Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Цифровые модели рельефа для гидрологических расчетов 17
1.1. Определение ЦМР, форматы представления и способы создания 17
1.1.1. Определение ЦМР, источники данных для её построения и форматы представления в ГИС 17
1.1.2. Существующие способы построения ЦМР и исходные данные... 19
1.2. Создание ЦМР для гидрологических приложений 21
1.2.1. Понятия гидрологически согласованной ЦМР и дренажа 21
1.2.2. Методы повышения качества ЦМР при использовании TopoGrid29
1.2.3. Использование в TIN данных о гидрографии для создания гидрологически согласованных ЦМР 32
1.2.4. Метод расчета высот продольного профиля русла 34
1.2.5. Технологии включения в процесс интерполяции ЦМР линий излома, скачков рельефа и искусственных упрессий (насыпей) 42
1.2.6. Рекомендации по выбору способа создания ЦМР 50
1.3. Псевдорельеф для уточнения мелкомасштабной ЦМР 53
1.3.1. Описание подхода к созданию псевдорельефа 54
1.3.2. Пример расчета псевдорельефа для участка 60
Выводы по главе 68
Глава 2. Использование ЦМР для расчета структурного деления и характеристик территории 70
2.1. Выделение по ЦМР структурных и расчетных элементов речного водосбора 70
2.1.1. Определение водосборного деления территории и некоторых структурных элементов рельефа по растровой ЦМР 71
2.1.2. Определение некоторых структурных элементов рельефа по триангуляционной ЦМР 74
2.1.3. Разделение водосбора на субводосборы и расчетные элементы для гидрологического моделирования 82
2.1.4. О точности расчета структурного деления территории по растровой ЦМР 85
2.2. Вычисление характеристик речного водосбора и его расчетных элементов по ЦМР 88
2.2.1. Выделение области расчета 90
2.2.2. Расчет гидрографических параметров 91
2.2.3. Расчет физико-географических параметров 96
2.2.4. Точность расчета характеристик местности: выбор масштаба исходной карты и размеров ячейки ЦМР 97
2.2.5. По для расчета параметров водосборов для оценки неизученного стока "SnipCalc" 100
Выводы по главе 104
Глава 3. Применение ЦМР для оценки характеристик затопления территории ... 105
3.1. Оценка характеристик затопления паводками с помощью ЦМР 105
3.1.1. Требования к исходным картографическим материалам при оценке характеристик затопления 106
3.1.2. Особенности создания модели рельефа и расчета высоты водной поверхности для оценки затопления 106
3.1.3. Расчет характеристки зоны затопления для поверхности воды постоянной высоты 107
3.1.4. Расчет зоны затопления, площади и объема затопления для поверхности воды непостоянной высоты 109
3.2. ГИС приложения для расчета затопления паводком различной обеспеченности 109
3.2.1. Метод превышений и его реализация в ГИС 111
3.2.2. Способ расчета уровней с учетом информации о реальных контурах затопления 115
Выводы по главе 121
Заключение 123
Литература 124
Приложение
- Создание ЦМР для гидрологических приложений
- Вычисление характеристик речного водосбора и его расчетных элементов по ЦМР
- ГИС приложения для расчета затопления паводком различной обеспеченности
- Способ расчета уровней с учетом информации о реальных контурах затопления
Введение к работе
Актуальность темы и состояние исследований
Рельеф, как один из компонентов природных комплексов, играет важную роль в формировании всех гидрологических процессов. Появившиеся в конце 80-х годов XX века геоинформационные системы дают возможность представления рельефа в форме цифровых моделей рельефа (ЦМР) для решения различных задач, в том числе гидрологических расчетов. Целесообразно применение ЦМР для проведения структурного деления территории на используемые в гидрологии элементы и расчеты усредненных морфометрических, а также физико-географических характеристик этих элементов. Высокую степень востребованности имеют вычисления с помощью ЦМР характеристик зон затопления. Основополагающими в этих направлениях явились работы ряда ведущих зарубежных специалистов в области геоинформационных систем и гидрологии Hutchinson M.F., Maidment D.R., Olivera F., Wang X. и др. Разработанные ими алгоритмы построения и применения ЦМР, их реализации в форме независимых приложений широко используются в мире.
Однако прямое применение существующих зарубежных подходов в российских условиях затруднительно. С одной стороны, имеет место проблема усложненного доступа к существующим цифровым картографическим данным необходимого масштаба и их отсутствия для ряда территорий. С другой стороны, специфика методик, применяемых российскими гидрологами, требует иных структуры и объема данных. В связи с этим необходима разработка подходов к построению и использованию ГИС-моделей рельефа для гидрологических расчетов в условиях разнородности и неполноты исходной информации. Под ГИС-моделями рельефа понимаются: ЦМР; продольный профиль русла; "псевдорельеф" для расчета гидрологических характеристик при отсутствии данных крупного масштаба; упрощенная триангуляционная модель рельефа (TIN) для расчета коэффициента вертикальной расчлененности водосбора. Создание таких моделей должно базироваться на потенциале современных ГИС и использовать, по мере возможности, существующие методические, информационные и программные решения.
Таким образом, разработка ГИС-моделей рельефа для гидрологических приложений и алгоритмов их использования в гидрологических расчетах является актуальной проблемой, имеющей большое научное и практическое значение.
Создание технологий построения ЦМР, адаптированной к гидрологическим приложениям, являлось одной из точек приложения усилий зарубежных исследователей уже на заре возникновения ГИС. Начиная с фундаментальных работ Michael Hutchinson и соавторов [55,71,73], появился ряд решений в этой области, основанных на принципе интеграции данных по гидрографии и рельефу при создании ЦМР. Предложенные этим научным коллективом алгоритмы «итерационной интерполяции данных высот», «принужденного дренажа» в итоге нашли свою реализацию в программном модуле GIS Arclnfo TOPOGRID. Другим, наиболее ранним решением, позволяющим существенно улучшить гидрологическое качество ЦМР, был так называемый способ "вычитания" речной сети из ЦМР (см., например, обзор [93]). Далее в работе будет более подробно раскрыты перечисленные алгоритмы.
