Содержание к диссертации
Введение
1 Проблемы мониторинга природно-технических систем магистральных трубопроводов и подходы к их решению 11
1.1 Особенности и научные подходы к мониторингу линейных природно-технических систем 11
1.2 Тенденции и перспективы в области мониторинговых систем обработки, анализа и представления геопространственных данных .. 16
1.3 Физико-географические условия строительства и эксплуатации газопроводов севера Западной Сибири 20
1.4 Технологические особенности проектирования, строительства и эксплуатации трасс магистральных трубопроводов в условиях криолитозоны 25
1.5 Воздействие на окружающую среду при обустройстве и эксплуатации трасс магистральных газопроводов 32
1.5.1 Основные процессы, влияющие на магистральные газопроводы криолитозоны 32
1.5.2 Причины и экологические последствия аварий магистральных трубопроводов 34
Выводы 38
2 Современные средства и методы дистанционного зондирования земли для мониторинга природно-технических систем 40
2.1 Анализ требований к видам дистанционной информации ДЗЗ, применяемой при изучении и картографировании ПТС 40
2.2. Мировые тенденции используемой и создаваемой аппаратуры действующих и проектируемых зарубежных КА ДЗЗ 44
2.2.1 Используемая и создаваемая съемочная аппаратура ДЗЗ действующих и проектируемых зарубежных КА работающей в оптическом и ИК диапазоне 44
2.2.2 Используемая и создаваемая съемочная аппаратура ДЗЗ действующих и проектируемых зарубежных КА в радиодиапазоне 47
2.3 Сравнительный анализ и оценка аэрокосмической информации для целей мониторинга состояния ПТС МГ 49
2.3.1 Возможности применения данных ДЗЗ для мониторинга состояния ПТС МГ. 49
2.3.2 Анализ информационных свойств данных ДЗЗ для целей монит-ринга состояния ПТС МГ. 52
2.3.3 Оценка информативности данных ДЗЗ для целей мониторинга состояния ПТС МГ. 63
Выводы 73
3 Разработка модели зависимости состояния линейных ПТС от характера взаимодействия природной и техногенной составляющих . 75
3.1 Математическая модель взаимодействия природной и техногенной составляющих ПТС 75
3.2 Разработка динамической модели состояния ПТС 82
3.2.1 Анализ устойчивости и построение динамической модели ПТС 82
3.2.2 Алгоритм построения динамической модели ПТС 85
3.3 Реализация разработанной модели на базе современных информационных технологий 87
3.3.1 Возможности использования современных ГИС-технологий для решения задач мониторинга 87
3.3.2 Разработка структуры баз данных информационно-аналитического комплекса анализа состояния ПТС МГ. 89
3.3.3 Информационно-картографическое обеспечение мониторинга ПТСМГ. 92
3.3.4 Концептуальная модель хранения геопространственных данных в комплексной базе данных 98
Выводы 103
4 Оценка состояния и построение прогнозов динамики природно-технических систем магистральных газопроводов 105
4.1 Оценка состояния МГ по данным аэрокосмического мониторинга 105
4.1.1 Определение вероятностных характеристик состояния ПТС 105
4.1.2 Построение регрессионной модели общей вероятности нарушения равновесия ПТС 109
4.1.3 Построение частных регрессионных моделей и определение логической составляющей общей вероятности нарушения равновесия ПТС 113
4.2 Построение прогнозов динамики ПТС МГ на основе данных аэрокосмического мониторинга 115
4.3 Возможности практического использования разработанной методики линейных ПТС на примере проектируемой трассы магистрального трубопровода «Обская-Бованенково» 130
Выводы 139
Заключение 141
Литература 144
Приложения 153
- Тенденции и перспективы в области мониторинговых систем обработки, анализа и представления геопространственных данных
- Используемая и создаваемая съемочная аппаратура ДЗЗ действующих и проектируемых зарубежных КА работающей в оптическом и ИК диапазоне
- Концептуальная модель хранения геопространственных данных в комплексной базе данных
- Построение регрессионной модели общей вероятности нарушения равновесия ПТС
Введение к работе
Актуальность темы. Районы Западной Сибири - основная топливно-энергетическая база не только Российской Федерации, но и целого ряда стран ближнего и дальнего зарубежья. На территории Западной Сибири расположены крупнейшие в стране месторождения нефти и газа, обеспечивающие более половины добычи жидкого и газообразного углеводородного сырья России. Разведка, обустройство и эксплуатация месторождений нефти и газа сопровождается интенсивным прямым и косвенным воздействием на состояние природных ресурсов, полезных ископаемых, грунтов, рельефа, земельных (в том числе -почвенных), водных, воздушных, животного мира (промысловых и одомашненных видов животных), растительности (лесов, кормовых и промысловых видов), - что является причиной их значительных изменений и приводит к ухудшению, как экологической обстановки, так и социально-экономических условий региона.
