телецкое она имеет вид /V =1 76 ln{\U/\dH\r)

Подход обеспечивает создание ЦМР для расчета параметров водосборов с расчлененностью рельефа, близкой точной ЦМР с масштабом данных Г1ПР для областей формирования стока с избыточным увлажнением и развитой речной сетью Эти области расположены в горных районах и наименее обеспечены топографическими картами крупного масштаба Его особенность - эффективная коррекция высот Нм{Г) сети тальвегов и водораздельных линий Создание псевдорельефа базируется на блоке генерации ППР средствами ГИС с использованием точек пересечения горизонталей с речной сетью и урезов крупного масштаба

В главе 4 решена задача 4. Базовыми пространственными объектами ГГИС, находящимися в тесной иерархической взаимосвязи друг с другом, являются территория, водосбор, речная сеть, отрезок речной сети, створ (см рис 5) Отрезки речной сети, характеризуемые направлением и длиной, пред-стааляют речную сэть в форме иерархического дерева с топологией типа node-arc Полигональные области реальной речной сети заменяются линейными объектами, а уединенные водные объекты (бессточные озера) рассматриваются как точки, замыкающие свою речную сеть Створ изображается точкой, принадлежащей отрезку речной сети, местоположение которой определяет расстояние до конца отрезка Створ представляет собой линейный объект, которому соответствуют различные характеристики реки в поперечном сечении. На отрезке может существовать как минимум два створа - в начале и конце отрезка Створ связан с пунктом гидрологических или гидрохимических наблюдений, створом ГТС, сбросом сточных вод, водозабором Ряды наблюдений (последовательности), связаны с пунктом наблюдений на речной сети ("створом") или метеостанцией, пунктом сетевых наблюдений за озером Свойством последовательностей является наличие

Рис 5 Диаграмма классов UML для объектов ГТИС

пробелов Поэтому объект типа "последовательность" включает субпоследовательности - непрерывные ряды с началом и концом наблюдений Водосбор однозначно определяется одним замыкающим створом или двумя створами (начальный и замыкающий), на которые накладывается условие корректности роутинга (частный водосбор) Существуют однозначные соответствия между объектами "отрезок", "речная сеть" и их частными "водосборами", а также между объектом "створ" и его "водосбором" "Водосбор" - объект типа "область" (полигон) Порождающим объектом для водосбора является объект типа "территория" Территория связана с объектами типа "поверхность", описывающими её характеристики в растровом или триангуляционном представлении Различают гидрометеорологические (температура, давление, влажность и др ) и ландшафтные (рельеф, растительность и т д ) характеристики В существующих реализациях картографической шпебры используется в основном растровое представление объектов ГТИС

Универсальная модель ГТИС основана на типовых объектах гидрологии и использует для решения пространствешшх гидрологических задач данные в форме УЦММ, программно-алгоритмическое обеспечение и механизмы целевой настройки (см рис 6) Программные средства включают пакеты для выполнения стандартных ГИС-функций подготовки и обработки данных и функциональные специальные блоки, общие для инженерных гидрологических задач Это блоки 1) подготовки УЦММ (включая подготовку ЦМР, расчет и интерполяцию полей гидрометеоэлементов), 2) расчета структурного деления территории, 3) расчета гидрологических характеристик территории, 4) оценки параметров стока, 5) оценки характеристик затопления территории Блок подготовки УЦММ играет особую роль, поскольку его функции задействованы во всех задачах Поскольку блок - результат решения определенной гидрологической задачи, то с позиции программной реализации он выступает как i 1 ИС-приложение

Построение ГТИС начинается с задания целевой установки Согласно ей и результатам применения подхода, ориентированного на данные, (см рис 2) выбирается алгоритм решения задачи, создается список исходных данных, выбираются способы их обработки с целью получения пространственного распределения гидрологических характеристик Необходимые для этого процедуры входят в блок "Подготовка УЦММ" Следующий этап - применение базовых принципов создания ГТИС Использование существующих функциональных блоков позволяет быстро создавать программное приложение, реализующее решение задачи Выбор ПО производится на основе Таблицы 2 При этом недостающая функциональность реализуется посредством функций картографической алгебры типовых ГИС, а, при их недостаточности - средствами разработки программ на языках высокого уровггя (см рис 6) ГТИС-пршгожения реализованы в монопрограммной форме как ППП, написанные на внутренних языках Arc View (Avenue) и Arc/Info (AML) Для создания ГТИС-приложений, использующих постоянный набор пространствешшх данных, в

целю; упрощения и адаптации пользовательского интерфейса использовались средства разработки фирмы Вог1аш1 Ое!рЫ и С++ВшЫег.

Рисунок 6. Концептуальная схема модели ГТИС.

Типичная ситуация создания ГГИС характеризуется недостаточностью и разнородностью данных, ^следствие этого необходима адаптация программного обеспечения П 'ЙС к типу и объему используемой информации. Она Шйводится двумя способами.

1. Интеграция в УЦММ имеющихся разнотипных данных о г и дрожи и-ческих характеристиках территории. Внешние по отношению к блоку ее подготовки функциональные блоки ГГИС обеспечивают реализацию части алгоритма решения задачи, общей для всех наборов исходных данных.

2. Создание отдельных программных комплексов для обработки различных типов входных данных.

Пример реализации первого способе - создание неевдорельефа. Друшй пример - блок "Оценка характеристик затошгснш'1 Сложность при расчете затопления представляет создание адекватной ЦМ1\ учитывающей разнотипные ) |,а иные по рельефу поймы. С этой целью разработан способ учета наибо-

лее важных при оценке зоны затопления особенностей местности - обрывов и насыпей (см таблица 5) Проблематичным является расчет уровней водной поверхности, который должен проводиться вне ГНС, при этом выбор метода решения зависит от постановки задачи При наличии ЦМР и распределения уровней водной поверхности по исследуемой территории характеристики затопления (площади, объемы, глубины и продолжительности и т д ) рассчитываются в соответствующем блоке ГТИС Составной частью блока является расчет зависимостей живого сечения и ширины потока от глубины для произвольного створа, а также т н поперечников (морфометрических описаний поперечного профиля долины реки, сделанных в форме наборов высот горизонталей рельефа и их расстояний от фарватера реки) Предложен метод расчета этих зависимостей, основанный на трех стадиях, формализуемых в языке ЕМЬ Суть в следующем

1 Производится разделение долины на ряд отсеков, фаницы которых разбивают ее тальвег на ломаные линии одинаковой длины Ь

2 Рассчитываются площади 5 и объемы V затопления каждого отсека долины (отдельно по лево и правобережной части) водной поверхностью с уклоном, равным уклону тальвега при заданных приращениях высот с1Н Верхняя граница определяется по максимальному уровню затопления

3 Для каждого приращения <Ш рассчитываются средние ширина потока и живое сечение в отсеке, соответственно как площадь и объем затопления, деленные на Ь, и оцениваются по значениям право и левобережных долей потока ширины поперечника

Второй способ реализован в блоке "Оценка параметров стока", являющегося типичным примером использования УЦММ в рамках ГГИС Разработаны программные решения, позволяющие рассчитывать экстремальные характеристики гидрологического режима в произвольном створе реки на основе УЦММ (см Рис 7) Если створ совпадает со створом гидрологических наблюдений, и имеются временные ряды наблюдений, эти характеристики рассчитываются по программе "Гидростатистика" Для створов, не совпадающих со створами гидрологических наблюдений, необходима оценка стока на неизученных участках Оценка проводится с использованием аналогов, а при их отсутствии по СНиПам и СП Применение методик и использование аналогов требует знания характеристик водосборов исследуемой реки и реки аналога, если таковая существует Программа "Паводок&Половодье" производит расчет максимального стока весеннего половодья и дождевых паводков неизученных рек на основе методики СНиП (см Рис 8) Особенность программы — выполнение функций в автоматическом режиме При этом используются цифровые карты с исходным масштабом М 1 ЮМ - М 1 22М, представленные в форме пространственной сетки Эта программа использует также ряд данных, снимаемых пользователем самостоятельно с крупномасштабных карт М 1 200К и крупнее (площадь и средний уклон склонов водосбора, гидрографическую длину и средневзвешенный уклон водотока, и др) При наличии

Расчет расходов № различном I ЮЕ гордо исмли для ролопг'гесккх шей (НО гг Гидростат н-стнка")_

Пересчет и pen,yKT9tf,j

расходов к расчетному]

стеру

Оценка стока с-территории

Расчет стоки Htiftsученноs-о вцдообира различной [овгорАемоеш (ПО "Падомин; и Половодье1')

Расчет иодосбориото делении территорий в створах бшдоайших пунктов тддрологичс-ских наблюдении iî расчетном отваре (ПО j "SnipCak" НШ1 сценка nu распровоЯ

! ;":••,:! _____

цифровых карт территории расчет этих данных и очерчивание контуров водосборов автоматизируются приложением БшрСаЬ ш базе ГИС Агс\Че\^г. Рис. 9 демонстрирует расчет для реки Горного Алтая_

Блок оценки парамет-__ров стока__

Расчет водосборного дшшнед К парамеции водосбора ё расчешем створе (ПО "StttoCak"*!__

Оценка параметров водо' сбора по диктсфным картам мелкомасштабного paft-ощтровалия (ПО "Паоодок

^т i I о ли глд.ь g^j_

стока (блекГПИС)

Рисунки 8-9. Пользовательские интерфейсы программы "Паво-док&Пояо'водье'' (8) и 8шрС.а1с (9)

В главе 5 решена задача 5. Расчет зоны затопления волной прорыва при разрушении ГТС - характерная -.идача, использукмцая большой объем данных по территории, в частности, по рельефу местности. Существуют методики и программы для расчета уровней водной поверхности волны прорыва,

требующие подготовки морфометрических данных по долине в нижнем бьефе ГТС. Задача реализована в форме расширения ГНС AгcView (см. Рис. 10) на основе использования функций блока ГТИС "Оценка, характеристик затопления" для расчета поперечных сечений долины и оценки верхней границы затопления методом В.В. Лебедева. Для оценки динамики развития волны прорыва создано приложение "ЬааРнпсПоп" (МаЙгСас!).