С самого начала появления ГИС большое внимание уделялось способам построения ЦМР, обеспечивающей генерацию речной сети, согласованной с горизонталями. Кроме упомянутых выше способов, для этих целей были предложены так называемые contour - based модели рельефа [87]. Немало работ посвящено методам удаления фиктивных депрессий из ЦМР [82,90]. Следует отметить, что за исключением решений Michael Hutchinson, данные технологии улучшения ЦМР подразумевают использование специальных программных средств и не задействуют стандартные возможности ГИС, что осложняет их применение.
Другим важным вопросом использования ЦМР в гидрологических расчетах, несмотря на значительное внимание, уделяемое в зарубежных работах [58, 96, 104, 105], остается исследование зависимости рассчитываемых гидрологических характеристик от свойств (в особенности дискретности) цифровой модели местности, оценка точности вычислений характеристик в ГИС.
Сегодня существуют два подхода к ГИС моделированию гидрологических процессов [77]. В первом подходе модель реализуется с помощью внешних программных средств (обычно C++ и FORTRAN), связываемых с существующими ГИС. Во втором подходе реализация алгоритмов проводится в стандартных ГИС-приложениях с использованием возможностей их внутреннего аппарата, примером которого служит встроенный язык программирования Avenue в ГИС ESRI Arc View. Данный подход поддерживается группой исследователей, возглавляемой D.R.Maidment [79, 88, Ошибка! Источник ссылки не найден.], чьи разработки
дали значительный толчок к внедрению гидрологических геоинформационных систем, позволили создать ряд технологий гидрологических вычислений с помощью ГИС. Базовым геоинформационным ПО, для которого адаптированы результаты работы этих исследователей, служит программные продукты фирмы ESRI ( ArcView, АгсЯпґо), встроенные функции которых позволяют реализацию большинства задач инженерной гидрологии без привлечения дополнительного ПО.
В настоящее время можно назвать несколько групп разработчиков, создающих специализированные программные ГИС пакеты, к которым, в частности, относятся Simile [92] и PC RASTER [94], последние версии GRASS [65]. Число гидрологов-пользователей данных систем в нашей стране, однако, чрезвычайно мало по сравнению с гидрологами-пользователями стандартными ГИС в силу большой специфичности данных пакетов, относительного недавнего срока их создания и незавершенности. В данной работы предложены подходы построения ЦМР для гидрологических приложений, и способы получения по ней тех или иных расчетных характеристик с использованием уже существующих средств и функций современных ГИС.
Целью работы является разработка гидрологически согласованной ГИС-модели рельефа и на её основе способов определения характеристик территорий для гидрологических расчетов.
Для достижения поставленной цели решались несколько задач:
Создание гидрологически согласованной ЦМР, в том числе и в условиях неполноты исходной информации;
Уточнение способов расчета средствами ГИС структурных элементов водосборной территории;
Разработка методики оценки точности характеристик, используемых в гидрологических расчетах;
Создание ГИС приложений для расчета уровней воды в речной сети и зон затопления при паводках различной степени обеспеченности.
Объект диссертационного исследования - информационное обеспечение гидрологических расчетов для бассейнов рек.
Предметом исследования являются цифровые модели рельефа и алгоритмы вычислений гидрологических характеристик территории.
Методы исследований
При решении задачи создания гидрологически согласованной ЦМР, структуризации местности и поэлементного расчета ее гидрологических характеристик, оценки зависимостей рассчитываемых характеристик от свойств исходных данных применялись математическое моделирование с применением методов: пространственного анализа, математической статистики и теории вероятности, компьютерной обработки данных. Предлагаемые алгоритмы расчетов, а так же созданные по ним ГИС-приложения, реализованы методами картографической алгебры. Научная новизна:
разработана технология создания гидрологически согласованной ЦМР, путем использования при задании высот продольного профиля русла расчетных значений, обеспечивающих реальное направление потоков и корректный спад высоты;
для проведения гидрологических расчетов в отсутствии крупномасштабных карт предложен способ использования псевдорельефа, полученного при дополнении карт мелкого масштаба (или космоснимков) уточненной информацией по гидрографии и продольному профилю русел водотоков.
сформулированы алгоритмы оценки точности расчета гидрологических характеристик территории в зависимости от масштаба исходного картографического материала и величины дискретизации ЦМР;
автоматизирован метод превышения, основанный на предположении о равенстве уклонов водной поверхности в межень и при подъеме уровня воды, что позволяет выполнять в ГИС расчет затопления паводком малой обеспеченности.
На защиту выносятся:
способы автоматизированного создания гидрологически согласованных ЦМР, основанные на интеграции и обработке разнородных цифровых картографических данных.
приемы автоматизированного расчета в ГИС с заданной точностью основных гидрологических характеристик территории, в том числе горизонтальной и вертикальной расчлененности, среднего уклона речной сети, склоновой длины.
способы расчета затопления паводком различной обеспеченности при минимальном объеме исходных данных по территории.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
Предложены подходы к интеграции разномасштабных и разнородных векторных топографических данных и данных дистанционного зондирования (ДДЗ) рельефа, позволяющие проводить необходимые гидрологические расчеты, в том числе условиях дефицита крупномасштабных цифровых данных по рельефу.
Разработаны практические рекомендации по созданию ЦМР для различных типов гидрологических расчетов.
Предложены подходы для оценки необходимого масштаба и дискретности ЦМР для проведения расчетов характеристик территории.