Обеспечение прироста запасов углеводородного сырья, комплексное исследование факторов воздействия на природную среду в результате строительства и эксплуатации технических сооружений, повышение уровня технологии освоения месторождений нефти и газа, обеспечение условий для наиболее рационального природопользования в регионе, организация системы экологического мониторинга - это лишь часть проблем, которая, как показывают проведенные исследования, в первую очередь требует комплексного привлечения для своего решения материалов аэрокосмических съемок и ГИС-технологий.
Однако анализ результатов использования аэрокосмической информации показывает, что эффект от применения данных дистанционного зондирования при решении перечисленных выше задач далек от желаемого уровня. Недостаточно используются материалы аэрокосмических съемок при составлении необходимых картографических документов и организации баз географических данных. Особенно недостатки такого рода ощутимы при изучении воздействия различных комплексов технических сооружений на природную среду и при проведении работ, направленных на оптимизацию природопользования. Повышение эффективности использования аэрокосмической информации при анализе состояний природно-технических систем (ПТС) могло бы способствовать принятию мер по ослаблению существующих или предупреждению возможных конфликтных ситуаций разной остроты и сложности, в первую очередь в районах нефтегазодобычи Западной Сибири, а также и в других регионах Российской Федерации,
Цель и задачи исследований. Целью проведенных исследований являлась разработка методики комплексной оценки состояний природно-технических систем магистральных трубопроводов на основе данных аэрокосмического зондирования и ГИС-технологий.
В ходе исследований в интересах достижения общей цели работы решались задачи:
1. Отработка технологии обработки данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) средствами специализированного программного обеспечения с последующей оценкой информативности материалов аэрокосмических съемок для целей мониторинга состояний ПТС МТ.
2. Тематический анализ территории пролегания трасс магистральных трубопроводов по условиям и последствиям взаимодействия природно-территориальных комплексов (ПТК) и технических сооружений с учетом факторов возникновения опасных процессов.
3. Оценка состояния, динамики ПТС, прогноз устойчивости и выработка рекомендаций по оптимизации расположения трасс линейных сооружений с использованием разработанных методов и математических моделей.
4. Разработка структуры и содержания базы данных специализированной геоинформационной системы для информационной поддержки мониторинга линейных ПТС.
5. Создание специализированного ГИС-проекта на исследуемый магистральный трубопровод и построение информационной математической модели (фоновое состояние, стадия строительства, стадия эксплуатации технического сооружения, прогнозирование ситуации) для целей мониторинга состояний действующих и построение прогноза на проектируемые трубопроводы.
Исходными материалами положенными в основу диссертации, являются:
- результаты исследований полученные в ходе выполнения госбюджетных работ в период 2005-2009 гг.,
- фондовые материалы производственных предприятий,
- материалы аэрокосмических съёмок на территорию п-ова Ямал и Тазовского полуострова.
- топографические и тематические карты,
- литературные источники.