Рисунок 10. Пример расчета зоны затопления но методу В.В Лебедева

Для расчета зон затопления паводком различной по вторя с мост разработано ГГ И С-приложение, основанное на использовании методов расчета уровней водной поверхности в ЕМ1 и функций блока "Оценка характеристик затопления" (см. Рис, И). Необходимость в разнообразии методов расчета обусловлена различным объемом имеющихся в шлнчий исходных данных и разным уровнем требований к точности расчета области затопления. При налички данных русловой съемки рельефа русла и поймы для расчета уровней затоцлеция используется программа "Морфоствор"- Однако большая стоимость проведения съемок вынуждает- применять методы оценки уровней, основанные на использовании данных по ППР в межень, данных по рельефу поймы с цифровых карт и ДДЗ, а также материалов гидрологических наблюдений в створе долвдета (створе-аналоге), Для опенки уровней в створе предложен способ интеграции данных по рельефу поймы и полевых измерений

шш ДДЗ в паводок. Способ основан на зависимости:

личины с индексом "О" относятся к гидропушету, - превышение над меженным уровнем в момент космической съемки или полевых измерений.

щ*. <

где вс-

dZf% - расчетное превышение над меженным уровнем Р - Й обеспеченности (повторяемостью f-100/Р), А—5/3 ¡/?J, п - показатель степени, характеризующий по: гс речное сечешь поймы Применение подхода обеспечивает расчеты уровней и зон затопления посредством функций EML. Подход апробировал на зонах затопления в наводки различной повторяемости для нескольких даселенных пунктов Кемеровской области, расположенных на р Кондома, наиболее пострадавших в результате наводнения

р=1%

Рисунок затопления р. Кондома

12.

Моделирование Е. Фсдоровка (исходный масштаб

картоосиовы М 1:5000)

Рисунок I 1. Схема расчета uaií од очных уровней

весной 2004 г. (см. Рис, 12).

Создание моделей русловой трансформации для крупных речных бассейнов позволяет строить краткосрочные прогнозы стока в замы -Кающем створе и оценивать ) 1ро -странственное распределение стока и реальном времени для территории бассейна. Использование ГГЙС существенно повышает степень дис-и ди ффсрс I ища* тми территории бассейна и уменьшает трудоемкость подготовки и обработки исходной каргометрической информации. При разработке моделей русловой гране форма ции задейству-ются функции блоков "Расчет структурною деления территории" и "Расчет гидрологических, характеристик территории" - Предложена по-

следовательность операций, включающая разбиение бассейна на частные водосборы, лево- и правобережную части и эквидистанты, которая рассчитывает распределение расчетных элементов по площади, лесистости и густоте речной сети и определяет функции остаточной трансформации

Реестр водных объектов Алтайского края

i Картографические 1 Атрибутивные Запросы

данные данные

Картографическая база данных по Алтайскому краю масштабов 1 200000 и 1 100000 Природный блок Непространственные запросы

список водных объектов длины рек, площади зеркала олер, координаты истоков и устьев рек, площади водосборов, принадлежность притоков и озер к водосборам главных рек; список гидрологических постов ширчна русел, средние максимальные и минимальные глубины, морфология русел или котловин; список гидрохимических постов запрос полной информации по конкретному годному объекту, запрос полней информации по гидрохимичеасому пункту из предлагаемого списка створов, любому источнику сбросов из базы данных

гидрография, контуры административных районов населенные пункты

Тематические слои

\.гаоры гидрологических и гидрохимических наблюдений; источники сбросов в водные объекты Пространственные запросы

Водно-экологический блок выбор бассейна водного объекта из прилагаемого списка ло названию и координатам; выбор водных объектов расположенных в пределах конкретного административного района, запрос полной информации по объектам, расположенным в водосборе, административном районе или около населенного пункта.

список источников сбросов, объемы «химический состав сбросов (осиовные компоненты) категория водоемов гидрохимический состав вод

Админнстративно-территориалькыи блок

Вычисляемые слои список административных районов принадлежность водного объекта и его водосбора г административным районам; список насеянных пунктов их географические координаты, принадлежность к водным объектам и их водосборам

МГС контуры водосборных бассейнов рек и озер

Рисунок 13 Схема данных и программных запросов "Реестра водных объектов Алтайского края

Оценка состояния и динамики водных ресурсов региона и прогноз их развития требует знаний о составе и характеристиках водных объектов ГТИС, используемая для ведения их перечня принадлежит к информационно-аналитическому типу и строится на основе типовых ГИС и СУБД Пример такой ГТИС служит "Реестр водных объектов Алтайского края" (см Рис 13) Реестр построен на основе УЦММ, включающей покрытие метрической гидрографической сети для решения задач, связанных с разрывностью и неоднородным (линейным и полигональным) представлением данных по гидрографии Существующие фондовые базы данных, как правило, используют информацию о привязке, основанную на расстояниях вдоль речной сети, что приводит к существенным ошибкам при расчете Этот вопрос решается путем совместного анализа имеющихся карт и дополнительной информации, в частности, известной водосборной площади При этом атрибутивная информация хранится в СУБД MS Access Программный инструментарий системы основан на использовании EML (см Рис 14)

1 I гт~

Картографичеекай база данных по Алтайскому краю масштабов 1 200000 и

1 100000_

гидрография, контуры административных районов, населенные пункты, гипсометрии на территорию Алтайского края н Горного

Алтая_

Тематические слои_

створы гидрологических и

гид РОХИМ11ЧССКИХ наблюде

ний; источники сбросов в водные объекты

Вычисляемые слои

МГС ЦМР контуры водосборных бассейнов рек и озер водосборное деления Алтайского края и Горного Алтая (Г>1000 кв км) частные водосборы гидрохимических и гидрологических пунктов

_Природный блок_

список гидрологических постов гидрологическая база данных по 28 действующим постам наблюдений за стоком, включающая в себя ежедневные расходы воды за период с 1987 по 2003 гг, список гидрохимических постов гидрохимическая база данных по 20 действующим створам за период

с 1985 по 2003 гг_

Водно-экологический блок список источников сбросов база данных по водоотведсюпо (на основе информации, предоставленной ГУ ИР МПР России по Алтайскому краю) по сбросам 1258 предприятий за 19912003 годы_

Лдминистратнвно-

_территориальный блок_

список административных районов принадлежность водного объекта н его водосбора к административным районам; список, населенных пунктов их геограс^лчеекне координаты, принадлежность к водосборам пунктов

Непространственные запросы запрос среднегодового, сред нес езон-ного среднемесячного расхода по гидрологическому пункту наблюдений; запрос среднегодовой, средне сезонной, среднемесячной концешра ции вещества по гидрохимическому пункту наблюдений; запрос среднегодового среднесезонНого среднеме оттого потока вещества по гидрохимическому пункту наблюдений при наличии гидрологических наблюдений

Пространственные запросы_

запрос полного объема забора н сброса воды по водохозяйственном} участку запрос среднегодового среднесезогаюго среднемесячного потока вещества при налички гидрологических наблюдений средкесезон-ных среднемесячных концентрации и штока вещества по гидрохнмическо му пункту наблюд ений при отсугсг вин гидрологических наблюдений.

Рис 14 Схема данных и программных запросов, входящих в состав ГТИС для проведения водохозяйственных расчетов для участка р Обь

На базе функций реестра и расширенного списка объектов УЦММ и дополнительных функций блоков ГГИС "Расчет структурного деления территории", "Расчет гидрологических характеристик территории" и "Оценка параметров стока", строится ГТИС для выполнения водохозяйственных расчетов Расширение УЦММ включает ЦМР, ландшафтные слои векторной топографической основы и базы данных по гидрологическим и гидрохимическим наблюдениям и водоотведеншо Основой для проведения расчетов служит деление территории рассматриваемого речного бассейна на водохозяйственные участки - частные водосборы, для которых рассчитываются характеристики водохозяйственного баланса

ио 4*.