Разработаны специализированное программное средство "SnipCalc" - для автоматизированного расчета параметров водосборов и ГИС приложения, ориентированные на решение задачи оценки зон затопления паводком при различных объемах исходных данных, доступных пользователю-гидрологу, имеющему подготовку в области ГИС.
Результаты работы применяются или могут найти применение при планировании и проведении мероприятий по изучению, рациональному использованию, восстановлению и охране вод, при геоэкологическом и гидрологическом обосновании проектов и программ, в гидрологических расчетах для строительного проектирования. Программные продукты используются в ИВЭП СО РАН, проектном институте ОАО ТорноАлтайскавтодор" при проведении расчетов максимального стока и оценке зон затопления, отделе водных ресурсов по Алтайскому краю Верхнее-Обского БВУ, ОАО «Алтайводпроект» (г.Барнаул).
Базовым геоинформационным ПО, в рамках которого выполнялась работа, является ПО фирмы ESRI: ArcView 3.2 с расширениями Spatyal Analyst и 3D Analyst, Агс/Tnfo 7.1.2.С модулями TIN и GRID, Topogrid. Также предполагается, что в набор расширений входят свободно распространяемые расширения (см. ) ImageWarp, Xtools, Hydrologing Modeling (Sample), Hydrologing Modeling 1.1 (Sample).
Основными причинами использования продуктов фирмы ESRI являются, с одной стороны, их большая распространенность в России и мире, с другой стороны, возможность проведения полного цикла расчетов с использованием ЦМР. Кроме того, в ArcView и Arc/Info создано много пользовательских приложений и расширений, позволяющих увеличить их функциональность и область применимости.
Важным является наличие встроенных языков программирования, позволяющих создавать специализированные ГИС-приложения. Насчитывается более 300 внутренних функций, входящих в состав расширений, которые широко используются при проведении гидрологических расчетов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных научных конференциях: 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), "ГИС для устойчивого развития территорий: Intercarto 10" (Владивосток-Чаньчунь, 2004), Международная конференция и школа молодых ученых по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде Cites - 2005 (Новосибирск, 2005), ENVIROMIS 2006 "Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды"; а так же на IX Всероссийском гидрологическом съезде (Санкт-Петербург, 2004), Научном конгрессе ГЕО-Сибирь-2005 (Новосибирск, 2005), Научной конференции "Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов" (Иркутск, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 4 в рецензируемых журналах, 1 монография (в соавторстве).
Объем и содержание работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа изложена на 136 стр., иллюстрирована 33 рисунками и 15 таблицами. Список литературы содержит 105 наименования, в том числе 51 на иностранном языке.
Далее, приводится краткое изложение содержания работы.
В первой главе изложены алгоритмы создания цифровых моделей рельефа для гидрологических расчетов. В настоящее время в ГИС выделяют два основных способа представления данных по рельефу: растровая модель данных (GRID) и триангуляционная модель данных (TIN). В случае, когда источником информации для построения рельефа являются топографические карты, основными данными при создании как растровой ЦМР, так и TIN, являются точки высот и изолинии рельефа. Стандартные процедуры интерполяции ЦМР реализованы, например, в модулях Spatyal Analyst (GRID) и 3D Analyst (TIN) Arc View, модулях GRID и TIN Arc/Info, в программном комплексе MAG, созданном в МГУ. Есть также ряд
специальных программ для интерполяции и анализа геополей, например, SurfMapper. Вопросу построения ЦМР для решения гидрологических задач посвящен ряд работ, в которых предложены специализированные алгоритмы, реализованные, например, в расширениях Hydrologing Modeling (Sample), Hydrologing Modeling 1.1 (Sample) Arc View, модуле GRID Arc/Info. Лучшие результаты в этом направлении дает программное средство Arc/Info TopoGrid [71], позволяющее использовать при интерполяции дополнительные данные о рельефе и гидрографии. Однако, рассчитанные этими программными средствами ЦМР часто не полностью отвечают требованиям к исходным данным, предъявляемым при гидрологических вычислениях.
Прежде всего, построенные для решения гидрологических задач, ЦМР должны удовлетворять дополнительному требованию гидрологической согласованности, выполнение которого гарантирует корректность расчета линий водоразделов и тальвегов. Гидрологическая согласованность ЦМР базируется на ряде основных принципов. Во-первых, в ЦМР должны отсутствовать фиктивные точки стока (под точками стока понимаются области, высота которых меньше, чем у всех соседних точек). Встроенные в стандартные ГИС алгоритмы позволяют решить эту проблему в большинстве случаев, кроме наличия бессточных областей. Во-вторых, «дренаж», проведенный по ЦМР, должен совпадать с соответствующими отрезками исходной речной сети. В растровой модели рельефа понятие «дренаж» включает некоторую связную совокупность ячеек, представляющую собой «линии наискорейшего спуска». Ширина дренажа всюду равна одной ячейке.
При использовании только стандартных ДДЗ рельефа или данных, снимаемых с цифровых топографических карт местности (ЦКМ), расчет такой ЦМР не всегда возможен в силу погрешностей съемки (ДДЗ) или «разреженности» исходных данных по рельефу (ЦКМ). В процедуре построения ЦМР необходимо учитывать данные по гидрографии. Существующие способы повышения согласованности дренажа с речными потоками (способ «вычитания речной сети», «принудительный алгоритм», реализованный в модуле Arolnfo TopoGrid), в целом не решают проблему.