В процессе выполнения работы привлекались, разрабатывались и совершенствовались методы и технологические приемы:
S анализа и обобщения материалов по теории и практике аэрокосмического мониторинга, тематического картографирования, оценки устойчивости природно-территориальных комплексов (ПТК) и ГИС-технологиям;
•S сбора, обработки и анализа данных ДЗЗ, в том числе космических изображений, полученных оптико-электронными и радиолокационными съёмочными системами с применением методов визуального и автоматизированного дешифрирования, а также оценки динамики ПТК и прогноза их устойчивости в районах прохождения трассы трубопровода;
S составления специальных тематических карт для анализа состояний ПТС по результатам дешифрирования и интерпретации;
S обработки космических цифровых изображений средствами программного пакета ERDAS Imagine для создания экспериментальной базы данных на участок трассы МТ;
•S ввода комплексной картографической информации с преобразованием ее в векторную форму и последующей обработкой с помощью программ Mapinfo Professional и GeoMedia Professional;
• формирования прикладных информационно-аналитических ГИС-проектов на отдельные районы пролегания магистральных газопроводов (МГ) Та-зовского п-ова и п-ова Ямал;
S вероятностно-аналитических оценок потенциального и фактического состояния ПТК.
Научная новизна. В результате проведенных исследований была разработана оригинальная методика комплексного использования данных аэрокосмического зондирования в составе информационно-аналитической ГИС, в основе которой реализована математическая модель описания состояния ПТС и приемы анализа результатов мониторинга линейных природно-технических систем для оценки состояния и прогнозирования их дальнейшего развития. В том числе разработаны (выполнены):
S способ оценки состояний и прогноза динамики ПТС МТ в зависимости от условий природной среды на основе физиономических характеристик, выявленных по данным ДЗЗ, цифровым тематическим и комплексным полевым наблюдениям на тестовых участках;
•S оценка информационного потенциала различных видов аэрокосмических данных, применяемых при дешифрировании состояний (современных, реконструируемых или прогнозных) ПТС;
S структура и содержание базы данных информационно-аналитической ГИС мониторинга линейных природно-технических систем криолитозоны (север Западной Сибири);
V информационно-аналитический ГИС-проект на участок трассы действующего МГ «Ямбург-Ныда» и проектируемого МГ «Обская-Бованенково» для целей мониторинга состояний действующих и построение прогноза на проектируемые трубопроводы.
Материалы диссертации использованы при выполнении хоздоговорных и госбюджетных тем:
1. «Разработка методов комплектования гиперспектральных и радиолокационных ДДЗ в корпоративную ГИС для целей аэрокосмического мониторинга трасс магистральных трубопроводов», МИИГАиК, 2007-2009 гг.;
2. «Разработка автоматизированной технологии динамического картографирования растительного покрова и других типов наземных экосистем по временным сериям данных дистанционных наблюдений на различных уровнях пространственной дифференциации», МИИГАиК, 2008 г.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на конференциях молодых ученых и специалистов МИИГАиК (Москва, 2006, 2007, 2008 г.г.); на юбилейной конференции «230 - лет МИИГАиК» (Москва, 2009 г.); на конференции ГИС-Ассоциации (2009 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Текст изложен на 152 страницах и иллюстрирован 39 таблицами и 32 рисунками. Список использованной литературы включает 124 названия, в том числе 19 на иностранных языках.
Автор искренне признателен сотрудникам кафедры АКС и консультантам за помощь в работе, предоставление необходимых материалов и поддержку в ходе работы над диссертацией.
Тенденции и перспективы в области мониторинговых систем обработки, анализа и представления геопространственных данных
Представленные в настоящем разделе материалы отражают результаты анализа достижений на мировом уровне за последние 5 лет и их перспективы на ближайшие годы по различным аспектам ДЗЗ [8, 20, 21, 32, 34, 41, 52, 57, 63, 68,91 и др.].