'River

#Name

#Sea

^Length

tfRiverln

#RiverOut

#LgigthQUH

+GetName i-ЭеtSea +GetMairiRiv« +Get.TnbutaryOrder1

Plant

ШКР

Шате

+GetOup

+GetName

Jwi

«Plant #NMB #NMS ^Station

ater Pollute point

+GetPlant

+GetBasin +GetRiver +GetLengthOutLet

^lopStreamStatiix (ornil) éDownStoamStaticn

1 2

•нЭ-etTopStreamStation +GetDow

-iJwi

#Plant №B «NMS ¿¿Station

'aler supply point

+0etPlant

Waterpollute Blank #WaterPollutePoint #Year tfVoljme

#VolumeWasteWater Mechanical

+GetWaterPolIulePomt +GetVolume

Water resources

ne gi ort

#TopStreamS emiRiv «"Stat: on #DcwnStreamSernXoads3taticn tfTopStreamSemiLoadStat'cn #DownStreamSeroiLoadStation +GetBasin "

Water supply Blank

#WaterSupptyPomt

#Year

^Volume

SubstanceBlank

AWaterporute Blame

#Substance

MWe»eht

+GefWaterPoliuteBl ank

+GetWeiftht

0 1

JSemi Load station #2tation

#HydrochemicalStat oil #CoefHy(irodiemicalSai.ionl

# Hydroch«micalStation5 #Coe EHydrochemKal 3* aion5 #Area +GetStation

I---'SemiRiver

station # Station «RiverSîàiionî tfCoefRiverStaticnl

#Riv er 3tation5 tfCoefRiverStationS

- tlydrochawcal

statical ^Station ^Location tfTuneObservaticn ffWidth «Depth ffitiverStftion #LengthRjverStaicr

^SemiRiverStabon__

+GetStation +G«tRiver

1 *

Hydrochemical Measure

#Hydroch®njcalStaücr #Time # Substance Concentration

#AuthenUcityC #AuthanticityQ

GetHydrochemica 1 Station

Рисунок 15 Диаграмма классов ЦМЬ для проведения водохозяйственных расчетов в ГГИС

На рис 14 приведен пример использования ГГИС для водохозяйственного районирования и расчета водохозяйственного баланса участка реки Обь от места слияния рек Бия и Катунь до г Камень-на-Оби В качестве инструмента ведения атрибутивной БД, аналогично реестру, используется Microsoft Access Данные в БД организованы в виде связанных таблиц (см, рис 15) Для оценки величины диффузного гидрохимического стока используются блоки "Подготовка УЦММ" и "Расчет структурного деления территории", и функции EML Разработанные приложения верифицированы и калиброваны по данным поступления загрязняющих веществ с водосбора р Барнаулка (приток р Обь) (см Рис 16) и гидрохимического стока для водосбора Верхней Томи

wieirae-

[Sod]-rcjwiy

'{Ьотфкар«}-

Пдафты > - С

ладд-

Jt^j - СКЯД.КН „

(ШЩ-цщГ

ГСр] -потекц концентрации _^ iCp]=([LandUse]n[Sod]) Reclass( )

Lp] потенциаль-

г> ная нагрузка

[LpHCpj4Y]

[г] коэффициент стока _^ [г]- [Landscape] Reclass( )

UYl] локальный сток >j[Yl|^fP)* [r]*0 00l*ef/T

FDuJ - направления стока Fdir]=[DEM] FlowDirecbon

Y] - сток

YJ=Flo w Accum ulaboo .FDir] [Yl})

L] - нагрузка L]=Fk>w Accumulation FDirJiLp])

С] - расчетная гонцентрация LCML]/[Y1]

<" ll.M грснняя

коциетряцкя

Рисунок 16 Схема расчета диффузного загрязнения р Барнаулка Рассмотренные программные решения для реализации ГГИС средствами ЕМЬ ГИС Агсуютд' показывают, что дополнение типовых операций картографической алгебры специфическими пакетами предметно-ориентированных программных решений расширяет возможности классических геоинформаци-опных систем и обеспечивает создание ГГИС - приложений, специализированных для решения широкого круга гидрологических задач

В главе 6 решена задача 6. Рассмотренные выше ГГИС-приложения и программно-алгоритмические реализации блоков подтверждают адекватность ГГИС с позиции достаточности модели для решения поставленных задач Все они внедрены и использовались по отдельности и в комплексе для проведения гидрологических расчетов в проектных институтах Сибири, институтах СО РАН и подразделениях ГУПР С другой стороны, минимизация объема используемых данных а также наличие эффективных пользовательских ГИС-интерфейсов гарантируют, удобство и практическую эффективность разработанных программных решений для конечного пользователя, что подтверждает "необходимость" применения ГГИС

Функциональные блоки ГТИС и ее приложения в полном объеме использовались при выполнении инженерно-гидрологических расчетов, принадлежащих 4 типам задач, в результате решения которых была получена новая информация о динамическом состоянии водных объектов

При разработке водохозяйственного районирования и водохозяйственных балансов бассейнов р Томь, р Иня, р Бия, Верхней Оби, нормативов пре-делыю-допустимою вредного воздействия (ПДВВ) р Томь, р Иня, оз Телецкое, р Лба, для получения оценок воздействия на окружающую среду

ШШШЭ^ в сЩй

ШрИшШШшетз - "

• у --J

ЩН1

.-у-, г- ' -- ,

дяа обоснования инвестиций в организацию прямого автомобильного сообщения между субъектами РФ СФО и западными провинциями Китая; при проведении i 'идролотическ_ж расчетов для обоснования инвестиций в строительство и реконструкцию автомобильной дороги М-52 зз Республике Алтай, Хтх оценки воздействия Кр&швшскот Ш,'(роузяа на компоненты окружающей среды и доработке ТЗО продолжения строительства Кратшщскюго гидроузла на р. Томь с использованием функций блоков "Подготовка УЦММ", "Расчет структурного деления территории", "Расчет Гидрологических характеристик территории", "Оценка стока" и ГГИС приложения для про ведения водохозяйственных расчетов были сделаны оценки водного а гидрохимического шока в расчетных створах, рассчитаны характеристики водопользования и водообеспеченности территорий. По ж итогам был и выработаны рекомендации по развитию водного хозяйства на территориях бассеша Верх.Оби, требования к мостовым сооружениям, данные для расчета проектных характеристик Крапивинскош гидроузла.

Рисунок 17. Призеры реализации запросов в ГГИС "Реестр водггых объектов Алтайскою края"

При разработке шипа действий по устойчивому предупреждению наводнений и противопаводковых мероприятий на территории Кемеровской области, проведении гидрологических исследований участков с высокими уровнями паводков на р Кондома, р Кия, р Мрас-Су, оценке затопления территорий Алтайского края использовались функции блоков "Подготовка УЦММ", "Расчет структурного деления территории", "Расчет гидрологических характеристик территории", "Оценка стока", "Расчет характеристик затопления" и ГГИС-ириложения для расчета затопления паводком различной повторяемости, подготовки данных и расчета волны прорыва при разрушении ГТС Это позволило рассчитать зоны затопления паводком различной повторяемости участков рек в Кемеровской области, подготовить данные для расчета характеристик волны прорыва при разрушении ГТС и рассчитать зоны затопления для ряда ГТС Алтайского края Одним из результатов расчетов стала выработка рекомендаций по созданию инженерных защитных сооружений для предотвращения ущерба от паводков

Функциональность блоков "Подготовка УЦММ", "Расчет структурного деления территории", "Расчет гидрологических характеристик территории", ГГИС-нриложений для проведения водохозяйственных расчетов использовалась в ¡заботе "Управление устойчивым водопользованием на основе бассейнового принципа" и при составлении реестра водных объектов Алтайского края Этот Реестр используется при управлении водопользованием ВерхнеОбским бассейново-водным управлением (см рис 17)

Заключение

Диссертация является научно-квалификациогаюй рабоюй, в которой на основании выполненных автором исследовании решена крупная научная проблема по созданию геоинформационных систем инженерной гидрологии, имеющая важное хозяйственное значение при решении задач природопользования страны

Основные выводы, научные и практические результаты

1 Особенности методики создания ГГИС - учет региональной специфики в исходных данных и алгоритмах их обработки, целевых характеристик гидрологических задач Создание ГГИС - многостадийный процесс, реализуемый на основе адаптации подхода, ориентированного на данные, в зависимости от типа приложений Каждая стадия включает определение набора данных (пространственная и временная дискретность и протяженность, период наблюдения, способ оценки пространственного распределения), выбор алгоритма решения и оценку возможности его применения

2 Разработаны принципы построения универсальной цифровой модели местности (УЦММ) для ГТИС-приложений, основанные на интеграции разномасштабных векторных и растровых топографических, гидрометеорологических данных и данных ДЗ и включающие гидрологическую согласован-

ность данных и выбор целевого назначения УЦММ обеспечивает решение 4 типов задач, отвечав! принципу гидрологической согласованности и учитывает дополнительную информацию о рельефе (гидрография, обрывы, насыпи и т д) Предложенный подход к расчету полей гидрометеоэлементов в рамках УЦММ явно выделяет и учитывает зависимости гидрометеоэлементов от ландшафтных факторов, имеющих масштаб изменения много меньший среднего расстояния между точками измерения