Основная идея предложенного в работе подхода повышения согласованности состоит во включении в исходные данные для построения ЦМР дополнительных точек на речной сети (продольного профиля русла - ППР). Источником таких точек
является растровая ЦМР, рассчитанная только по точкам пересечения горизонталей с векторной речной сетью и урезам воды. Поскольку плотность точек пересечения речной сети с горизонталями для притока всегда больше, чем для главного русла (вследствие большего уклона притока), при всех интерполяционных алгоритмах в ячейках, через которые проходят потоковые линии рек больше первого порядка, возникают неверный результаты расчета высоты. В данной работе порядок вычисляется, начиная с рек, у которых нет притоков. Чтобы избежать таких ошибок проводится раздельная интерполяция высот для рек разного порядка. Для этого сначала растрирование речная сеть разбивается на притоки при использовании операций StreamLink, StreamOrder (см. Приложение 1), с присвоением им соответствующего порядка. Далее, выполняется цикл по порядкам для построения поверхности, начиная с самого высокого (порядка главной реки). Рассчитанные в ходе каждого цикла высоты речной сети для рек соответствующего порядка добавляются в число точек, используемых при интерполяции высот рек более низкого порядка. Таким образом, почти всюду наблюдается корректное понижение высоты дренажа вдоль направления потоков речной сети. При таком подходе могут возникать плоские участки только на отрезках дуг у истоков. Чтобы решить эту проблему, предлагается задавать высоту наивысшей точки отдельной дуги каждого порядка из условия сохранения среднего уклона данного потока. Использование полученных таким способом точек ПНР при построении ЦМР гарантирует гидрологическую согласованность и падение высоты вдоль дренажных потоков.
В процессе вычисления водосборного деления и других гидрологических характеристик по ЦМР необходим расчет дренажных потоков. Известные в настоящее время способы расчета дренажа по ЦМР средствами ГИС требуют либо наличия покрытия точек истоков, либо задания минимальной водосборной площади 5,ф, характеризующей речную сеть на всей территории, что возможно, если гидрологические свойства территории однородны. В работе предложен способ расчета дренажа для отдельных бассейнов, использующий информацию по длинам речной сети в них. В этом способе минимальная водосборная площадь S^ и дренаж определяются для каждого бассейна индивидуально, исходя из равенства длин расчетной и реальной речной сети.
Помимо гидрологической согласованности для решения ряда гидрологических задач (прежде всего, оценки затопления территории) цифровая
модель рельефа должна отражать особенности поверхности на пойме, которые обозначены на топографической карте в виде линий (обрывы и дамбы). В ГИС инструментарии заложена возможность в процессе интерполяции рассматривать обрывы как структурные линии типа «BARRIER», но при этом никак не учитывается известный перепад высоты, указываемый для таких объектов на карте. В работе предложено в процесс интерполяции включать добавочные точки по обе стороны структурной линии, учитывающие информацию о перепаде высоты. Получены формулы для вычисления высоты в этих дополнительных точках, рассчитанные из условия минимизации кривизны рельефа и сохранения первой производной вдоль потоковых линий вне обрыва. Описан способ их построения средствами ГИС.
При расчетах гидрологических характеристик территории предъявляются строгие требования к масштабу исходного картографического материала. Так, например, для водосборов площадью от 10 до 50 км горных и холмистых сильнорасчленных районов масштаб используемых цифровых карт должен быть крупнее 1:50 000 [31].
В условиях отсутствия крупномасштабных цифровых карт на исследуемую территорию предлагается создавать псевдорельеф крупного масштаба с использованием мелкомасштабной гипсометрии и продольного профиля русла (ПНР) крупного масштаба. Основная идея построения псевдорельефа состоит в том, что к полю высот, рассчитываемому по мелкомасштабной карте, добавляется поправка, использующая данные с крупномасштабной карты. К псевдорельефу предъявляются следующие требования: во-первых, получаемые на его основе дренаж и контуры водосборов должны быть близки к рассчитываемым с помощью рельефа крупного масштаба. Во-вторых, псевдорельеф должен иметь не только топологически корректное положение дренажа, но и непрерывное вдоль него понижение высоты. В-третьих, псевдорельеф должен иметь близкие к рассчитанным по рельефу крупного масштаба морфометрические показатели, характеризующие склоновую часть территории, в частности, средние уклоны, склоновую длину и распределение зон добегания. Кроме того, отклонение новой ЦМР от исходной мелкомасштабной не должна превышать допустимую для этого масштаба ошибку. Для новой ЦМР должно выполняться равенство средних значений по высотам и условие, что поправка к высоте по модулю должно быть не больше погрешности мелкомасштабной ЦМР по ГОСТ Р 51608-2000.
Предложенный подход был апробирован для участка бассейна р.Бия в окрестности Телецкого озера. Результаты показали, что учет речной сети оказывает тем большее влияние на согласие крупномасштабных и мелкомасштабной ЦМР, чем значительнее разница в их масштабах.
Данный способ позволяет создавать ЦМР для расчета параметров водосборов с расчлененностью рельефа, близкой к расчлененности ЦМР необходимой точности для областей формирования стока, характеризуемых избыточным увлажнением и развитой речной сетью. Эти области, как правило, расположены в горных районах и наименее обеспечены топографическими картами крупного масштаба. Особенностью предлагаемого способа является эффективная коррекция мелкомасштабной ЦМР не только на сети тальвегов, но и водораздельных линиях.
Во второй главе рассматриваются алгоритмы выделения из полученной ЦМР структурных и расчетных элементов водосборов с использованием ГИС-инструментария для задач моделирования стока (водосборное деление территории, деление на эквидистанты и высотные зоны), а также способы вычисления характеристик речного водосбора и его расчетных элементов.