Космическое дистанционное зондирование становится все более традиционным средством инвентаризации природных ресурсов и мониторинга окружающей среды в глобальном, региональном и локальном масштабах. Реализация космических программ с использованием «продвинутой» целевой аппаратуры ДЗЗ, работающей в режимах высокого пространственного, спектрального и временного разрешения как в оптической, так и в микроволновой областях, способствует (при решении широкого спектра научных и хозяйственных задач) качественно новому уровню информационного обеспечения данными ДЗЗ и требует разработки более совершенных методов калибровки, обработки и анализа видеоданных.
Прогресс в области информационных и телекоммуникационных технологий привел к концепции систем мониторинга путем интеграции данных ДЗЗ и ГИС-технологий. Разработка пространственных информационных систем для создания моделей оптимального управления ресурсами и принятия решений будет и далее расширяться. Определенный импульс в развитие пространственных информационных систем должно обеспечить наличие оптических и радиолокационных данных высокого пространственного разрешения, а также прогресс в области ГИС и GPS. Будут и далее развиваться сетевые связи между поставщиком информации и конечными пользователями, стандартизация форматов обмена данных и т.д.
По всему миру достаточно широко используется данные ДЗЗ и ГИС-технологии для подготовки планов городского развития, оптимизации транспортных сетей, управления коммунальным хозяйством и т. д. Наличие космических данных ДЗЗ высокого разрешения должно существенно повысить потенциал мониторинга урбанизации, способствовать изучению влияния на окружающую среду и помогать планированию инфраструктуры районов.
Все более актуальными становятся исследования направленные на расширение областей использования данных радара с синтезированной апертурой антенны (SAR) высокого разрешения, вплоть до создания по ним цифровых моделей рельефа. Многообещающие результаты дает SAR интерферометрия для топографического картографирования и выявления изменений, особенно там, где необходимо определение превышений рельефа. Уже начинается производственное внедрение технологии дифференциальной SAR интерферометрии (DinSAR) для отслеживания мгновенных движений поверхности Земли, сопровождающих ряд природных катастроф.
В области технологий картографирования в реальном масштабе времени (в задачах, для которых существенны не только режим реального времени, но всепогодность, а также высокая точность) все более широко начинают использоваться SAR, LIDAR, матричные ПЗС-камеры и гиперспектральные датчики, дополняемые GPS/INS измерениями. Все более важное значение приобретают исследования в области интеграции датчиков и обработки видеоданных, полученных с разных носителей различными сенсорами. В частности, расширяется спектр процедур использования технологий InSAR и LIDAR для создания цифровых моделей рельефа (ЦМР), а также интеграции, получаемой ими видеоинформации с видеоданными оптического диапазона.
Заметные результаты получены в области использования (для решения целого ряда задач) высокоточной навигации в реальном масштабе времени на базе методов локальных DGPS, которые позволяют существенно повысить точность получения в данных об ориентации датчиков.
Системы создания геопространственных данных становятся более пригодными для производственных работ и более простыми в использовании. Внедрены в практику фотограмметрических работ цифровые фотограмметрические рабочие станции (DPW), обеспечивающие в автоматическом режиме определение элементов внутреннего и взаимного ориентирования, а также возможность автоматической аэротриангуляции.
Все большее число систем обработки изображений обеспечивает возможность обработки данных SAR. Систематически проводятся работы направленные на разработку все более «продвинутых» алгоритмов, особенно для создания ЦМР с использованием методов интерферометрии и стереоскопии.
Разработка программного обеспечения и вопросов моделирования для интегрированных ГИС сконцентрировалась в последние годы на получении и моделировании трехмерных 3-D данных. Разработаны новые концепции интеграции компонентов данных для создания детальных крупномасштабных peaлистичных 3-D моделей. Эти методы объединяют 2-D информацию о строениях со структурой данных с топологическими моделями (вместе с цифровыми моделями поверхности) для управления ими.
В настоящее время достаточно интенсивно разворачиваются исследования в направлении создания моделей управления и анализа пространственно-временных геоданных, рассматривающих время в качестве дополнительной координаты. Приоритетным направлением исследований считается определение и представление взаимодействия между пространством, временем, атрибутами и процедурами.
