Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Существующие методы одномерного математического моделирования плавноизменяющегося движения воды в системах естественных и искусственных водотоков 9
1.1. Краткий обзор развития методов вычислительной гидравлики открытых русел 9
1.2. Математическое представление систем уравнений Сен-Венана, используемых в программах MIKE 11 и RIVER 13
1.3. Схематическое построение русла и описание, применяемых расчетных схем 17
1.4. Особенности методики построения поперечников, постановки начальных и граничных условий 25
1.5. Алгоритм решения для простых русел методом двойной прогонки 26
Глава 2. Создание одномерной математической модели водохранилища Чебоксарского гидроузла на участке р.Волги между Нижегородским гидроузлом и г.Нижним Новгородом 28
2.1. Общая характеристика Волжско-Камского каскада гидроузлов 28
2.2. Одномерная математическая модель Чебоксарского водохранилища, построенная по методике, применяемой в Техническом Университете им. Фридерисиана г.Карслруэ 34
2.3. Одномерная математическая модель Чебоксарского водохранилища, построенная по методике автора 43
Глава 3. Сравнение методологии одномерного и двумерного математического моделирования движения сложных течений в русле водотока и на пойме 56
3.1. Существующие методы описания движения воды на пойменных участках при помощи одномерных и двумерных уравнений 56
3.2. Методы описания системы двумерных уравнений Сен-Венана для плановых течений потоков в руслах рек с размываемым дном, используемых в программе FLOOD 62
3.3. Особенность расчетной схемы и алгоритм решения 63
3.4. Методика схематизации численной модели,
постановка начальных и граничных условий 66
3.5. Подбор коэффициента шероховатости в одномерной и двумерной моделях и его роль в калибровке численных моделей 67
Глава 4. Создание одномерной и двумерной математических моделей на участке р. Волги между Нижегородским гидроузлом и г.Нижним Новгородом для минимальных (меженных) и максимальных (паводковых) расходов и сравнение полученных результатов 70
4.1. Построение одномерной математической модели 70
4.2. Построение двумерной математической модели 70
Глава 5. Разработка специальных вопросов методологии использования ГИС-технологий в сочетании с численной гидродинамикой для решения задач гидротехники и водного хозяйства
5.1. Обзор изученности и состояния современных ГИС-технологий 86
5.2. Примеры использования ГИС-технологий в гидрологии, гидротехнике и экологии 96
5.3. Совершенствование методов подготовки топографических исходных данных средствами ГИС для численного моделирования движения воды в русле и на пойме на примере участка между Нижегородским гидроузлом и г.Нижним Новгородом 102
5.3.1. Основные методы сбора, обработки и хранения топографической информации 102
5.3.2. Понятие цифровой модели рельефа и принципы ее построения 109
5.3.3. Проблема интерполяции и способы ее решения 114
Глава 6. Сравнение различных методов построения интерполяционной поверхности 128
6.1. Построение интерполяционной поверхности методом билинейной интерполяции на основе триангуляционной сетки 128
6.2. Построение поверхности геостатистическим методом Кригинг 136
6.3. Построение поверхности методом геометрической интерполяции на основе ячеек Дирихле 143
6.4. Определение точности различных интерполяционных методов 145
Заключение 155
Список использованной литературы
- Математическое представление систем уравнений Сен-Венана, используемых в программах MIKE 11 и RIVER
- Одномерная математическая модель Чебоксарского водохранилища, построенная по методике, применяемой в Техническом Университете им. Фридерисиана г.Карслруэ
- Методы описания системы двумерных уравнений Сен-Венана для плановых течений потоков в руслах рек с размываемым дном, используемых в программе FLOOD
- Построение двумерной математической модели
Введение к работе
Актуальность проблемы. Имитационное компьютерное моделирование стало сегодня неотъемлемым элементом различных этапов создания современных гидроузлов. Результаты такого моделирования учитываются при прогнозировании отметок свободной поверхности потока в верхнем и нижнем бьефах гидроузла при пропуске максимальных (паводковых) и минимальных (меженных) расходов, при установлении границ затопления территорий, примыкающих к речному руслу, при оценке условий судоходства, при анализе возможностей выработки электроэнергии гидроагрегатами ГЭС, при осуществлении автоматизации управления каскадами речных гидроузлов, при решении проблем рыбохозяйственного использования водохранилищ каскадов, при решении проблем устойчивого развития водного хозяйства и т.п.