3 На основе операторов картографической алгебры разработаны методики расчета структурного деления и характеристик территории, специфичных для гидрологических приложений В том числе водосборной структуры бессточной территории, право и левобережной частей водосбора, коэффициентов расчлененности территории, уклона вдоль речной сети Предложены критерии для оценки достаточной степени дискретизации УЦММ и исходного масштаба данных по характерному размер}' исследуемого гидрологического объекта и требуемой точности расчета его характеристик Для случая низкой обеспеченности картографическими данными крупного масштаба предложены подходы по расчету гидрологических характеристик, основанные на использовании эмпирических связей между ними, которые установлены по картам разного масштаба, и на использовании при создания ЦМР для расчета морфо-метрических характеристик векторных данных по продольному профилю русла крупного масштаба

4 На базе УЦММ разработана универсальная модель ГГИС, включающая геоинформационные операции над цифровой моделью и приемы их использования, обеспечивающие реализацию пространственных гидрологических задач Показано, что для большинства инженерных задач достаточен набор встроенных операций ГИС, организованных в пакеты Приемы обработки данных включают как стандартные ГИС-операции, так и специализированные блоки в составе 5 единиц для проведения полномасштабного геоинформационного моделирования Блоки унифицированы и обеспечивают подготовку УЦММ, расчет структурного деления территории и ее гидрологических характеристик, оценку затопления территории и параметров стока Они выполнены в форме библиотеки пакетов операций картографической алгебры и программных комплексов Предложены два способа адаптации ПО ГТИС к типу и объему используемой информации 1) интеграция и синтез разнотипных данных на уровне УЦММ и 2) создание отдельных программных комплексов для обработки различных типов входной информации

5 С использованием расширенного аппарата картографической алгебры разработано методическое обеспечение для расчета уровней водной поверхности, оценки зон затопления в паводок и волной прорыва при разрушении ГТС, расчета русловой трансформации Оно программно реализовано в стандартных настольных геоинформационных системах без использования дополнительного ПО Созданы и апробированы методики проведения водохо-

зяйственных расчетов и расчетов затопления территории с использованием созданной ГГИС На базе УТДММ методами ЦМЬ разработаны структуры баз данных С учетом иерархии водных и водопользовательских объектов созданы ГГИС-приложения для ведения реестра этих объектов и проведения водохозяйственных расчетов

6 Адекватность ГГИС подтверждена полнотой и качеством выполненных на ее основе инженерно-гидрологических расчетов, принадлежащих 4 выбранным типам задач При разработке водохозяйственного районирования, ВХБ, нормативов ПДВВ, схем использования водных ресурсов для территорий бассейна Верхней Оби, при проектировании мостов и гидротехнических сооружений были сделаны оценки водного и гидрохимического стока в расчетных створах, получены характеристики водопользования и водообеспечен-ности территорий По этим данным были выработаны рекомендации по развитию водного хозяйства, схемы водопользования территориях бассейна Верхней Оби, требования к рассмотренным сооружениям В рамках плана по устойчивому предупреждению наводнений, противопаводковых мероприятий, проведения гидрологических исследовании на реках Кемеровской области и Алтайского края даны оценки зон затопления паводком, под готовлены данные для расчета характеристик волны прорыва при разрушении ГТС и рассчитаны зоны затопления Выработаны рекомендации по созданию сооружений, предотвращающих ущерб от затопления на реках Кия и Кондома Реестр водных объектов используется органами управления водным хозяйством Алтайского края при анализе характеристик объектов водопользования

Основпые результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Монография

1 Яковченко С Г , Жоров В А , Постнова И С Создание и использование цифровых моделей рельефа в гидрологических и геоморфологических исследованиях, Кемерово Изд-во ИУУ СО РАН, 2004 92 с

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях

2 Винокуров Ю И , Воробьев К В , Ловцкая О В , Широкова С Л , Яковченко С Г , О разработке экологической ГИС "Природные ресурсы Алтайского края", Вычислительные технологии - 1998 -Т 3 -№5 - С 23-27

3 Воробьев К В , Постнова И С , Широкова С Л , Яковченко С Г , Разработка информащгонно-моделирующей системы для оценки загрязненности атмосферы территорий Алтайского края, Вычислительные технологии — 2000 - Т 5 -С 117-127

4 Жоров В А , Яковченко С Г Определение суточных сумм потоков радиации на поверхности склонов, Водные ресурсы - 2003 - Т 30 №6 - С 729-740

5 Жоров В А , Постнова И С , Дмитриев В О , Яковченко С Г Плашфова-ние рисков наводнений с использованием ГИС-технологий, Ползуновский вестник, 2006, № 1-2 с 190-197

6 Ловцкая О В , Яковченко С Г , Жерелина И В , Жоров В А, Постнова И С , Геоинформационное обеспечение водохозяйственных и гидрологических расчетов для экологических прогнозов, Сибирский экологический журнал-2005 -Т 6, с 1013-1023

7 Постнова И С , Яковченко С Г, Дмитриев В О, Технология оценки с помощью ГИС зон затопления весенними паводками малой обеспеченности, ЖВГ, 2005 Т 10, СВ-Томск, часть 2, с 39-45

8 Поляков А А, Боенко К А, Яковченко С Г , Идентификация антропогенно-измененных ландшафтов на территориях проектируемых водоохранных зон с использованием данных дистанционного зондирования, Вычислительные технологии 2006 , Т 11 Спецвыпуск ENVIROMIS -2006 Ч 1 , стр 85-89

9 Яковченко С Г, Постнова И С , Жоров В А , Ловцкая О В , Дмитриев В О Районирование территории по степени опасности и оценка рисков наводнений с использованием ГИС -технологий, Вычислительные технологии 2006 , Т 11 Спецвыпуск ENVIROMIS -2006 Ч 2 , стр 87-93 Программные продукты, зарегистрированные в РОСАПО

10 Воробьев Е К , Жоров В А , Ловцкая О В , Яковченко С Г , "Гидростатистика" программное средство для расчета аналитических кривых обеспеченности ("Гидростатистика" - Свидетельство Роспатента № 2000610667 от 20 07 2000),

11 Воробьев Е К , Жоров В А, Ловцкая О В , Яковченко С Г , "Паво-док&Половодье" программное средство для расчета максимального стока весеннего половодья и дождевых паводков неизучешшх рек ("FloodHigh" — Роспатент № 2001611052 от 20 08 2001),

12 Воробьев Е К , Жоров В А , Ловцкая О В , Яковченко С Г , "Морфос-твор", программное средство для расчета расхода реки в створах со сложной морфологией русла ("Morfostvor" - Роспатент № 2002610623 от 26 04 2002)

13 Ловцкая О В , Постнова И С , Жерелина И В , Яковченко С Г Кормаков В А Реестр водных объектов Алтайского края ("Reestr Altay" - Роспатент № 2007611012 от 06 03 2007)

Материалы в трудах научных конференций

14 Ведухина В Г , Ротанова И Н , Яковченко С Г , Подхода и опыт создания серии водно-экологических карт для территории Алтайского края, Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 225 - летшо МИНГАиК, Москва, 2004 г, С 126-131

15 Воробьев Е К, Жоров В А, Ловцкая О В , Яковченко С Г , О некоторых алгоритмах расчета кривых обеспеченности и их программной реализации, Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия Матер Междунар Научн Конф - Томск, 2000 - С 386-388

16 Воробьев Е К , Жоров В А , Ловцкая О В , Яковченко С Г , О некоторых проблемах численной реализации расчета кривых обеспеченности Труды

конференции "Современные проблемы стохастической гидрологии" Москва, 2001 С 37-39

17 Жерелина И В , Кормаков В И , Яковченко С Г, Управление водопользованием в бассейнах трансграничных водных объектов Сибири (территориальный уровень), Экология 2004 Матер 30 -го Междунар симпоз - Солнечный берег (Болгария), 2004 - 4 1 С 153-180

18 Жерелина И В , Ловцкая О В , Постнова И С , Яковченко С Г, Кормаков В И , Реестр водных объектов как инструмент управления водопользованием, Материалы научной конф Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов, Иркутск, Изд-во ИГ СО РАН, 2005, с 183-185

19 Жерелина И В , Яковченко С Г, Анализ бассейново-ландшафтной структуры территории на основе использования ГИС - технологий в целях рационализации природопользования, Тезисы докладов Всероссийской конференции "Экология ландшафта и планирование землепользования", Иркутск Новосибирск Изд-во СО РАН, 2000 С 63-65

20 Жоров В А , Зырянова Т А , Яковченко С Г , Оценка параметров функций бассейновой трансформации с помощью кривых истощения, Пгтгогшз Матер междун конф - Томск, 2002 -С 214-217

21 Жоров В А , Яковченко С Г , Ловцкая О В , Постнова И С , Зырянова Т А Геоинформационное обеспечение водохозяйственных расчетов для решения задач устойчивого водопользования, ГИС для устойчивого развития территорий Матер Междунар конф - Владивосток-Чанчунь, 2004 -С 139-142

22 Кормаков В И , Жерелина И В , Яковченко С Г Управление трансграничными водными объектами на основе бассейнового принципа (территориальный уровень), Материалы международной конференции по проблемам рек Обь-Иртышского бассейна Усть-Каменогорск, 2003 С 45-47

23 Ловцкая О В , Жоров В А , Яковченко С Г , Развитие методов статистического описания гидро тонических процессов, Етчгогтая Матер междун конф - Томск, 2002 -С 195-199