К числу основных структурных и расчетных элементов рельефа относят тальвеги и водоразделы, границы зон постоянной длины добегания, а в ряде случаев положения вершин, седловин, дна, подошв и бровок. При их расчете используется тот факт, что при инверсии рельефа #-»-# (присвоении в каждой точке значения высоты, равного первоначальному, взятому с обратным знаком) положение структурных линий и точек сохраняется, но происходит их переопределение. Большинство функций по определению водосборного деления по растровой ЦМР сточной территории, тальвежной сети и гидрографической сети реализовано в расширении ArcView Spatyal Analyst. Проблемы возникают только в случае определения водосборного деления бессточной территории. В работе предложен и апробирован способ выделения водораздельных линий из ЦМР для бессточных областей, расширяющий область применимости средств ГИС для заливки фиктивных депрессий. С этой целью предлагается в ЦМР заменять ячейки, покрывающие сточное озеро, ячейками со значениями NoData, поскольку точки стока, граничащие со значениями No Data, не интерпретируются как фиктивные депрессии, а следовательно не удаляются при процедуре заливки Fill.
Преимущество такого подхода заключается в том, что он может использоваться для растровых ЦМР, построенных стандартными методами интерполяции.
В работе предложены способы разделения территории на склоновую и русловую часть, определение зон постоянной длины добегания, выделения конечных и транзитных (с наличием транзитного стока) водосборов, лево- и правобережной частей транзитных водосборов с использованием функций ГИС FlowLength, FlowAccumulation RegionGroup, GetStatistics и др.
Использование триангуляционной ЦМР позволяет оценить коэффициенты вертикальной и горизонтальной расчлененности рельефа, являющиеся важными гидрологическими характеристиками ландшафта. Предложен способ расчета горизонтальной расчлененности с использованием функций TIN модуля Arcinfo, учитывающий наличие плоских (flat) участков, создаваемых при триангуляционном представлении элементов рельефа. Для вертикальной расчлененности, не являющейся однозначно определенным параметром, предложен геометрический способ оценки, использующий выделение дуг водоразделов, тальвегов, подошв и бровок. В созданной по ним упрощенной триангуляционной модели рельефа склон приближается набором треугольников (фасеток), у каждого из которых основание лежит на линии бровки или подошвы, а две другие стороны (далее именуемые склоновыми) направлены вдоль склона.
Во многих гидрологических расчетах, в частности, при расчетах стока, необходимым шагом является вычисление усредненных гидрографических характеристик элементов структуризации территории водосборов (длина и извилистость речной сети площадь водосбора и длина водораздельной линии, продольный профиль русла; коэффициенты залесенности, озерностии др.)
Расчет характеристик производится с использованием растровой ЦМР по алгоритмам, реализованным в ГИС Arcview. Проведенный предварительно анализ показал, что значения среднего уклона речной сети при применении стандартных операторов ГИС завышаются, в среднем, в два раза. С целью решить эту проблему предлагается вычислять средний уклон речной сети по дополнительному гриду, ячейки которого имеют значение высоты только на дренаже (все остальные -NoData). С использованием оператора FocalStatS возможен расчет перепада высоты в окрестности укрупненной ячейки (3x3 от первоначального размера) дренажа (стандартная операция Slope неверно рассчитывает уклон с ячейками без данных). Вычисляя грид суммарной дренажной длины в окрестности 3x3, и зная
уклон, можно рассчитать средний уклон речной сети. Гидрологическую склоновую длину предложено рассчитывать как удвоенное значение средней потоковой длины до русла на склоне (через оператор FlowLength ГИС ArcView).
Определяющее влияние на точность расчета контуров и параметров водосборов оказывают размер ячейки ЦМР и масштаб используемой топографической основы, выбор которого определяется СНиП. Размер ячейки также влияет на длину дренажа и морфометрические параметры территории. Поскольку объем проводимых вычислений обратно пропорционален квадрату размера ячейки а, а точность растет с уменьшением ее размера, то необходима оценка максимального размера, при котором достигается заданная погрешность вычисления параметров водосборов. В работе предложен способ определения зависимости ошибки расчета физико-географических и структурных характеристик территории от масштаба карты и размера ячейки, основанный на геометрической оценке влияния генерализации и расчлененности рельефа на контур и площадь водосбора. Полученный результат близок к формуле, предложенной [69] для оценки минимального размера ячейки грида, необходимого для корректного расчета дренажа. Для прочих параметров водосборов показана возможность использования степенной зависимости для оценки погрешности є расчета параметров, в частности, среднего уклона и склоновой длины:
Также предложен способ определения параметров этой зависимости для произвольной территории и исходного масштаба картографического материала, основанный на использовании результатов расчета характеристик водосбора для нескольких значений а. Для сильнорасчлененных горных территорий Алтая значение а0 при =10% для большинства морфометрических параметров территории равно 2.5-а„ш,
Предложенные алгоритмы расчета усредненных характеристик территории реализованы в ГИС-приложении "SnipCalc".
Третья глава посвящена использованию ГИС технологий при расчетах затопления территорий паводками. Помимо создания адекватной ЦМР для задачи расчета характеристик затопления, проблематичным является собственно вычисление уровней водной поверхности, которое, в общем случае, должно проводиться с использованием специальных программных пакетов, причем выбор метода решения зависит от постановки задачи.
Для задач расчета уровней затопления паводками различной повторяемости предложено несколько методов расчета, реализованных в форме приложения ГИС Arcview, что позволяет в ряде случаев отказаться от использования внешнего ПО. Необходимость применения разных методов расчета обусловлена различным объемом имеющихся в наличии исходных данных и разным уровнем требований к точности расчета области затопления. Большая стоимость проведения русловой съемки рельефа дна и поймы для расчета уровней затопления приводит к необходимости 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 водпоста (створе-аналоге), что делает крайне необходимым подключение средств ГИС к расчетам.
При оценке затопления различной обеспеченности Р (повторяемостью /=100/Р) подъем уровня dZP% вычисляется с помощью соответствующих данных по уровням hpo/o гидрологического пункта. Если известны: уровни различной обеспеченности hpo/o по материалам наблюдений гидрологического пункта; высота отметки нуля в Балтийской системе высот ИБсв, можно рассчитать значение картографической высоты водной поверхности в створе гидрологических наблюдений.