Необходимость в обеспечении связанности и разделения геопространственных данных, открытых моделей и прозрачности для пользователя для эффективной геообработки и доступности баз данных (БД) требует сосредоточения внимания на проблемах проектирования, моделирования, организации и доступа к распределенным и неоднородным БД через сети, в том числе через
Интернет на региональном, национальном и глобальном уровнях. Все больший интерес приобретают вопросы стандартизации визуализации и геопространственного анализа поскольку, отсутствие координации ведет к разработке отличающихся друг от друга стандартов метаданных, протоколов и несовместимых услуг, что продолжает оставаться проблемой.
В области интеграции методов понимания видеоизображений в картографические системы продолжаются работы над проектированием и внедрением автоматизированных и полуавтоматизированных картографических систем выделения признаков (CFE), в основном, пока еще ограничивающиеся исследованиями и разработками. Внедряемые алгоритмы объединяют подходы компьютерного зрения со строгим фотограмметрическим моделированием. Главными проблемами здесь остаются проблемы определения и распространения стандартов оценок для систем CFE.
Используемая и создаваемая съемочная аппаратура ДЗЗ действующих и проектируемых зарубежных КА работающей в оптическом и ИК диапазоне
Фоновое обследование включает в себя оценку гидрологической, гидрохимической и геохимической ситуации, а также степени нарушенности территории, имевших место до начала строительства объектов месторождения. Экологическое сопровождение проектирования и строительства является продолжением фоновых инженерно-экологических исследований и позволяет своевременно вносить необходимые изменения в проектные решения на различных стадиях разработки проекта и ранних этапах обустройства трассы. Инвентаризация объектов и компонентов (участков) ПТС включает определение величины воздействия строящихся и эксплуатируемых инженерных объектов, производств и хозяйств на природную среду, а также, оценку динамики данного воздействия. Инженерно-экологические исследования проводятся на ключевых участках, при маршрутных наблюдениях с отбором образцов для лабораторных анализов.
Основными проблемами, связанными с освоением территорий месторождений и эксплуатацией объектов инфраструктуры являются проблемы: связанные с обустройством трасс (локальный). Нарушается гумусный слой почвы, циркуляция подземных вод, производится вырубка растительности, что приводит к миграции животных;
У связанные с эксплуатацией. Шумовое загрязнение от работающих инженерных сооружений. Нарушается состояние мёрзлых пород вследствие разогрева трубопроводов; связанные с выбросами в атмосферу газоконденсата и продуктов горения (S02, СОЗ, С и т.п.). Эти выбросы осаждаются на почву, растительность и водные объекты в виде осадков, тем самым нарушая экологическую обстановку растительного и животного мира. Загрязнения этого типа имеют большие ареалы загрязнений, зависящие от розы ветров; аварийные выбросы. Затопление территории продуктами углеводородов, что приводит к необратимым природным катаклизмам (изменение почвенного и растительного покрова). 1. В настоящее время различными научными коллективами раз рабатываются новые методы получения и представления соответствующей ин формации для оптимизации системы мониторинга ПТС. На сегодняшний день создана и апробирована в практике научная концепция мониторинга ПТС, ба зирующаяся на теоретических, методологических, технологических положени ях. 2. Одной из основных и первоначальных задач, решаемых в процессе мо ниторинга, является комплексная оценка природной и техногенной составляю щих ПТС, для выявления участков, где необходимо выполнение специальных защитных мероприятий по обеспечению устойчивого и экологически безопас ного функционирования инженерных сооружений. Периодическое получение космической информации через заданный промежуток времени позволяет изу чать динамику изменений природной среды, давая возможность, тем самым, использовать эту информацию для различных модельных построений. 