24 Михайлов С А , Папина Т С , Третьякова Е И , Яковченко С Г , Оценка загрязнения р Барнаулки гидрохимические исследования и модель неточечных источников, Материалы международн научн конф "Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия", 3-7 сентября 2000 г, г Томск, стр 150-154

25 Яковченко С Г, Жерелина И В , Расчет бассейново-административной структуры Алтайского края с использованием ГИС-технологий, Эколого-географические исследования в речных бассейнах Матер II Всероссийской научно-практич конференции - Воронеж Воронежский госпедуниверситет, 2004 -С 102-105

26 Яковченко С Г , Жоров В А , Кинетический подход к описанию русловой трансформации, Труды IV Всероссийской научно-практической конференции

"Региональные проблемы устойчивого развития природоресурсных регионов и пути их решения" Том 1 Кемерово Изд-во ИУУ СО РАН, 2003 С 205-220

27 Яковченко С Г , Жоров В А Опыт практического использования Г'ИС-технологий в гидрологических и водохозяйственных расчетах, Тез докл VI Всероссийского гидрологического съезда - Санкт-Петербург, 2004 - Секц I, С 95-96

28 Яковченко С Г, Жоров В А Расчет волны прорыва с использованием функции добегания Тез докл VI Всероссийского гидрологического съезда -Санет-Петербург, 2004 - Секц 5, С 234-235

29 Яковченко С Г , Жоров В А, Васильев А А , ГИС для подготовки пространственных даш1ых и оценки зоны затопления волной прорыва плотины Сборник материалов научного конгресса, ГЕО-СИБИРЬ-2005, Т 4, Геоинформатика, Новосибирск, 2005, С 78-82

30 Яковченко С Г , Жоров В А, Ловцкая О В , Рекурсивная модель для анализа временных трендов гидрохимической обстановки и ее применение для р Томь, Еттгот^ Матер междун конф - Томск, 2002 - С 206-213

31 Яковченко С Г, Жоров В А, Постнова И С , Использование Г ИС-техпологий при расчетах русловой трансформации, Труды IV Всероссийской научно-практической конференции "Региональные проблемы устойчивого развития природоресурсных регионов и пути их решения" Том 1 Кемерово Изд-во ИУУ СО РАН, 2003 С 194-204

32 Яковченко С Г , ЖоровВА, Постно ваИС, Подготовка смешанных ЦМР с использованием данных по рельефу русла и речной сети для расчета морфометрических характеристик водосборов, Сборник материалов научного конгресса, ГЕО-СИБИРЬ-2005, Т 4, Геоинформатика, Новосибирск, 2005, С 83-88

33 Яковченко С Г , Жоров В А , Постнова И С , " Расчет гидрологических параметров водосборов средствами ГИС"// Материалы Международной конференции "Нгтгогш.ч-2002" "Измерения, моделирование и информационные системы, как средства снижения загрязнений на городском и региональном уровне" Томск, 6-12 июля 2002, С 104-108

34 Яковченко С Г, ЖоровВА, ПосгноваИС, Ловцкая ОВ, Воробь-евЕК, ""ЗШРСАЬС" - геоинформационное приложение для автоматизированного расчета параметров водосборов"// Материалы Международной конференции «ГИС для устойчивого развития территорий», 2003, С 216-221

35 Яковченко С Г, Ковалевская Н М, "Об одном способе получения цифровой модели рельефа"// Материалы Международной конференции «ГИС для устойчивого развития территорий», июнь 1999 г, Якутск, ч 2, С 72-77

36 Яковченко С Г , Михайлов С А , Применение ГИС для оценки нагрузки на водный объект от неточечных источников Труды международн ой научно - практич конф "Геоинформатшса-2000", 12-14 сентября 2000 г, г Томск стр 195-199

37 Яковченко С Г, Постнова И С , Жоров В А, "Алгоритмы построения согласованного продольного профиля русла в ГИС для проведения гидрологических расчетов", Сборник материалов научного конгресса, ГЕО-СИБИРЬ-2007, Т 1, Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия, Новосибирск, СГТА, 2007, С 197-202

38 Яковченко С Г , Постнова И С , Жоров В А , "Расчет морфологических параметров водосборов средствами ГИС для целей моделирования стока'7/ Материалы Международной конференции «ГИС для устойчивого развития территорий», 28 мая- 1 июня 2002 г, Санкт-Петербург, С 295-300

39 Яковченко С Г, Постнова И С, Жоров В А, "Технология создания гидрологически корректных моделей рельефа"// Материалы Международной конференции «ГИС для устойчивого развития территорий», 28 мая -1 июня 2002 г, Санкт-Петербург, С 137-142

40 Яковченко С Г , Постнова И С , Жоров В А , Учет информации об обрывах в цифровой модели рельефа, ГИС для устойчивого развития территорий Матер Междунар конф - Владивосток-Чанчунь, 2004 - С 49-52

41 Яковченко С Г , Постнова И С , Жоров В А , Ловцкая О В , Опыт использования ГИС для оценки зон затопления, ГИС для устойчивого развития территорий Матер Междунар конф - Владивосток-Чанчунь, 2004 - С 574-577

42 Yakovchenko S G , Zhorov V A , GIS-technologies application to the models for runoff formation and hydrological calculations, Abstracts International conférence "Society and Environment International under Global and Regional Changes", Moscow Zeldonzdat, 2003 P 306-308

Сборники научных статей

43 Воробьев Е К , Жоров В А, Ловцкая О В , Яковченко С Г , Программные средства для определения максимального стока при отсутствии данных гидрометрических наблюдений Экологический анализ региона (теория, методы, практика) Сборник научных трудов - Барнаул Издательство СО РАН, 2000, Стр 18-22

44 Жоров В А, Яковченко С Г О некоторых вопросах оценки параметров моделей русловой трансформации Экологический анализ региона (теория, методы, практика) Сборник научных трудов Барнаул Издательство СО РАН 2000, С 29-46

45 Кириллов В В , Жоров В А, Широкова С Л , Яковченко С Г Ловцкая О В, Степченко ТА., К разработке нормативов ПДВВ для водных объектов бассейна Томи, Сборник "Экологические проблемы промышленных регионов" Екатеринбург Изд-во УрО РАН, 2003 С 269-270

46 Bazhin S , Borsheva N, Lovtskaya О, Postaova I, Shirokova S , Vorob'ov К , Vorob'ov Ye , Yakovchenko S , GIS technologies and models for assessment of the state of the environment m éducation, In Proceedings of the Seminar on Teaching Cartography for Environmental Mapping International Cartographie Association -Bamaul, 1999 -P 15-20

Содержание диссертации, доктора технических наук, Яковченко, Спартак Геннадьевич

Введение.

Глава 1. Методические подходы к созданию инженерно гидрологических ГИС.

1.1. Определения и термины, используемые в понятии о гидрологических ГИС.

1.2. Современное состояние и актуальность применения ГИС в гидрологии.

1.3. Методические подходы к созданию гидрологических ГИС.

1.4. Особенности технологии создания ГГИС.

1.5. Выводы.

Глава 2. Универсальная цифровая модель местности (УЦММ) для задач инженерной гидрологии.

2.1. Цифровые картографические данные, используемые в УЦММ и методики их создания.

2.2. Технология создания ЦМР для УЦММ.

2.3. Блок расчета и пространственной интерполяции полей гидрометеорологических элементов.

2.5. Выводы.

Глава 3. Методическое обеспечение структуризации местности и поэлементного расчета ее гидрологических характеристик.

3.1. Блок выделения структурных и расчетных элементов речного водосбора.

3.2. Блок вычисления характеристик речного водосбора и его расчетных элементов.

3.3. Технология создания псевдорельефа для решения проблемы отсутствия цифровых карт крупного масштаба.

3.4. Выводы.

Глава 4. Универсальная модель ГГИС.

4.1. Объекты и процессы ГГИС.

4.2. Основные блоки ГГИС.

4.3. Программные средства, используемые при реализации универсальной модели ГГИС.

4.4. Универсальная модель ГГИС.

4.5. Блок оценки характеристик затопления паводками и волной прорыва плотины с помощью ГИС - пример реализации механизма адаптации путем синтеза.

4.6. Блок оценки параметров стока - пример реализации механзма адаптации путем создания отдельных программных комплексов.

4.7. Выводы.

Глава 5. Предметно-ориентированные программные решения для реализации ГГИС.

5.1. Примеры использования ГГИС при расчетах русловой трансформации.

5.2. Использование ГГИС для ведения реестра водных объектов и водохозяйственных расчетов.

5.3. ГГИС приложения для расчета затопления паводком различной обеспеченности.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Создание геоинформационных систем в инженерной гидрологии"

Актуальность темы и состояние исследований. В последние десятилетия геоинформационные системы стремительно проникают практически во все сферы человеческой деятельности, связанные с пространственным анализом и моделированием природопользовательских процессов. Задачи построения геоинформационных структур, функций и методов управления данными, их анализа, приспособленных для обработки разнородных, неупорядоченных потоков информации в предметных областях, стали важнейшими в геоинформатике. Инженерная гидрология является одним из потенциальных потребителей геоинформационных технологий, что обусловлено большими объемами используемой в ней пространственной информации, сложностью и специфичностью её обработки.