Также в работе предложен подход для оценки уровней в исследуемом створе, заключающийся в интеграции данных по рельефу поймы и полевых измерений или ДДЗ в паводок на основе использования подхода кривых уровней (зависимостей уровень-расход) в форме формулы. Использование информации по рельефу поймы позволяет провести оценку зон затопления в ГИС при наличии информации о расчетных уровнях водной поверхности. Применение данного подхода позволяет с использованием только функций ГИС Arcview полностью автоматизировать расчеты уровней и зон затопления, не уменьшая при этом точность расчета.
Данная технология апробирована при определении зон затопления в паводки различной повторяемости для нескольких населенных пунктов Кемеровской области, расположенных на р. Кондома, наиболее пострадавших в результате наводнения весной 2004 г.
Приложение 1 представляет список основных операций над гридами, используемые для реализции описанных в работе алгоритмов.
Приложение 2 содержит акты о внедрении результатов диссертационной работы.
Создание ЦМР для гидрологических приложений
Использование ЦМР в качестве исходного материала для гидрологических расчетов предъявляет к ней специальные требования гидрологической согласованности, выполнение которых позволяет гарантировать корректное расположение расчетных водораздельных линий и линий тальвегов. 1.2.1. Понятия гидрологически согласованной ЦМР и дренажа Определение гидрологически согласованной ЦМР Как было отмечено выше, уже на ранних этапах возникновения ГИС появились работы, предлагающие методику построения ЦМР именно для гидрологических исследований [167,207]. Обобщая эти работы, можно сформулировать следующее понятие гидрологической согласованности ЦМР [51]. Во-первых, в такой ЦМР должны отсутствовать фиктивные точки стока. Эта проблема возникает для грид-данных при всех стандартных алгоритмах интерполяции. Под фиктивными точками понимаются ячейки, высота которых меньше, чем у всех ближайших соседних. Наличие таких точек возможно в реальном рельефе только в бессточных областях или на дренажной сети у границы расчетной области. Во всех других случаях такие точки приводят к неверному формированию потоковых линий и являются нефизичными артефактами, подлежащими устранению. Проблема удаления фиктивных точек стока эффективно решается, например, операцией Fill (см. Приложение 1) в модулях Hydrologing Modeling (Sample), Hydrologing Modeling 1.1 (Sample), а также в модуле TopoGrid. Однако надо учитывать тот факт, что операция заливки устраняет вместе с фиктивными депрессиями также и истинные депрессии. Поэтому для создания бессточных областей зона её действия сознательно ограничивается. В противном случае искажения ЦМР и картины потоков являются очень большими. Во-вторых, потоковые линии (линии наискорейшего спуска), проведенные по ЦМР, должны совпадать (в пределах точности расчетов) с соответствующими отрезками исходной речной сети. Последнее понятие можно переформулировать в следующем виде: для двух произвольных точек, взятых на линии исходной речной сети, должна существовать потоковая линия, рассчитанная по ЦМР, соединяющая две эти точки. Как правило, потоковые линии, рассчитанные по ЦМР, созданной без учета речной сети, совпадают с ней только в точках пересечения речной сети с горизонталями (при условии самосогласованности первичных данных), или в точках, несущих информацию об урезе воды.
Это происходит, во-первых, из-за несовершенства механизмов интерполяции, и из-за особенностей рельефа вблизи речной сети. В связи с этим, необходим обязательный учет речной сети при создании ЦМР. ЦМР, удовлетворяющая выше изложенным требованиям, позволяет получить правильные водораздельные линии, линии тальвегов и водосборное деление территории. Помимо гидрологической согласованности для решения ряда гидрологических задач (прежде всего оценки затопления территории) цифровая модель рельефа должна отражать особенности поверхности поймы, которые обозначены на топографической карте в виде структурных линий (обрывы и дамбы). Способы учета этих особенностей будут рассмотрены далее в работе. Все реализованные алгоритмы построения ЦМР для гидрологических целей (модуль TopoGrid, Hydrologing Modeling), используя только основные картографические данные, не задействуют значительную часть слоев, представленных в таблице 1.1, следствием чего является плохая гидрологическая согласованность ЦМР для многих нестандартных ситуаций. В данной работе предлагаются алгоритмы корректного учета дополнительной информации, снимаемой с ЦКМ, для построения гидрологически - согласованной ЦМР и их реализация с использованием стандартных возможностей ГИС. Поскольку растровая модель рельефа является исходным материалом для большинства гидрологических расчетов, основные работы с целью создания гидрологически согласованной ЦМР проводятся именно с этим форматом. Необходимо подробнее остановиться на уже достигнутых результатах в этом направлении. Одним из базовых понятий при работе с ЦМР для гидрологических задач является понятие дренажа. В растровой модели рельефа понятие речной сети (дренаж) включает некоторую связную совокупность ячеек. Ширина реки всюду равна одной ячейке. При этом речная сеть представляет собой связное дерево, т.е. отсутствуют структуры островного типа. Это означает, что реальная речная сеть заменяется однопроточной, с единичной шириной протоков. В целом такое рассмотрение более чем достаточно для моделирования и прогноза стока рек. Подходы к расчету дренажа Большинство гидрологических расчетов по ЦМР требуют корректного построения русловой сети. Простая растеризация первоначальной речной сети приводит, как правило, к неверным результатам. Дело в том, что расчетная дренажная сеть часто не совпадает с реальной сетью, отклоняясь от нее на расстояние до нескольких ячеек (со стороной а). В основном такие несовпадения возникают из-за огрубления при растеризации, несогласованности начальных данных в горизонталях и речной сети (с ошибкой, оцениваемой в метрах как 0.1-Ю.4- 10"3-М, где М - масштаб исходной карты [12]), а также несовершенства механизмов интерполяции.