3. Внедрение новых технологий, совмещенных с современными средствами хранения, представления и обработки информации о количественных и качественных показателях воздействия инженерных сооружений на окружающую среду в геоинформационных системах, обеспечивает новое качество мониторинга и позволяет проводить всестороннюю оценку объектов ПТС. 4. Функционирование северных газотранспортных систем в экстремальных температурных и геокриологических условиях приводит к нарушению динамического равновесия чувствительных и трудно восстанавливающихся экосистем, и сопровождается активизацией опасных природных процессов. Возникновение аварий, спровоцированных производственной деятельностью человека, в большинстве случаев сопряжено с ошибками в технологии строительства или эксплуатации сооружений (оборудования) или же ошибочными проектными решениями по их размещению и инженерной защите. В связи с этим проблема обеспечения безопасности при строительстве и эксплуатации линейных сооружений с целью предупреждение развития опасных процессов и предотвращения аварий приобретает особую актуальность. 5. Система мониторинга должна включать комплекс мероприятий по сбору и анализу информации о состоянии ПТС, оценке и построению прогнозов её дальнейшей динамики на основе данных ДЗЗ в двух аспектах: - для определения состояния объектов исследования на момент съемки, их место в пространственно-временном ряду однотипных объектов, связи и взаимосвязи компонентов природных комплексов; - для выявления изменений состояния окружающей среды и определение их направленности и величины, осуществляемое путем сравнительного дешифрирования разновременной космической информации и анализа существующих картографических, статистических, полевых и других материалов.
Концептуальная модель хранения геопространственных данных в комплексной базе данных
В основе моделирования состояний ПТС положена проблема отношения между факторами природной среды и состоянием инженерно-технических сооружений.
Целью данной части диссертационных исследований являлась разработка модели динамики переменных ПТС в пространственно-временном контексте и объяснение её природы этой динамики. В качестве переменных рассматриваются природные (рельеф, гидрография, растительность, почвогрунты и т.д.) и техногенные (трасса трубопровода, инженерные сооружения) составляющие ПТС.
Для построения математико-статистической модели определённого процесса или явления необходимо: выделить переменные со статистически значимыми отношениями; определить независимые факторы, описывающие изменение переменных в пространстве и во времени; выявить переменные, соотношения между которыми позволяют рассматривать их как подсистему и определить их факторы; определить природу этих факторов; построить параметризированную модель, описывающую изменение переменных как функцию состояния виртуальных факторов.
Элементом модели является семантическое (описание) или численное (измерение) значение параметра ПТС в конкретной точке пространства в определённый момент времени. Анализ изменений этих элементов на определённом временном интервале позволяет рассматривать ПТС как функцию от времени и построить её динамическую модель.
В общем случае математическая модель системы - это организованное по определённым правилам отражение реальности, описываемое математическими и статистическими законами [74].
Поэтому при построении моделей ПТС анализ данных наблюдений и исследований для определения отношений и взаимосвязей составляющих её элементов осуществляется средствами математической статистики на основании теории множеств и комбинаторики.
Если модель - это система решающих правил, представляющих некие распределения, на основе которых осуществляется принятие решений, тогда результаты экспериментов (наблюдений) представляют собой выборку из генеральной совокупности возможных состояний ПТС.