Проблемой инженерной гидрологии является отсутствие единого, масштабированного, открытого для исследователей и пользователей-гидрологов, информационного банка, характеризующего состояние гидроресурсов территории и их использование. Источник этой проблемы - разбросанность пространственных и мониторинговых данных по ведомствам, их неполнота, отсутствие систематичности, несогласованность, а также усложненный порядок доступа к существующей информации. Такое состояние дел усугубляется неадекватностью используемых гидрологических моделей для обработки современных массивов данных и отсутствием соответствующих технологий автоматизированного расчета пространственных гидрологических характеристик и структуризации территории. Необходимо решение гидрологических задач в условиях минимума информации, что требует их глубокой проработки и анализа с целью получения максимально возможной полноты решения.

Отсутствие предметно-ориентированных геоинформационных моделей затрудняет решение основных задач гидрологии. К ним относятся: создание реестра водных объектов, оценка стока вод, характеристик затопления местности паводками и волной прорыва при разрушении гидротехнических сооружений (ГТС), характеристик водопользования и водообес-печенности территорий в водохозяйственных расчетах.

В связи с этим необходима разработка методических подходов, геоинформационных моделей, методов и критериев построения предметно-ориентированных ГИС широкого и разномасштабного пространственного охвата инженерно-гидрологических задач (далее гидрологические ГИС или ГГИС). Создание таких ГГИС должно базироваться на комплексных методических, информационных и программных решениях, обеспечивающих эффективную реализацию задач инженерной гидрологии в рамках единого информационного поля. Создание этого поля базируется на универсальных цифровых моделях местности (УЦММ), включающих цифровую модель рельефа (ЦМР). В связи с этим создание геоинформационных систем в инженерной гидрологии на основе современных типовых ГИС является актуальной проблемой, имеющей большое научное и практическое значение.

Результаты диссертационной работы являются обобщением десятилетних исследований и разработок автора в области ГИС-технологий и их приложений. Диссертационные исследования выполнялись в течение 19992005 гг. в рамках госбюджетной темы «Гидрологические и экологические процессы в речных системах и их водосборных бассейнах в различных природных зонах Сибири»; интеграционных проектов 2000-2002 г. "Обь-Иртышская бассейновая система: формирование, антропогенная трансформация, экологическое состояние и стратегия водопользования", 20022005 г.г. "Геоинформационные ресурсы Алтайского экорегиона как основа для мониторинга, моделирования и прогнозирования динамики взаимодействия "человек-окружающая среда"", 2002-2005 г.г. "Анализ и моделирование экстремальных гидрологических явлений в целях разработки мероприятий по предотвращению неблагоприятных последствий и минимизации ущерба на водных объектах Сибири", 2002-2005 г.г. "Глобальная и региональная трансформация водного и химического стока в бассейне Оби под воздействием природных и антропогенных факторов"; НИР ИВЭП СО РАН; " хоздоговорных тем ИВЭП СО РАН и ЗАО "Центр инженерных технологий [227-257], включавших проведение инженерно-гидрологических расчетов в выбранном наборе задач; гранта РФФИ 99-0564600.

Предметом исследования является геоинформационная система в инженерной гидрологии.

Цель и задачи исследований. Цель диссертации заключается в разработке комплексного обеспечения рациональных решений задач инженерной гидрологии на основе специализированных ГИС, их аналитического аппарата и программных решений в форме ГГИС-приложений.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. разработать и обосновать методические подходы к созданию ГГИС;

2. создать единую информационную основу задач инженерной гидрологии - универсальную цифровую модель местности (УЦММ);

3. разработать алгоритмы структуризации местности, поэлементного расчета ее гидрологических характеристик и оценить влияние шага дискретизации и масштаба исходных данных на корректность расчета;

4. построить универсальную модель ГГИС для решения задач инженерной гидрологии;

5. разработать предметно-ориентированные программные решения для реализации ГГИС-приложений;

6. апробировать созданные ГГИС - приложения на задачах инженерной гидрологии.

Методы исследований. В работе использовались:

• методы системного анализа и функционального моделирования - для обоснования подхода к построению универсальной модели ГГИС и УЦММ;

• методы проектирования концептуальных и логических схем БД, организации информационных сред и доступа к ним, методы сбора, хранения, преобразования и отображения пространственно-распределенных данных - для создания ГГИС-приложений.

Исходными материалами являются стандартные гидрометеорологические и гидрохимические наблюдения Гидрометслужбы за многолетний период, цифровые топографические карты различных масштабов на территорию Верхней Оби, в том числе созданные под научным руководством и при непосредственном участии автора, в ходе выполнения работ по грантам, программам НИР и хоздоговорным темам, цифровые ландшафтные карты, созданные в ИВЭП СО РАН и ИГ СО РАН, фондовые и литературные материалы по моделированию водного и гидрохимического стока, параметрам ГТС.

Литературные источники включают как материалы отечественных исследований, так и зарубежные публикации по вопросам использования ГИС для гидрологических расчетов.

Защищаемые положения: 1. Создание ГГИС в условиях неполноты и затрудненного доступа к информации о гидрологическом состоянии территории должно основываться на адаптации к задачам инженерной гидрологии подхода, ориентированного на данные.

2. Целевая установка и принцип гидрологической согласованности определяют необходимые условия, а ГИС-интеграция информационных потоков топографических данных, ДДЗ, фондовых и мониторинговых данных и их производных - достаточные условия построения УЦММ.

3. Введение критерия структуризации территории и точности расчета её гидрологических характеристик обеспечивает рациональный выбор параметров УЦММ - шага дискретизации и масштаба.

4. Выявление функциональных единиц для реализации задач инженерной гидрологии и их организация в соответствующие блоки создает программно-алгоритмическую основу построения ГГИС.

5. Целенаправленное объединение функциональных единиц согласно предметно ориентированным программным решениям создает необходимые условия адаптации ГГИС к широкому кругу задач инженерной гидрологии в форме ГГИС-приложений.

6. Реализация ГГИС в форме ГГИС - приложений снижает непроизводительные затраты и повышает качество обработки информации, по сравнению с типовыми ГИС, обеспечивая адекватность принимаемых пользователями-гидрологами решений.

Достоверность. Научные положения и выводы обоснованы:

• использованием широко апробированных методов проектирования геоинформационных систем, методов картографической алгебры и методик гидрологических расчетов;

• допустимым расхождением цифровых моделей с точным картографическим расчетом по картам крупного масштаба;

• сравнением полученных распределений величин (солнечной радиации) с известными аналитическими результатами (расхождение не более 4-10 %);

• результатами практического применения созданных ГГИС-приложений для водных объектов бассейна Верхней Оби.

Научная новизна заключается в следующем:

• Разработаны методические подходы к построению предметно-ориентированных ГГИС для решения задач инженерной гидрологии, отличающиеся от существующих учетом региональной специфики (доступность и тип исходных данных, особенности региональных методик гидрологических расчетов).

• Создана универсальная цифровая модель местности, отличающаяся мно-гомасштабностью и разнородностью цифровых картографических материалов и способами целевой интеграции и использованием этих материалов в инженерно-гидрологических расчетах. В ее рамках предложен подход к расчету полей метеоэлементов средствами картографической алгебры, основанный на разделении методов интерполяции по масштабу пространственной неоднородности.

• Разработаны методики расчета ряда характеристик территории (уклон речной сети, длина склонов и др.) и введен критерий рационального выбора параметров УЦММ (шаг дискретизации и масштаб данных) для их расчета.

• Построена универсальная модель ГГИС, основанная на комплексном использовании данных полевых исследований и ДЗ, картографических и архивных данных. Модель обладает механизмами адаптации к типу и объему используемой информации в условиях её недостаточности.

• Разработаны программные решения для типовых задач инженерной гидрологии, включая реестр водных объектов, оценку стока вод и характеристик затопления, водопользования и водообеспеченности территорий. Решения отличаются механизмами настройки на тип имеющихся исходных данных.

• Созданные ГГИС - приложения (их методический аппарат и структуры) апробированы в ходе комплексных полномасштабных испытаний на водных объектах бассейна Верхней Оби, в результате которых была получена новая информация об их динамическом состоянии (водохозяйственные характеристики, зоны затопления паводками, реестр водных объектов и др.).

Научная значимость результатов работы состоит в создании методического обеспечения для построения адаптивных специализированных ГИС, предметно-ориентированных на решение задач инженерной гидрологии, реализация которых базируется на созданном универсальном геоинформационном инструменте - УЦММ посредством развития функциональных единиц, оперирующих разнородными и разномасштабными данными.

Практическая значимость результатов работы состоит в следующем: •Предложены подходы к интеграции разномасштабных и разнородных векторных и растровых топографических данных и ДДЗ, которые на порядок снижают затраты на решение гидрологических задач при отсутствии цифровых данных по рельефу крупного масштаба.