Вычисление характеристик речного водосбора и его расчетных элементов по ЦМР
При моделировании процессов формирования стока одним из необходимых шагов является вычисление усредненных морфометрических и физико-географических характеристик элементов деления территории (как правило, водосборов). Ряд этих характеристик используется при оценке экстремального стока, при моделировании русловой трансформации, при расчете распределений гидрометеоэлементов на территории. В главе предлагается решение задачи автоматизированного расчета этих характеристик средствами ГИС Arcview на основе ЦМР. При этом проводится оценка зависимости погрешности расчета характеристик территории от параметров ЦМР, и предлагаются подходы к расчету характеристик при неполноте данных (в частности отсутствии цифровых карт необходимого масштаба). Список гидрографических характеристик водосборного бассейна, которые могут быть рассчитаны с помощью современных ГИС технологий с использованием цифровых моделей рельефа (ЦМР), весьма обширен и может включать в себя, в частности (см. [50]) следующие характеристики : 1. Рассчитываемые по гидрографической сети характеристики водосбора: а) длина речной сети (густота речной сети); б) извилистость речной сети. 2. Рассчитываемые по рельефу (морфометрические) характеристики водосбора: а) площадь водосбора, длина водораздельной линии; б) график нарастания водосборной площади вдоль течения реки; в) график изменения ширины водосбора вдоль течения реки (соотносится с 26 как её дифференциал); г) ареаграфическая кривая или кривая добегания (тождественна 2в при постоянной скорости добегания); д) коэффициент асимметрии водосбора; е) гипсографическая кривая (доля площади водосбора с высотами больше заданной); ж) средний уклон водосбора; з) средний уклон склонов; и) средний уклон русла; к) средняя длина склонов; л) средняя длина добегания; м) продольный профиль русла. 3.
Рассчитваемые с использованием прочих картографических данных (физико-географические) характеристики водосбора: а) коэффициент залесенности; б) коэффициент озерности; в) коэффициент заболоченности; г) гидрографическая кривая (доля расхода водосбора, формируемого высотами, больше заданной). Также бывает необходимым проведение расчетов гидрографических характеристик речной сети, проведение анализа порядковой зависимости гидрографических величин [18]. При реализации данной задачи особое внимание уделяется методическим подходам к расчету тех параметров водосбора, которые представляют существенный интерес как входные параметры квазираспределенных моделей стока (см. [47]) и требуют использования в расчетах цифровых моделей рельефа (ЦМР), в частности средней длины склонов, средней длины добегания, ареаграфической кривой. 2.2.1. Выделение области расчета Как правило, параметры водосбора или иной единицы деления территории (зоны добегания, высотной зоны и др.) рассчитываются независимо от других водосборов (зон). При выделении области расчета, в которую входит рассматриваемая единица территории, используется грид деления территории [Division]. В частности, для случая, когда расчетной единицей является водосбор, грид [Division] рассчитывается, как указано в п. 2.1.1, путем вычисления водосборного деления территории. Расчетный элемент выделяется с помощью запроса из общего массива в гриде [Division] (см. в качестве примера рис. 2.8). На следующей стадии [Division] конвертируется в грид [Wat] (при этом преобразуется только выделенная часть, остальным ячейкам присваивается NoData). Грид [Wat] реклассифицируется так, что ячейки, входящие в расчетный элемент территории, имеют значение 1, остальным ячейкам присваивается NoData. Результирующий грид [Mask] далее именуется грид-маска.
Все имеющиеся растровые данные умножаются на грид-маску. Векторные данные должны быть вырезаны с помощью расширения ArcView Geoprocessing Wizard (AGW) по векторному контуру расчетного элемента (векторное полигональное покрытие, содержащее контур расчетного элемента, обозначается [Maskv]). Также предполагается, что все растровые данные домножены на грид-маску [Mask], а векторные данные вырезаны под контур расчетного элемента [Maskv]. Рис.2.8. Выделение области расчета [48]. 90 Надо отметить, что при выделении расчетной территории крайне желательно одновременное изменение экстента расчета и экстента анализа на период расчета (в Spatyal Analyst это производится функциями SetAnalysisExtent и SetAnalysisMask), в соответствии с экстентом расчетного участка. Наиболее просто вычисляется
ГИС приложения для расчета затопления паводком различной обеспеченности
Предложенные методы расчета характеристик зон затопления обеспечивают решение задач подготовки данных для вычисления уровней затопления и собственно расчета зоны затопления и её характеристик. Для расчета уровней затопления паводком различной повторяемости нами разработано ГИС-приложение, основанное на использовании нескольких методов расчета уровней водной поверхности [48,14,32,6,53], адаптированных к ГИС Arc View. Необходимость применения различных методов расчета обоснована различным объемом имеющихся в наличии исходных данных и разным уровнем требований к точности расчета области затопления. В общем случае для расчета высот водной поверхности в опорных створах / зоны затопления по материалам гидрологических наблюдений необходимо знать следующие величины [25,30,48]: 1. Кривые уровней НЮ) для опорных створов / в зоне затопления (Д -абсолютная высота водной поверхности у опорного створа і). 2. Величину расхода Q, для которого рассчитывается уровень на пункте гидрологических наблюдений (основным при выборе пункта является требование, что расход исследуемой в створе пункта реки близок к расходу в начальном створе зоны затопления). Если на участке между пунктом гидрологических наблюдений и расчетным створом имеются крупные притоки, необходимо учесть поправку к расходу Q. При известном расчетном расходе различной обеспеченности по кривым НЮ) можно вычислить соответствующие уровни, и по описанному выше алгоритму оценки характеристик затопления определить зоны затопления. Кривые уровней могут быть рассчитаны по данным наблюдений или теоретически по известному поперечному профилю русла и коэффициенту шероховатости (см. например, [30]), что требует наличия данных русловой съемки рельефа дна и поймы. Большая стоимость проведения руслово-пойменной съемки (на 2004 год около 500 тыс. р. на 1 км съемки) и гидрометрических наблюдений в створах (околоЗОО тыс. р. на один створ) вынуждает на практике применять различные методы оценки кривой уровней или самих уровней, основанные на использовании данных по ППР в межень, данных по рельефу поймы с цифровых карт и ДДЗ, что делает крайне необходимым подключение ГИС к расчетам.
В некоторых случаях необходимо знать кривую уровней Hj Q) для гидропункта (Нп - абсолютная высота водной поверхности у гидропункта), данные измерений которого используются при расчетах. Предполагается наличие материалов гидрологических наблюдений в створе водпоста (створе - аналоге). Ввиду сложности расчета кривых уровней на практике применяется более простой способ, корректно работающий при морфологически подобных условиях в створе пункта и в створах зоны затопления (т.е. при одинаковой форме кривых уровней во всех створах). Уклоны водной поверхности при подъеме уровней предполагаются тождественными уклонам водной поверхности, получаемым по картографической информации об урезах воды на главном русле реки . Данный подход достаточно широко используется в ручных расчетах зон затопления (например, [8]). Таким образом, высота водной поверхности в любой точке рассчитывается по формуле [53]: где dZ -не зависящий от координат подъем уровня воды над картографическим. Использование технологии по оценке характеристик затопления позволяет реализовывать данную формулу для оценки затопления непосредственно в ГИС. Авторами работы [8] проведен анализ надежности и точности получаемых по такой методике карт затопления. Оценка опасности наводнений для территории включает расчет возможных зон затопления паводками различной повторяемости. Соответственно, используемый при оценке затопления различной обеспеченности Р (повторяемостью t=10Q/P) подъем уровня dZp% вычисляется с помощью соответствующих данных по уровням hp% гидрологического пункта; при этом высота водной поверхности Z/ %, определяется в любой точке согласно формуле [53]
Способ расчета уровней с учетом информации о реальных контурах затопления
Существует возможность аналитической оценки параметров кривых уровней с помощью результатов единственного полевого обследования территории (или снимка зоны затопления) на известную дату и цифровой карты местности. Весьма распространенным в гидрологических расчетах [21] является использование степенной связи между расходом и живым сечением в выбранном створе. При таком подходе, если принять, что профиль поймы также имеет степенную зависимость вида (см., например, [30]): где z - высота над дном, у - плановое расстояние до фарватера, z0 - высота при у = В0 - полуширине реки в межень, п - показатель степени), то можно вычислить высоту превышения уровня в явном виде. Проведем, следуя подходу Р.А.Нежиховского и частично в работе [43], анализ взаимосвязи гидравлических параметров для степенного профиля русла с целью получить возможность пересчета уровней на гидропосту в уровни на других створах. Для живого сечения тогда используется формула: Зависимость средней скорости течения при использовании формулы Шези-Маннинга для коэффициента Шези и при использовании приближения мелкой и широкой реки B»z есть: где пт - коэффициент шероховатости, і - уклон водной поверхности. Комбинируя формулы (3.9) и (3.10), можно получить формулу для расхода в створе Q: Используя формулу (3.11), рассмотрим 3 значения уровней в створе. 1. Уровень на момент картографической съемки, как правило, межень, обозначаемый далее индексом т: z=Z(r ZM; Q = QM; і = iM. Этот уровень нечувствителен к погрешностям определения даты съемки и QM. Уклоны могут быть определены в ГИС по интерполированной водной поверхности в межень. 2. Уровень на момент полевого измерения границы затопления, как правило, в паводок, обозначаемый далее индексом и: z=zu= zM+dzu; Q = Qu; і = /
Величина dzu совпадает с dZu - превышением высоты водной поверхности в момент измерения над уровнем межени. Уклоны могут быть определены в ГИС по измеренному распределению высот водной поверхности в момент измерения. 3. Уровень, подлежащий определению, обозначаемый далее индексом t: z=z, = zM+dz,; Q = Qt; і = it. Величина dzt совпадает с dZ, - превышением высоты водной поверхности в подлежащий определению момент измерения над уровнем межени. С помощью формулы (3.11) можно вывести 2 соотношения между расходами при разных значениях уровней в створе: Отметим, что зависимостью от уклонов в (3.14) можно пренебречь, по сравнению с зависимостью от расходов (изменение расходов в паводок составляет тысячи процентов в то время, как уклоны меняются на десятки процентов). Разумеется, можно подобрать какую-либо простую аппроксимацию этой зависимости, удовлетворяющую условиям равенства уклонов ім и /„ при z= zM и z„ соответственно, например: Однако применение зависимости вида (3.15) было бы превышением точности нашего подхода, предполагающего степенной профиль русла. В согласии с нашей целью получить, по возможности, простое уточнение методики, описанной в предыдущем разделе, не будем далее учитывать зависимость от уклонов.
В этом приближении формула (3.14) может быть переписана в виде: Рассмотрим теперь два створа - створ гидропоста и исследуемый створ (величины, связанные с гидропостом, далее обозначаем тильдой). Для гидропоста справедливо уравнение: Предположим, что с учетом времени добегания ід существует линейная связь между расходом на гидропосту и расходом в исследуемом створе с модульным коэффициентом а: Это предположение вполне корректно, если исследуемый створ лежит на той же реке, что и главный. Коэффициент а в этом случае примерно равен отношению водосборных площадей в исследуемом створе и створе гидропоста. В этом случае можно считать: Общее соотношение между превышениями уровней (3.20) имеет 2 предельных случая. Первый случай касается однородной поймы, для которой отношение К1к=\. Для такой поймы, очевидно, выполняется точное соотношение