Анализ выборки для установления подчиняется ли ряд наших экспериментальных наблюдений каким-либо принятым законам распределения, как правило, осуществляется по следующей схеме [14, 74]: визуальный просмотр данных, построение вероятностных графиков для тестирования типа распределения; оценка параметров распределения с тестированием их на нормальность; обоснование наиболее приемлемой модели распределений; трансформация данных для приближения их распределения к нормальному; проверка гипотезы принадлежности выборки одной генеральной совокупности на основе параметрических и непараметрических статистик; проведение параметрического и непараметрического анализа. Практическая значимость такого анализа состоит в получении оценок ве роятности рассматриваемых состояний ПТС. Определение пространства моделирования Целью проводимого анализа является получение статистической модели, описывающей соотношения переменных и обладающей определёнными прогностическими свойствами. Как уже было сказано выше, пространство модели представляет отражениє определённых свойств реальности. Поскольку теория конструирования пространств в экологических и географических исследованиях практически не разработана, на сегодняшний день пространство модели, как правило, определяется совокупностью измеренных переменных факторов (в нашем случае природные и техногенные условия), определяющих свойства исследуемого объекта (состояние ПТС). При применении статистических методов пространство модели представляет вероятностное пространство ориентированной системы «вход-выход» [74]. При построении статистической модели ПТС прежде всего необходимо определить метрику и размерность пространства характеризующих её (ПТС) признаков. Метрическое пространство М есть множество точек с функцией расстояния (метрикой) d:MxM- l, (где Е - множество вещественных чисел). Метрикой (способом измерения расстояний) определяются типы отношений и модель пространства. Размерность признакового пространства определяется числом независимых параметров, необходимых для описания состояния объекта - в нашем случае ПТС (число степеней свободы физической системы). Задача определения пространства и размерности на сегодняшний день остаётся нерешённой. На практике, «измеряя множество переменных мы получаем внешне осмысливаемый результат, понимая, что наши действия не подчиняются достаточно обоснованным правилам и во многом скользят по самой поверхности изучаемых явлений. Происходит постоянное мультиплицирование множества частных отношений и ускользает то, что называется инвариантом: общие отношения, из которых через преобразования, подчиняющиеся определённым правилам, выводится множество частных».
Состояние ПТС определяется множеством параметров. На рисунке 3.1 представлена схема описания состояния ПТС в базе данных создаваемого на кафедре АКС МИИГАиК информационно-аналитического комплекса мониторинга природно-технических систем. Описание строится по принципу метода индукции (от общего к частному) и представляет собой следующую иерархическую модель (рисунок 3.1).
Рисунок 3.1 - Иерархическая модель схемы описания ПТС по принципу метода индукции Геометрически состояние ПТС может быть представлено вектором в п-мерном пространстве признаков. Число измерений п определяется числом параметров, описывающих состояние ПТС: {щ, xf,..., xf). Каждый параметр х", в свою очередь, определяется собственным набором параметров xf{xj,xf, ...,х}. Например, параметр ПТС «рельеф», принадлежащий к классу природных признаков, характеризуется параметрами: «вид поверхности», «морфология» и «рельефообразующий процесс», а, к примеру, морфология рельефа представлена морфоструктурой, морфогенетическим типом и морфо-метрией, и пр. Это приводит к разделению «-мерного пространства на к измерений. Подобное пространство называется векторным расслоением.
Векторное расслоение - это геометрическая конструкция, соответствующая семейству векторных пространств, параметризованных другим пространством X: каждой точке х пространства X сопоставляется векторное пространство Vx так, что их объединение образует пространство такого же типа, как и X, называемое пространством векторного расслоения над X(рисунок 3.2).
Построение регрессионной модели общей вероятности нарушения равновесия ПТС
Для построения прогнозно-динамической модели необходим ряд комплексных наблюдений ПТС, параметров, характеризующих состояние природной среды и инженерных сооружений, имеющих пространственную и временную привязку. В связи с этим возникает вопрос организации и хранения данных мониторинга, служащих информационной основой для моделирования текущего и прогнозируемого состояния ПТС. Разработка экспериментальной модели комплекса мониторинга линейных ПТС на базе информационных технологий осуществлялась на примере ПТС МГ «Ямбург-Ныда».
Для сбора текущей и накопления ретроспективной информации о состоянии ПТС традиционно используют инструментарий БД и ГИС как наиболее технологичных и современных средств накопления и обработки данных в режиме реального времени.
Геоинформационные системы становятся незаменимым инструментом при решении как научных, так и производственных задач на основе использования пространственно-локализованных данных о природных и антропогенных объектах и явлениях. Если раньше применение геоинформационных технологий не носило обязательного характера, говоря лишь о квалификации исследователя, то теперь использование ГИС закрепляется инструкциями, нормативно-правовой и технической документацией. В частности, требования заказчика связаны с предоставлением результатов работ в определённом ГИС формате с соответствующими базами данных [19,. 67, 79, 86, 93, 97].
Современные информационно-управляющие системы мониторинга представлены совокупностью комплекса средств для сбора, накопления, моделирования, преобразования и представления данных о состоянии ПТС и соответствующей геоинформационной основы.
Обработка, анализ информации и математическое моделирование осуществляются с использованием ГИС, аккумулирующей комплексную, актуальную, достоверную и оперативную информацию о природных и техногенных объектах и явлениях. Такая ГИС должна позволять на основе данных аэрокосмического мониторинга осуществлять моделирование и прогноз развития ситуации, вырабатывать рекомендации по предупреждению и устранению последствий негативных природных и техногенных процессов и явлений.
Выбор ГИС, служащей инструментом для анализа информации в специализированной информационной системе, осуществлялся на основе следующих требований: применимость программы для больших инженерных комплексов, в том числе линейно-протяженных; высокий уровень технической и мультиплатформенной поддержки; S возможность использование Internet технологий; объединение в одном представлении данных из различных источников, интеграция без конвертирования форматов; возможность непосредственного взаимодействия с существующими системами управления базами данных (СУБД) - Oracle, Interbase, Paradox, SQL Server, MS Access и т. п.; комплексное решение - от сканирования до печати, полная интеграция внутри одного интерфейса; возможность реализации проекта с клиент-серверной архитектурой; S наличие прикладных расширяющих модулей. Технологии накопления, обработки, анализа и представления пространственных данных реализуются в среде проблемно-ориентированных ГИС оболочек - ArcGis, GeoMedia Professional, Mapinfo Professional и др., совмещающих в себе функциональные возможности систем оценки, мониторинга, управления и планирования, и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде. В качестве дополнительных средств обработки данных ДЗЗ может использоваться такое специализированное программное обеспечение (СПО) как ENVI, Photomod, ERDAS Imagine, ERMapper и т.д. Опытной реализацией подобной системы служит создаваемый на кафедре АКС МРІИГАиК информационно-аналитический комплекс мониторинга состояний ПТС магистральных трубопроводов. Средой создаваемого информационно-аналитического комплекса является единое информационное пространство, позволяющее описать сложную многосвязную систему компонентов исследуемой ПТС и характеризовать каждую составляющую сколь угодно большим набором параметров, в том числе графических. Информационной основой для оценки состояния и построения прогнозно-динамических моделей ПТС служит специальным образом организованная база данных, представляющая собой хранилище пространственной (растровой и векторной) и семантической информации об объектах ПТС. Современный комплекс программно-аппаратных средств СУБД предоставляет широкий выбор моделей организации информационного пространства, однако ввиду своей целевой направленности, существует набор общих требований, предъявляемых к БД системы мониторинга состояний ПТС [86]: согласованность по времени, т.е. хранящаяся в базе информация должна иметь временную привязку; полнота и подробность, т.е. должна содержать все необходимые сведенья для решения поставленных задач (анализ, моделирование и т.д.); позиционная точность и совместимость со всеми добавляемыми в архив данными; легкая обновляемость. Наиболее подходящей информационной основой создаваемого информационно-аналитического комплекса мониторинга состояний ПТС является геореляционная модель БД. Такие модели имеют табличную структуру, где в строках содержатся записи сведений об объекте, а поля содержат однотипные характеристики объектов. Для соблюдения условия целостности данные должны храниться централизовано, при этом, создаваемая для задач мониторинга ПТС, база данных должна поддерживать распределённый многопользовательский доступ к информации. Для соблюдения вышеизложенных требований, созданная БД реализует архитектуру «клиент-сервер». Средой СУБД выбран Oracle V 9.1. Серверная часть геоинформационной основы представлена интегрированной БД, в таблицах которой накапливается информация об объектах мониторинга, материалы ДЗЗ и их описание, результаты обработки данных мониторинга.