•Даны рекомендации по созданию УЦММ для различных типов гидрологических расчетов, которые минимизируют объем работ по созданию цифровых картографических материалов. На основе интерполяции полей гидрометеорологических величин с учетом ландшафтной зависимости получены недостающие данные для бассейнов рек Кондома и Бия. •Создано программное обеспечение (ПО) для расчета максимального стока изученных и неизученных рек ("Гидростатистика" и "Паво-док&Половодье"), параметров водосборов ("Snipcalc") и расхода реки в створах ("Морфоствор"), оценки затопления волной прорыва при разрушении ГТС ("Floodcalc"), а также "Реестр водных объектов", ориентированное на пользователя-гидролога.

• Разработаны методические рекомендации по целевому построению ГГИС пользователем-гидрологом, ориентирующие его на комплексное решение задач на основе базового класса. Рекомендации охватывают задачи оценки русловой трансформации и максимального стока, построения полей гидрометеоэлементов и оценки зон затопления паводком, волной прорыва, вклада территории в гидрохимический сток, а также подготовки первичных данных.

Личный вклад автора.

Рассматриваемые в диссертации исследования и практические работы выполнены в лаборатории гидрологии и геоинформатики Института водных и экологических проблем СО РАН и ЗАО "Центр инженерных технологий" в рамках обозначенных ранее тем, по которым автор являлся научным руководителем (или соруководителем) и/или ответственным исполнителем. Защищаемые и составляющие новизну результаты получены лично автором. К результатам, приведенным в содержательной части, полученным в неделимом соавторстве, относятся методики учета дополнительной информации при создании ЦМР и расчета гидрологических характеристик подстилающей поверхности, критерий структуризации территории и точности расчета её гидрологических характеристик, модель уровней водной поверхности для оценки зон затопления в паводок (совместно с Постновой И.С.), программные решения для основных задач инженерной гидрологии (выполнены совместно с коллективами указанных организаций).

При проведении расчетов стока применялась концепция стохастического моделирования русловой трансформации, предложенная Д.А. Бура-ковым.

При оценке возможности использования мелкомасштабных цифровых карт при проведении гидрологических расчетов была использована идея Ю.Б. Виноградова о том, что соотношение морфологических и ландшафтных характеристик водосборов, определяемых по картам разного масштаба, отличается для различных ландшафтных зон.

При разработке подхода к расчету полей метеоэлементов в ГИС использована схема интерполяции снегозапасов, предложенная В.А. Шутовым.

Реализация результатов работы: Разработанные программы "Гидростатистика", [18]; "Паводок&Половодье", [22], "Морфоствор", [19], "Snip-calc", [133], "Floodcalc", [127], "Реестр водных объектов" [38] внедрены и применяются для проведения гидрологических расчетов в организациях ОАО "Алтайавтодор", ОАО "Алтайводпроект", ОАО "ТомскНИПИНефть ВНК", ОАО ТорноАлтайскавтодор", ОАО "Сибгипротранс ИВЭП СО РАН, ИГ СО РАН, ИУУ СО РАН, Верне - Обском БВУ, Кемеровском ГУПР, Алтайском ГУПР и ряде других.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы, отдельные ее положения докладывались на научном семинаре ИВЭП СО РАН, региональных научных и научно-практических конференциях и совещаниях, конференциях всероссийского и международного уровня, из которых приведем последние. Международные научные конференции: «Проблема устойчивого развития общества и эволюция жиз-ненных сил населения Сибири на рубеже XX - XXI веков» (Барнаул, 1998), «ГИС для устойчивого развития территорий: Intercarto 4» (Барнаул, 1998), «ГИС для устойчивого развития территорий: Intercarto 5» (Якутск, 1999), «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия» (Томск, 2000), ENVIROMIS 2002 «Измерения, моделирование и информационные системы как средства снижения загрязнений на городском и региональном уровне» (Томск, 2002), «ГИС для устойчивого развития территорий: Intercarto 8» (Санкт-Петербург, 2002), по проблемам рек Обь-Иртышского бассейна (Усть-Каменогорск, 2003), "Society and Environment International under Global and Regional Changes" (Москва-Барнаул, 2003), «ГИС для устойчивого развития территорий: Intercarto 9» (Новороссийск

Севастополь 2003), «ГИС для устойчивого развития территорий: Intercarto 10» (Владивосток-Чаньчунь, 2004), ENVIROMIS 2006 «Измерения, моделирование и информационные системы как средства снижения загрязнений на городском и региональном уровне» (Томск, 2006). IX Всероссийский гидрологический съезд (Санкт-Петербург, 2004), Международная научно - практическая конференция Теоинформатика-2000" (Томск, 2000), Международная конференция "Научный конгрессе ГЕО-Сибирь-2005" (Новосибирск, 2005), Международная конференция "Научный конгресс ГЕО-Сибирь-2007" (Новосибирск, 2007), Международная конференция и школа молодых ученых по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде Cites - 2005 (Новосибирск, 2005); а также Всероссийские научные конференции: "Экология ландшафта и планирование землепользования", (Иркутск, 2000), "Современные проблемы стохастической гидрологии" (Москва, 2001). Научная конференция "Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов" (Иркутск, 2005).

Публикации. Автором опубликовано 89 работ. Основное содержание диссертации изложено в 46 публикациях, в том числе в 1 монографии, 8 публикациях в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, 4 свидетельствах на программные продукты, зарегистрированных в РОСАПО.

Объем и содержание работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, 5 приложений, библиографии из 257 наименований, 73 рисунков и 36 таблиц. Общий объем работы - 408 страниц.

Заключение Диссертация по теме "Геоинформатика", Яковченко, Спартак Геннадьевич

4.7. Выводы

Разработана универсальная геоинформационная модель ГГИС, включающая в себя набор данных в форме базовой универсальной цифровой модели местности (УЦММ) и специфичных геоинформационных операций над ними, а также приемы их использования, обеспечивающие реализацию инженерных гидрологических, в которых задействованы пространственно распределенные данные. Показано, что выявление функциональных единиц для реализации задач инженерной гидрологии и их организация в соответствующие блоки создает программно-алгоритмическую основу построения ГГИС. Для большинства инженерных задач достаточен набор встроенных операций ГИС, организованных в пакеты. Приемы обработки данных включают как стандартные ГИС-операции, так и специализированные блоки в составе 5 единиц для проведения полномасштабного геоинформационного моделирования. Определен состав целевых функциональных блоков, выполненных в форме библиотеки пакетов операций картографической алгебры и программных комплексов, и предложены механизмы адаптации программного обеспечения ГГИС к варьируемым в широком диапазоне типу и объему используемой информации. Основными механизмами адаптации являются:

1. Интеграция и синтез существующих разнотипных данных о гидрологических характеристиках территории в УЦММ. При этом внешние по отношению к блоку подготовки УЦММ функциональные блоки ГГИС обеспечивают реализацию части алгоритма решения задачи, общей для всех наборов исходных данных.

2. Создание отдельных программных комплексов для обработки различных типов входной информации при реализации блоков ГГИС и ГГИС приложений.

Первый механизм реализован на примере подхода с созданием псевдорельефа, используемого в блоках расчета структурного деления и характеристик территории и блока оценки характеристик затопления. Второй механизм реализован в блоке оценки стока, являющемся типичным примером использования УЦММ в рамках ГГИС.

Рассмотрена реализация блока расчета характеристик затопления, разработанного для подготовки данных для расчета уровней затопления в створах водного объекта и расчета зоны затопления и её характеристик по известным уровням в форме программно алгоритмической реализации на языке EML ГИС ArcView. Функции блока позволяют провести расчет пространственных характеристик затопления заданной водной поверхностью переменной высоты и расчет морфометрических характеристик затапливаемой долины, в том числе, зависимости живого сечения, ширины водного потока от уровня, а также поперечников долины и топологической принадлежности зоны затопления (левобережная и правобережная).

Описана реализация блока оценки стока ГГИС, решающего задачу оценки характеристик стока с изученных и неизученных территорий и, в частности, определения экстремальных характеристик гидрологического режима в произвольном створе реки на основе УЦММ. Блок организован в форме трех независмых друг от друга программных приложений, два из которых ("Гидростатистика" и "Паводок&Половодье") могут работать без использования настольной ГИС, а третье ("SnipCalc") реализовано средствами ГИС ArcView. Данные приложения позволяют провести оценку стока с изученной и неизученной территории различной степени точности, зависящей от набора входящих в УЦММ исходных данных. В ходе создания данных программных комплексов найден ряд новых алгоритмико-программных решений, в том числе:

• Найдены объяснение и аналитическая формулировка известной проблемы особых точек, возникающей при использовании распределения Крицкого-Менкеля.

• Предложена технология создания набора данных для программной реализации решения гидрологических задач, использующих неизменный набор карт для определения и расчета параметров территории.

Глава 5. Предметно-ориентированные программные решения для реализации ГГИС

5.1. Примеры использования ГГИС при расчетах русловой трансформации

5.1.1. Применение моделей русловой трансформации в гидрологии

Создание моделей русловой трансформации для крупных речных бассейнов позволяет прогнозировать сток в замыкающем створе за несколько дней и даёт возможность оценить пространственное распределение стока в реальном времени для территории бассейна. Такие модели со стохастическим расчетом добегания применялись рядом исследователей [6,7,8,41,43] для различных сибирских рек. Использование геоинформационных технологий при создании таких моделей позволяет существенно повысить степень дискретизации и дифференциации территории бассейна и уменьшает трудоемкость подготовки и обработки исходной картометриче-ской информации. В нашей работе [129] рассмотрены некоторые аспекты применения ГИС-технологий при создании модели русловой трансформации в бассейне р. Томи.