Именно благодаря применению имитационного компьютерного моделирования удается быстро и достаточно точно решить многие из перечисленных задач, как при проектировании, так и при строительстве гидротехнических сооружений сложных водохозяйственных комплексов. В рамках настоящей диссертационной работы ее автором предпринята попытка решить ряд достаточно сложных задач такого моделирования путем разработки современных методологий их решения на базе использования современных программных средств, а также ГИС-технологий. В связи с изложенным решаемая автором научная задача является актуальной.
Цель и основные задачи исследований.
Основная цель исследований автора заключалась в совершенствовании существующих методов имитационного моделирования течений водных потоков в зарегулированных руслах - бьефах речных гидроузлов с использованием информационных технологий для того, чтобы повысить точность и обоснованность исходных данных, используемых при расчетном обосновании проектируемых гидротехнических сооружений речных гидроузлов и водохозяйственных систем, при оперативном прогнозировании различных ситуаций, которые могут иметь место в период строительства и
последующей эксплуатации этих водных объектов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
провести анализ существующих методов численного моделирования движения потоков воды в открытых водотоках, а также интеграции этих методов с современными ГИС-технологиями;
на базе проведенного анализа создать одномерную математическую модель водохранилища Чебоксарского гидроузла и с ее помощью провести сравнительные прогностические расчеты, используя в этих целях программные комплексы MIKE11 и RIVER;
сравнить результаты расчетов, выполненных на одномерной и двумерной математических моделях на участке конкретной реки, используя численные методы программ RIVER и FLOOD при прохождении максимального и минимального расходов в русле;
изучить основные проблемы подготовки исходных данных для математических моделей водохозяйственных объектов с использованием ГИС-технологий и разработать методику повышения качества используемых при этом исходных данных;
сравнить методы построения интерполяционной поверхности рельефа дна и берегов акваторий водных объектов тремя способами: билинейным на основе триангуляционной сетки, геостатистическим методом Кригинг и геометрическим методом на основе ячеек Дирихле,
выполнить оценку точности интерполяции и выявить ее влияние на результаты имитационного моделирования водохозяйственных объектов.
Научная новизна, полученных в работе результатов состоит в следующем:
- установлено, что для повышения точности прогнозирования
максимальных и минимальных уровней свободной поверхности воды в
речных руслах с поймой - бьефах водохранилищ речных гидроузлов следует
использовать различное количество, местоположение и ориентацию
поперечников;
- проведены сравнительные методические расчеты на одномерной и
двумерной моделях конкретного участка речного русла - верхнего бьефа Чебоксарского гидроузла для случаев прохождения по нему максимальных (паводковых) и минимальных (меженных) расходов;
выявлена специфика и сформулированы рекомендации по оптимальной подготовке исходных данных при помощи ГИС-технологий для дальнейшего использования их при одномерном и двумерном моделировании гидродинамических параметров бьефов речных гидроузлов;
осуществлено сравнение результатов расчетов параметров речного потока с помощью одномерной математической модели для случаев пропуска минимального (меженного) расхода через поперечные сечения речного русла, очертания границ которых получены с разных интерполяционных поверхностей;
на реальном объекте проведен сравнительный анализ трех методов интерполяции поверхности дна и берегов акваторий бьефов речных гидроузлов, выявлены связи между размерами ячейки билинейной интерполяции на основе триангуляционной сетки и среднеквадратической ошибкой интерполяции.
Достоверность научных результатов, полученных в работе, подтверждена сопоставлением их с результатами, полученными как с помощью известных расчетных методов, так и с данными натурных измерений. При этом использовались данные, полученные при замерах параметров течения воды на постоянных и временных водомерных постах, а также результаты промеров дна с помощью эхолотов, космические снимки, существующие карты масштаба 1:25000 и 1:10000.
Практическая ценность работы заключается в том, что в ее рамках получены результаты исследований совместного использования ГИС-технологий и компьютерных программ для прогноза параметров течения потоков в зоне гидротехнических объектов, что позволило усовершенствовать существовавшие ранее методы имитационного моделирования зарегулированных речных русел - бьефов водохранилищ.
8 Апробация работы. Результаты исследований и основные положения
диссертации докладывались на научно-технических конференциях
Московского государственного университета природообустройства в период
с 2003 по 2005 годы, а также на заседаниях кафедры Гидротехнических
сооружений МГУП.
Реализация работы. На основе полученных материалов был разработан практический курс для студентов-магистров «Компьютерное моделирование русловых потоков», а также разработаны рекомендации по методике построения цифровых моделей рельефа русел и пойм равнинных рек в целях их дальнейшего использования в качестве исходных данных для создания одномерных и двумерных математических моделей течения воды в этих водотоках в зоне проектируемых и построенных гидротехнических объектов.
Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах ее автора.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка использованной литературы, насчитывающего 273 наименования, из которых 70 иностранных. Работа изложена на 167 станицах машинописного текста, иллюстрирована 71 рисунком, содержит 11 таблиц.
Автор считает необходимым выразить свою глубокую благодарность своему научному руководителю заслуженному деятелю науки РФ, профессору д.т.н. Румянцеву И.С. предоставившему ей возможность участия в выполнении раздела Федеральной Целевой программы «Возрождение Волги», а также в работе над Международным проектом «Волга-Рейн», профессорам Университета «Фридерициана» в г.Карлсруэ (Германия) Ф.Нестманну и Р.Кромеру за возможность освоения современных технологий имитационного компьютерного моделирования водных потоков. Автор весьма признательна д.т.н. Беликову В.В. за помощь в выполнении исследований, обсуждение полученных результатов и познавательные консультации по вопросам численного моделирования, а также д.б.н. профессору Зейлигеру A.M. за возможность участия в исследованиях, проводимых в рамках Международного проекта TEMPUS-SWARP-ICT 21051.
Математическое представление систем уравнений Сен-Венана, используемых в программах MIKE 11 и RIVER
MIKE 11 - это профессиональный пакет программ для моделирования потоков (включая прорыв плотин), качества воды и транспорта наносов, основной особенностью которого является модульная структура, имеющая следующие основные (базовые) модули [245]: - гидродинамический (HD), который реализует неявную разностную схему расчета неустановившегося движения воды в водотоках, основанную на уравнениях Сен-Венана; - адвекции-дисперсии и транспорта связных наносов (AD), основанный на одномерном уравнении сохранения массы растворенного и взвешенного вещества (соли, связные наносы и т.п.). В качестве исходных данных используются результату расчета в гидродинамическом модуле (HD); - качества воды (WQ), описывающий основные аспекты качества воды в реке в результате антропогенного воздействия, таких как кислородное истощение и концентрация ионов аммония поступающих в реку. Используется совместно с модулем адвекции-дисперсии и транспорта связных наносов (AD); - морфологии и транспорта несвязных наносов (NST), позволяющий вычислять транспорт несвязных наносов, морфологические изменения и изменения сопротивления русла.
В данной работе автором был использован для исследований гидродинамический модуль.
Программный комплекс RIVER, разработанный А.Н.Милитеевым, В.В.Беликовым, В.В. Кочетковым [15], предназначен для расчета параметров течения (расходов и уровней воды, зон затопления и т.п.) и состоит из семи модулей, которые по своему назначению можно разделить на три части: -для предварительной обработки, в состав которой вошли модули просмотра и редактирования поперечников на электронной карте и гидрографов; - расчетная или основная, производящая расчет параметров течения с использованием гидрологической информации, к которой дополнительно подключаются моделирование формирования боковой приточности к системе русел с использованием метеорологических данных (модуль расчета стока); - заключительная, основной целью которой является представление результатов моделирования в виде графиков, а также зон затопления и скоростей течения на электронной карте.
Расчет течения в системе русел производится на основе совместного численного решения одномерного уравнения Сен-Венана и уравнения неразрывности по оригинальному алгоритму. Расчет боковой приточности с использованием метеорологических данных ведется на основе численного решения уравнений диффузионной волны раздельно для склонового, руслового и подповерхностного стока с применением известных методик определения интенсивности снеготаяния и величины инфильтрационного расхода.
В MIKE11 для решения уравнения (1.11) и (1.12) используется 6-точечная схема Эббота, которая решается методом конечных разностей и является неявной. Принцип этой схемы заключается в том, что расход и уровни воды определяются в разных точках (рис. 1.2). Подробное описание этой схемы рассмотрено в [245].
Расчетный участок вдоль русла разбивается на N-1 отрезков, которые называются ячейками сетки. Точки разбиения являются узлами сетки и их координаты обозначаются через xj5 (j = l...N). В узлах сетки, соответствующих поперечным сечениям, вычисляются уровни воды, между 20 ними расходы и скорости Qi, Ui. Если расстояние между поперечниками больше значения dx, которое в свою очередь задается вручную, то участок между поперечниками разбивается пополам и в серединной точке вычисляется уровень воды. Расстояние между h-точками и Q-точками принимается равным —. Для дискретизации по времени временной интервал разбивается на отрезки dt. Координаты узлов сетки обозначаются через tn, (n = 1...М) На рис. 1.2, а) представлен пример расчетной сетки к 6-точечной схеме Эббота.
Одномерная математическая модель Чебоксарского водохранилища, построенная по методике, применяемой в Техническом Университете им. Фридерисиана г.Карслруэ
Режим работы водохранилищ каскада затрагивает интересы многих отраслей хозяйства на огромной территории. В настоящее время разрабатываются различные методы решения проблемы рационального использования водных ресурсов за счет повышения эффективности работы гидроузлов. Основной способ развития этого направления в автоматизации основных процессов и совершенствовании технических средств.
Принципиально новый подход к управлению сложными энергетическими системами, в состав которых входят каскады речных гидроузлов с гидроэлектростанциями при одновременном удовлетворении всех пользователей водными ресурсами и потребителей энергии, был использован для ряда рек Западной Европы. Ярким примером тому служит каскад гидроузлов в верхней части Рейна рис.2.2 и 2.3.
В рамках федеральной целевой программы «Возрождение Волги» и международного проекта «Волга-Рейн» в 1999 году была построена пионерная численная модель водохранилища Чебоксарского гидроузла, на основании которой дано обоснование применения ГИС-технологии в сочетании с программным средством по расчету неустановившегося движения воды в русле реки [23, 131, 132, 155, 174]. В дальнейшем были построены математические модели водохранилищ Рыбинского, Горьковского гидроузлов в 2001-2002 г.г.
Участок моделирования был расположен на р. Волга между Нижегородским и Чебоксарским гидроузлами (855 - 1184 км) (рис.2.4). Чебоксарское водохранилище расположено на территории Республик Чувашия, Марий Эл и Нижегородской области, с водосборной площадью 604000км и площадью зеркала 1213 км . Основные притоки Чебоксарского водохранилища, которые также были учтены при моделировании: р.Ока (протяженность 1500 км, водосборная площадь 245 тыс. км ), р.Сура (протяженность 841 км, водосборная площадь 67.5 тыс. км ), Ветлуга (протяженность 889 км, водосборная площадь 39.4 тыс. км ).
В состав основных сооружений Нижегородского гидроузла входят: гидроэлектростанция с 8 гидроагрегатами, водосбросная плотина, грунтовая плотина и дамбы, два однокамерных двухниточных шлюза, аванпорт. Водосбросная плотина имеет 12 пролетов шириной по 20 м. План гидроузла приведен на рис 2.4.а), разрез по продольной оси гидроузла - на рис. 2.4.6).
Чебоксарский гидроузел включает в себя: гидроэлектростанцию с 18 гидроагрегатами, совмещенную с водосбросом, водосбросную плотину, грунтовую плотину, судоходный шлюз с нижним подходным каналом и ограждающей дамбой, а также ограждающую дамбу аванпорта. Водосбросная плотина имеет 6 пролетов шириной по 20 м. План гидроузла приведен на рис.2.5.а), разрез по продольной оси гидроузла - на рис. 2.5.6).
В пионерном проекте в качестве исходных были использованы следующие данные: общегеографческие и лоцманские карты масштаба 1:25000, а также подготовленные Нижегородской экспедицией поперечники в количестве 317 штук с интервалом примерно 1 км. Построенная математическая модель содержала 315 поперечников (рис. 2.6), в тех местах, где находились острова, которые в результате максимальных расходов в русле не затапливались, была проведена схематизация по принципу разветвленного русла, было выделено 6 островов. При моделировании были учтены зоны аккумуляции потока. Пример схематизации потока приведен на рис. 2.7.
Математическое моделирование проводилось на программном комплексе CARIMA, в основе которой находятся одномерные уравнения Сен-Венана, решенные численным методом по схеме Прайсмана. Граничными условиями для калибровки модели табл. 2.2, 2.3 послужили гидрологические данные, полученные в результате анализа ряда отчетов по гидрологической характеристике р.Волги [41, 42, 76] и информации по данным ежедневных наблюдений с водомерных постов. Результаты калибровки паредставлены на рис.2.8 и в таблице 2.3 Полученный коэффициент шероховатости был равен п=0,033.
С момента запуска пионерной модели водохранилища Чебоксарского гидроузла прошел некоторый период времени, в течение которого появились новые данные об объекте моделирования. В августе 2003 года были проведены предпроектные изыскания по низконапорному гидроузлу на р.Волга, для которых была организована экспедиция географического факультета МГУ во главе с Зайцевым А.Л. Результатом работы этой экспедиции является съемка дна эхолотированием с применением системы спутникового позиционирования 52-х километрового участка между Нижегородским гидроузлом и г.Нижний Новгород. В этот же период времени были проведены замеры уровня водной поверхности на имеющихся гидропостах в районе г.г. Городец, Балахна, Сормово, а также на временно устроенных постах вблизи Нижегородского гидроузла, на Кочергинском перекате, напротив прудов ГОСГРЭС, г. Козине Получены уровни свободной поверхности воды для меженных расходов. Кроме этого, в работе были использованы данные по фактическим часовым расходам воды через Горьковский гидроузел и соответствующие им часовые отметки водной поверхности на водомерном посту г.Городеца за июль 2003 г.
Методы описания системы двумерных уравнений Сен-Венана для плановых течений потоков в руслах рек с размываемым дном, используемых в программе FLOOD
Одномерные уравнения движения воды имеют ограничения в описании некоторых явлений, имеющих место в природе, и подходят для описания рек с слабоизменяющимся руслом близким по своей форме к каналу (о допущениях, при которых эта система уравнений применяется, упоминалось в 1.1). В таких условиях модель дает наименьшую ошибку и не требует значительных затрат на калибровку. При наличии поймы у реки возникают трудности с использованием этих уравнений, так как на пойме движение воды происходит не по одному направлению из-за растительности, построек, дорог и т.п.; зачастую скорость воды на отдельных участках равна нулю. Эти уравнения также не описывают вихри, застойные и циркуляционные зоны, которые образуются при впадении притоков, наличии островов, берегоукрепительных сооружений в виде бун. Кроме того, при прохождении паводка в долинах рек с меандрирующими руслами поток имеет сложную структуру. В подобных случаях наиболее корректным представляется использование двумерных уравнений, которые построены на следующих допущениях: - давление жидкости по вертикали подчиняется законам гидростатики; - турбулентные напряжения аппроксимируются трением по дну, т.е трение по вертикали не учитывается; - средняя глубина потока много меньше ширины русла.
Программный комплекс FLOOD был разработан сотрудниками ОАО «НИИЭС» А.Н.Милитеевым и В.В.Беликовым, В.В.Кочетковым. В его основу заложены двумерные (в плане) уравнения Сен-Венана, чаще именуемые «уравнениями мелкой воды», а также соотношения, описывающие перенос частиц наносов, и уравнение деформаций дна. На рис. 3.4., а) представлен бесконечно малый объем жидкости, используемый для вывода двумерных уравнений. В [11] подробно описывается преобразование уравнений инерции и неразрывности для несжимаемой жидкости, которые, в конечном счете, приводят к уравнениям, записанным в интегральном виде, соответственно: J dn + 4gh2nda + qnUda = nCt » ... (3.1) = - J0.5A.qq .h-2dfi - JghVzdfi n n J dn + fl.da-O, ... (3.2) где Q - область интегрирования (площадь ячейки) в плоскости декартовых координат х, у (м); а -граница области интегрирования (периметр); п - вектор единичной внешней нормали к границе; t - время; q - вектор удельных расходов воды; qn - проекция q на нормаль; С,, z — отметки свободной поверхности и дна соответственно; h- глубина потока h = C,-z; U = q/h - вектор средней по глубине скорости потока; g - ускорение свободного падения; X - коэффициент гидравлического трения, определяемый по формуле X = 2gn2h 3, где п - коэффициент шероховатости; V - дифференциальный оператор Гамильтона. При решении уравнения (3.1) без конвективных членов оно принимает следующий вид: Jo.5Xqq h 2dQ + JghVzdH = 0 ... (3.3) В (3.1), (3.2) вектор удельного расхода q(x,y,t) и уровень водной поверхности (x,y,t) - искомые величины.
Дискретизация двумерных уравнений производится на треугольной сетке (рис.3.5) по оригинальной методике, описанной в [11], и является неявной схемой конечных объемов. В узлах сетки задаются отметки дна z и вычисляются значения C n v. В центрах тяжести треугольников определяется вектор удельного расхода q. Расчетной ячейкой для вычисления q является треугольник, для вычисления С, - многоугольник, образованный отрезками, проходящими через середины сторон и центры тяжести треугольников, имеющих своей вершиной соответствующий узел.
Уравнение (3.1) интегрируется по треугольнику 1 , пример на рис.3.5., с вершинами і j к и площадью со,. В результате получаем: qr -F. -DfVtf1, г - Л q[+-K[ to, ; ( _ "\ F,r = (3.4) l+0.5Xqh 2fx Atgh[ D[ = l + 0.5 qh-2fAt где At - шаг по времени; верхним индексом здесь и далее обозначается номер итерации при расчете величин на верхнем слое по времени (г = 0,1,2,...М); V r+1 выражается через С,1+\С,]+1 ,С 1 и координаты вершин треугольника по известным формулам метода конечных элементов [11, 172]. Уравнение неразрывности (1.2) в свою очередь интегрируется по многоугольнику. В результате получаем: (3.5) "І і=і Fnr-D v 3 J где т, - число треугольников, сходящихся в вершине i; L - длина части границы шаблона, лежащей внутри треугольника 1. (дй,1+1/дп\ выражается линейно через [+1, j+1,!J+1 [ ]. В результате преобразований, более подробно описанных в [11], была получена система алгебраических уравнений относительно [+І, і = 1,...N, где N - число узлов. Рассчитав [+1 во всех узлах сетки, определяются векторы удельных q[+1 Итерации на каждом шаге по времени прекращаются при Г+1 smax і где є - малая величина. сг-« cr-cr выполнении условия: max
При отсутствии конвективных членов описанная неявная разностная схема дивергентна по массе и импульсу (на горизонтальном дне без трения), имеет первый порядок аппроксимации по времени и второй по пространству и абсолютно устойчива. Для вычисления конвективных членов на каждой итерации необходимо выполнить интерполяцию потоков импульса на стороны треугольников, зная скорости и удельные расходы в центрах треугольников. Для обеспечения устойчивости этой схемы необходимо выбирать шаг по времени из условий: х = min (х,), J-= J-max (] (Q./h,),- (Q B/h,)l, ... (3.6) 1 x, CO, і to I o ) где суммирование ведется отдельно по втекающим в треугольник и вытекающим из него расходам. Итоги сопоставления результатов лабораторных исследований и численных экспериментов более подробно приведены в [11].
Построение двумерной математической модели
В последнее тридцатилетие во многих отраслях науки и техники получили широкое распространение географические информационные системы, кратко именуемые ГИС-технологиями. Их возникновение и развитие было предопределено исторически. Научно-техническая революция и ход процессов развития общества, науки, техники способствовали их быстрой эволюции. Первое упоминание о геоинформационных системах (ГИС) появилось в 60-х годах прошлого века в Канаде [77]. На базе Министерства лесного хозяйства и сельского развития Канады проходила инвентаризация земель, в процессе осуществления которой возникла необходимость анализа существующих природных ресурсов и прогноза перспектив их дальнейшего использования. Выяснилось, что для решения такой огромной задачи необходимо длительное время и гораздо большее количество специалистов в этой области, чем имелось на данный момент. Было решено создать ГИС Канады (CGIS), первоначальными целями которой было классифицирование и нанесение на карту границ площадей различных земельных ресурсов. Эта задача была поручена новоиспеченному отделению информационных систем регионального планирования, финансируемому федеральным правительством. Практически в это же время в США, Великобритании и СССР появились аналогичные системы, имеющие все признаки геоинформационных. Они использовались в основном в военных ведомствах и имели узкоспециализированное назначение [193].
Первоначальная задача этих компьютерных технологий заключалась в замене бумажных карт и облегчении пользования ими. В начале своего развития наблюдался «цифровой хаос», т.к. системы разрабатывались независимо друг от друга, на различных машинах. При этом накопление данных осуществлялось с использованием разных стандартов, а их анализ выполнялся с помощью «доморощенного» программного обеспечения. В таких условиях оказалось невозможным реализовать весь мощный потенциал ГИС. Возникали проблемы обмена данными, взаимодействия между программными продуктами. На протяжении всего своего развития различные технологии ГИС занимаются решением также и этой задачи. На сегодняшний день можно выделить несколько программных продуктов отвечающих современным требованиям.
Создание и ведение ГИС в нашей стране в основном возложено на Федеральную службу геодезии и картографии (Роскартографию), которая руководит всеми топо-геодезическими и картографическими работами. При формировании нового направления в деятельности Роскартографии, связанного с созданием цифровых карт, был разработан ряд нормативно-технических документов, регламентирующих как содержание и структуру цифровой картографической продукции, а также нормативно-правовые акты, помогающие реализовать ГИС-технологии в России [39, 78, 143-153].
Следует заметить, что в целом развитие и внедрение ГИС-технологии в структуру общественной жизнь происходила неравномерно. Резкий скачок произошел лишь 7-Ю лет назад, что напрямую связано с достижениями в области компьютерных технологий.
Благодаря своим возможностям, постоянному развитию и расширения сфер использования, эта технология играет все возрастающую роль в управлении человеческой деятельностью
В настоящее время мир быстро развивается, и на него все в большей мере оказывают влияние факторы, связанные с человеческой деятельностью. В результате этого мир становится более населенным, более урбанизированным, более техническим, более информатизованным. Эти тенденции свидетельствуют о том, что нам необходимо ответственно подходить к управлению нашим обществом и окружающей средой. Геоинформационные системы, основанные на географической науке, представляет собой инструмент для организации управления и интеграции комплексных научных данных и знания. ГИС - это также среда, позволяющая сделать это знание более доступным и наглядным для ученых, планировщиков, управленцев, технических специалистов и в целом для всего общества. Эта технология все больше интегрируется в системе планирования и поддержки принятия решений, в структуру рабочих процессов во многих организациях.
Геоинформационные системы позволяют анализировать сложные ситуации, создавать географические планы и решения, они также повышают эффективность и снижают затраты, помогают принимать быстрые и лучшие решения на основе рассмотрения всех географических факторов, необходимых для достижения устойчивого развития и жизнеспособного будущего.
Термин «Геоинформационная система» трудноопределим и представляет собой объединение многих предметных областей. В [19, 109] отмечается, что «сущность ГИС заключается в деятельности коллективов специалистов (картографов, математиков, программистов, системотехников) по сбору, системной обработке, моделированию и анализу пространственных данных, их отображению и использованию при решении расчетных задач, подготовке и принятии решений».
Существует несколько определений геоинформационных систем, наиболее часто используемых в нашей стране, которые определяют это понятие с разных сторон. Во-первых, под этим термином подразумевается автоматизированная аппаратно-программная система, осуществляющая сбор, хранение, обработку, отображение и распространение пространственно-координатных данных [192, 193]. Во-вторых, это - вычислительная система, спроектированная для того, чтобы дать возможность пользователю собирать, поддерживать в актуальном состоянии и анализировать большие объемы специализированных ссылочных и ассоциативных признаковых данных. Эти специализированные данные могут включать точки, линии, наблюдаемые или невидимые границы областей, например, таких, как школьные округа или земельные участки [192, 193].