5.1.2. Основные особенности моделей русловой трансформации на базе использования функции добегания

Остановимся кратко на основных особенностях моделей русловой трансформации, основанных на использовании функции добегания.

Прежде всего, бассейн разбивается на частные водосборы (зоны), размер которых вдоль русла главной реки не превышает некоторой характерной величины (180 км для бассейна р. Томь). Замыкающие створы зон, как правило, являются точкой впадения в реку более высокого порядка или связаны с положением пунктов наблюдения сети Роскомгидромета. Зона делится на лево- и правобережную части, в каждой из которых проводятся эквидистанты (линии одинаковых расстояний до замыкающего створа) вдоль главного русла и, в случае водосборов с транзитным стоком, вдоль боковых притоков от главного русла.

Для расчета бокового притока используется метод аналогов. Для его применения необходимо знать внутризонное распределения площади, лесистости, густоты речной сети. Это распределение применяется для сравнения зон, выделения аналогов и определения функций трансформации стока.

В качестве аналогов рассматриваются бестранзитные зоны, имеющие в замыкающем створе постоянные наблюдения за стоком. Аналоги выбираются на основе рассмотрения тесноты связи бокового притока зоны со стоком имеющихся бассейнов. Сток в створах зон с отсутствием гидрологических наблюдений определяется по выбранным аналогам. Выделяются зоны без транзитного стока и с наличием транзитного стока.

Для первых расход на замыкающем створе зоны к определяется выражением а) для аналогов: б) для прочих или при отсутствии данных за моделируемый период: где К™ =1™ -FJFm - коэффициент стоковой приводки (rj™ определяется оптимизацией, в первом приближении равна 1). Параметр Т в интеграле здесь и далее равен t, как это обычно принимается (см. [7]), но более корректным математически и физически представляется принять его постоянным и равным максимальному интервалу времени, при котором функция остаточной трансформации не равна фактически нулю. Для расчета функции остаточной трансформации между m и п зонами f°rm (г) достаточно знать её моменты, определяемые через разности моментов распределений площадей участков зон, вычисляемых как:

5.1а) т

5.16) N

5.2) где /" - относительная доля площади участка между j-й и j-1-й эквидистантой в полной площади участка. При этом парциальные моменты участков вычисляются по формулам, предложенным Д.А. Бураковым [7].

Для транзитных зон сток в замыкающем створе Qn(t) делится на две части - транзитный qn(t) и сток боковых притоков q,f (t). При этом сток боковых притоков разделяется еще на две части - сток левобережной и правобережной зон (0, qbn\2(0:

Qn(t)=qn{t)+qbn(0 + ^(0 • (5-3)

Транзитный сток зоны п рассчитывается по сумме притоков во входных створах qlxod(t) и функции трансформации: о=]fiw;od(t-i)di. (5.4) о

Моменты для расчета функции трансформации транзитного притока на п-м участке (г),согласи о [7], определяются с использованием гп - среднего времени добегания вдоль русла зоны, Ln - полной длины русла вдоль зоны.

Боковой приток рассчитывается для каждой из правобережной и левобережной зон отдельно с использованием данных по аналогам (аналоги могут быть как одинаковыми, так и различным для каждой зоны) и функции остаточной трансформации. Боковой приток подзоны 5 (^=1 - левобережная, s~2 - правобережная) рассчитывается по формуле: q'iM) = К, ■ )fn0Lmtit-i)di, (5.5) о где K"s = r]n's ■ F„ s / Fm - коэффициент стоковой приводки (rj'"s - определяется оптимизацией и в первом приближении равна 1). Моменты функции остаточной трансформации f°'!ns(i) определяются через моменты распределения времен добегания при движении в главном русле и в боковых притоках подзон зоны п.

Соответствующие формулы для моментов приводятся в [41], причем используются коэффициенты С, определяемые для трансформации в главном русле как:

Здесь введены определения: (р""н - относительная доля площади частного водосбора участка русла, расположенного на расстоянии [/(/-1).//] от замыкающего створа подзоны s зоны п; у/"-" - относительная доля площади между эквидистантами j-1 и j, проведенными по боковым притокам от главного русла подзоны s зоны п (относительные доли понимаются как доли от площади подзоны s зоны п Fns).

В качестве функции трансформации как транзитного стока, так и боковой приточности обычно используется функция распределения Бровко-вича.

Описанная выше расчетная схема упрощена и не учитывает, например, различий густоты речной сети и гипсометрических кривых для зоны аналога и расчетной зоны.

5.1.3. Применение ГГИС для оценки параметров модели русловой трансформации

Анализ расчетной схемы приводит к выводу, что целесообразно применять ГИС-технологии для уменьшения трудоемкости расчетов в трех основных блоках [129]: а) при расчете деления территории на участки, с помощью функций блока ГГИС расчета структурного деления территории; б) при определении характеристик участков, используемых далее при сравнении и расчетах (в частности, определение коэффициентов С и пар

5.6)

5.7) циальных моментов участков), с помощью функций блока ГГИС расчета характеристик территории; в) при выборе аналогов и районировании (через расчет характеристик зон) с помощью функций блока ГГИС расчета параметров территории.

Рассмотрим реализацию этих этапов для бассейна р. Томи [129].

Бассейн (около 60 ООО км2) был разбит на 91 зону, длина каждой зоны вдоль русла не превышала 180 км (Рисунок 5.1).

Величина шага между эквидистантами при делении бассейна I была выбрана равной 20 км.

В том числе были выделены:

1. 37 зон с отсутствием транзитного стока. Из них 19 замыкаются пунктами гидрологического мониторинга и могут использоваться как аналоги;

2. 42 транзитные зоны с наличием транзитного стока;

3. 12 транзитных зон, боковым притоком для которых можно пренебречь. Для этих зон длина вдоль русла была меньше /.

Для бестранзитных зон были проведены эквидистанты и рассчитаны параметры межэквидистантных площадок.

Для транзитных зон главное русло было разбито на участки длины /, для каждого участка построены лево- и правобережный субводосборы, для

Рисунок 5.1. Деление на расчетные участки бассейна р.Томи каждого из которых, в свою очередь, проведены эквидистанты бокового притока через /. Для полученных площадок были рассчитаны соответствующие параметры (по технологии, описанной в публикациях [132,133]). Всего были рассчитаны параметры для 264 площадок (площадь, средний уклон, средняя высота, залесенность, средняя склоновая длина, дренажный уклон, густота речной сети).

Далее были вычислены моменты функций распределения межэквидистантных площадок (по площадям) и на их основе моменты функций трансформации бокового и транзитного притоков для каждого из участков. Этим исчерпывается задача подготовки исходных параметров для моделирования.

Таким образом, в нашем случае использовалось разделение территории на расчетные элементы следующих типов

1) склоновая часть, русловая часть;

2) зоны постоянной длины добегания;

3) водосборы, в том числе отдельно левый и правый.

Порядок такого деления описан нами в разделе 3.1.4.

Расчет морфометрических характеристик зон позволяет использовать полученные данные при первоначальном выборе аналогов для расчетных зон и оценке параметров функций трансформации.

В качестве примера приведем фрагмент таблицы характеристик зон (Таблица 5.1).

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Яковченко, Спартак Геннадьевич, Барнаул

1. Административно-территориальный блок список административных районов, принадлежность водного объекта и его водосбора к административным районам; список населенных пунктов, их географические координаты, принадлежность к водным объектам и их водосборам

2. Рисунок 5.3. Схема данных и программных запросов, входящих в состав ГГИС "Реестр водных объектов Алтайского края

3. Е<* Bew Itieme SMphres XTools Window Help Реестр

4. Рис. 5.4. Примеры реализации запросов в ГГИС "Реестр водных объектов Алтайского края"

5. ГГИС для проведения водохозяйственных расчетов для участка1 I I

6. Рисунок 5.5. Схема данных и программных запросов, входящих в состав ГГИС для проведения водохозяйственных расчетов для участка р.Оби

7. Административно-территориальный блоксписок административных районов, принадлежность водного объекта и его водосбора к административным районам; список населенных пунктов, их географические координаты, принадлежность к водосборам пунктов

8. Простейшие примеры расчета коэффициентов следующие.

9. Створ измерения стока находится на реке 1. Расчетный створ наFходится на реке 1. Тогда Yp=-^--Yl.

10. Створы измерения стока находятся вблизи замыкающих створов рек 1 и 2, образующих при слиянии реку 3. Расчетный створ находится на реке 3 вблизи слияния рек 1 и 2. В этом случае выражение для расчетного стока:

11. С full р pjull р у 1 1 Р у , Р ур Fx ' Fxfutl + F2fu" F2 F/^'+Ff" Коэффициенты определяются экспертным путем, иногда с дополнительным привлечением функций блока ГГИС оценки параметров стока.

Информация о работе

Яковченко, Спартак Геннадьевич
доктора технических наук
Барнаул, 2007
ВАК 25.00.35

Диссертация

Создание геоинформационных систем в инженерной гидрологии - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы