Содержание к диссертации
Введение
1. Возможности гсоинформационных систем для решения задач оценки наводнении
1.1. Определение геоипформационной системы 8
1.2. Обзор развития геоинформационных систем 10
1.3. Выбор базовой ГИС 12
1.4. Основные виды программного обеспечения, используемого для 18 обработки данных дистанционного зондирования
1.5. Опыт применения геоипформационных технологий для задач 22 моделирования и прогнозирования чрезвычайных ситуаций
2. Методика обработки исходных данных для моделирования зон затопления 30
2.1. Характеристика экспериментальных участков для адаптации компьютерной технологии оценки зон затопления 30
2.2. Технология обработки космических снимков высокого пространственного разрешения 35
2.3 Цифровые крупномасштабные карты 44
2.4. Цифровая модель рельефа 50
2.5. Информация об уровенном режиме водных объектов 57
3. Компьютерная технология для оценки зон затопления 61
3.1 Моделирование затопления при помощи модуля Virtual G1S ERDAS Imagine 62
3.2 Моделирование затопления при помощи модуля 3D Analyst ГИС ArcView 71
4. Технологии моделировании защитных гидротехнических сооружений на основе цифровых моделей рельефа 86
4.1. Моделирование паводкового подъема воды 88
4.2. Моделирование защитных гидротехнических сооружений (оградительных дамб) 89
4.3. Контроль моделирования гидротехнических сооружений 91
4.4. Технология моделирования комплекса защитных гидротехнических мероприятий по ликвидации негативных последствий при угрозе прорыва ДАМБ 92
5. Технологии оценки зон затопления па основе космических снимков среднего н низкого разрешения 103
5.1. Характеристики систем дистанционного зондирования Земли среднего и низкого пространственного разрешения 105
5.2. Этапы компьютерной обработки космических снимков 109
5.3. Ландшафтное дешифрирование космических снимков 114
5.4. Методика и технология обработки космических снимков для решения 123 задач оценки зон затопления
Заключение 138
Литература
- Обзор развития геоинформационных систем
- Технология обработки космических снимков высокого пространственного разрешения
- Моделирование затопления при помощи модуля 3D Analyst ГИС ArcView
- Моделирование защитных гидротехнических сооружений (оградительных дамб)
Введение к работе
Актуальность работы. Из стихийных природных бедствий наводнения (затопление водой местности и населенных пунктов) по повторяемости явления, площади распространения и ежегодному материальному ущербу занимают первое место. Более того, в последние годы в мире отмечается рост числа и масштабов наводнений и связанных с ними социальных и экономических потерь. По оценкам МЧС России и МПР России в настоящее время ежегодный ущерб от наводнений достигает 50 млрд. рублей [Трутнев, 2006]. Как в настоящее время, так и в обозримом будущем, наводнения как стихийное бедствие не могут быть целиком предотвращены везде и всюду, их можно только ослабить, локализовать и при своевременном предупреждении свети к минимуму материальный ущерб.
Основными методами борьбы с наводнениями являются осуществление комплекса мер по предотвращению или смягчению последствий наводнений (строительство гидротехнических сооружений по регулированию стока, создание оградительных дамб и т.д.) и своевременное оповещение о возможности и масштабах наводнения.
Для управления действиями по предотвращению нежелательного развития событий и преодолению последствий наводнений необходимо привлечение больших объемов разнородных данных, поступающих из различных источников (картографическая, аэрокосмическая, гидрологическая информация), оперативная обработка и анализ этой информации, и представление ее в виде, обеспечивающем принятие решений в ограниченных временных рамках.
На современном этапе развитие программно-математических средств и информационных технологий сбора, обработки, анализа и отображения пространственных данных создаст предпосылки для создания новых технологий по прогнозированию и оценке масштабов наводнений, определению зон затопления для своевременного проведения комплекса неотложных мероприятий, направленных на снижение опасности наводнений и уменьшение негативного их воздействия на условия проживания населения и функционирование хозяйственных объектов. В России такие технологии объединены в рамках автоматизированной информационно-управляющей системы (АИУС) «Водные ресурсы», которая создается и функционирует в Федеральном агентстве водных ресурсов Министерства природных ресурсов Российской Федерации в целях информационного обеспечения федеральных и региональных подразделений для поддержки принятия решений по экологически безопасному управлению водными ресурсами речных бассейнов [Мотовилов и др., 2003]. Одним из элементов АИУС «Водные ресурсы» является компьютерная технология для оценки зон затопления при наводнениях па базе ГИС-техиологий.
Основная цель диссертационной работы состоит в разработке методических основ и компьютерных технологий для оценки зон затопления при наводнениях с использованием цифровых моделей рельефа, данных дистанционного зондирования Земли, цифровой картографической информации и оперативной и прогностической информации о режиме водных объектов.
Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Выполнить анализ возможностей геоипформационных систем для решения задач, связанных с оценкой негативного воздействия вод при наводнениях,
2. Разработать методические и технологические приемы автоматизированной обработки комплекса разнородных данных из различных источников, необходимых для создания технологии моделирования зон затопления,
3. Разработать методику моделирования и компьютерную технологию для оценки зон затопления при наводнениях на базе ГИС-технологий с использованием космических снимков высокого пространственного разрешения,
4. Провести апробацию компьютерной технологии для оценки зон затопления па тестовых участках по архивным и оперативным данным,
5. Разработать методику и компьютерную технологию моделирования защитных противопаводочных гидротехнических сооружений,
6. Провести апробацию компьютерной технологии для моделирования защитных противопаводочных гидротехнических сооружений на тестовом участке по архивным данным,
7. Разработать технологические приемы оценки зон затопления, а также факторов, влияющих на формирование высоких половодий и дождевых паводков, на основе космических снимков среднего и низкого разрешения.
Исходные материалы и методы исследований. При проведении исследований в качестве исходных данных использовались цифровые изображения материалов панхроматической и спектрозоналыюй космической съемки высокого, среднего и низкого пространственного разрешения, электронные топографические карты различных масштабов начиная от детальных планов поселков; цифровые модели рельефа различного пространственного разрешения, архивная, оперативная и прогностическая информация об уровениом режиме водных объектов. При обработке, анализе и подготовке данных, а также для разработки компьютерных технологий моделирования зон затопления и противопаводочных гидротехнических сооружений использовались развитые функциональные и технологические возможности профессиональных ГИС - ARC/INFO, ArcView, ERDAS Imagine, а также специальное программирование в тех случаях, когда стандартные средства анализа, представляемые ГИС-техиологиями, оказывались недостаточными для решения поставленных задач.
Практическая значимость работы. Разработанные компьютерные технологии предназначены для оперативного моделирования и оценки зон затопления населенных пунктов при угрозе наводнений, обусловленных как естественными факторами формирования стока, так и вызванных разрушением защитных гидротехнических сооружений. Результаты, полученные с помощью разработанных компьютерных технологии, могут служить информационной поддержкой принимающих решения лиц при выработке комплексов тех или иных мероприятий по предупреждению и снижению негативных последствий наводнений.
Исследования по разработке компьютерных технологий проводились при информационной и технологической поддержке в рамках создания и внедрения в оперативную практику Федерального агентства водных ресурсов АИУС «Водные ресурсы» (тема базового проекта ВН-05 МПР России «Разработать методическую и нормативную базы для применения автоматизированной информационно-управляющей системы (АИУС) при решении задач ситуационного управления водными ресурсами на федеральном и бассейновом уровнях»). Результаты оперативных расчетов и моделирования затопления ряда населенных пунктов в бассейне Волги с использованием компьютерной технологии оценки зон затопления использовались Федеральным агентством водных ресурсов в рамках заседаний Межведомственной оперативной группы (МОГ) по регулированию режимов работы Волжско-Камского каскада водохранилищ в периоды весеннего половодья 2004-2006 г. (справка о внедрении от 31.10.2006 г.). Научил» новизна работы заключается в:
• в новом современном подходе к решению водохозяйственных задач, выразившемся в создании компьютерных технологий моделирования зон затопления при наводнениях и защитных противопаводочных гидротехнических сооружений на основе анализа виртуальных трехмерных поверхностей средствами ГИС-технологий,
• обобщении опыта, систематизации результатов применения ГИС-технологий и разработке методики построения виртуальных трехмерных моделей местности с использованием растровой и векторной картографической информации, а также данных дистанционного зондирования Земли высокого разрешения, • разработке технологической цепи, позволяющей выполнять оперативные расчеты зон затопления, проигрывать различные сценарии сооружения противопаводочньтх гидротехнических сооружений с использованием всех имеющихся информационных ресурсов АИУС «Водные ресурсы» для информационной поддержки принимающих решения лиц при выработке комплексов мероприятий по предупреждению и снижению негативных последствий наводнений.
Достоверность результатов. Достоверность выполненных разработок подтверждена путем сопоставления результатов компьютерного моделирования зон затопления населенных пунктов с крупномасштабными аэроснимками этих зон, с архивными данными и материалами экспедиционных обследований, а также в ходе опытных испытании при оперативном информационном обеспечении в рамках АИУС «Водные ресурсы».
Основные положения, выносимые на защиту:
1. методы, алгоритмы, компьютерные программы и практические приемы автоматизированной обработки цифровой картографической и аэрокосмической информации для построения и анализа виртуальных трехмерных моделей местности,
2. методы использования геоинформационных систем в качестве инструментария для моделирования и построения компьютерной технологии для оценки зон затопления при наводнениях,
3. методы использования геоинформационных систем в качестве инструментария для моделирования защитных противопаводочных гидротехнических сооружений. Апробации работы. Основные результаты работы докладывались на Всероссийском конгрессе работников водного хозяйства (Москва, 9-10 декабря 2003 года), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы исследований водохранилищ» (Пермь, 24-26 мая 2005 года), на Китайско-Российском форуме молодых ученых (КНР, Чеиду, октябрь 2005 года), на 7 Международном конгрессе «Экватэк-2006» (Москва, 30 мая-2 июня 2006 года), Второй конференции молодых ученых национальных гидрометеорологических служб государств-участников СНГ (Москва, 2-3 октября 2006 года), на конференциях молодых ученых Института прикладной геофизики им. акад. Е.К. Федорова (2003) и Государственного института прикладной экологии (2004). Кроме того, результаты работы были представлены на Генеральных ассамблеях европейской ассоциации геофизических наук (General Assembly EGS) в 2005 и 2006 г. По результатом исследований опубликовано 8 печатных работ.
Обзор развития геоинформационных систем
Геоипформациопные системы - явление повое, хотя сбор пространственных данных занятие столь же старое, как и занятие картографией. Можно сказать, что каждый атлас представляет собой одну из форм ГИС, т.к. содержит в себе множество разнообразных данных пз разных источников. В 50-е годы прошлого века возникла практическая возможность создания эффективных ГИС благодаря появлению ЭВМ. Внедрение ЭВМ в повседневную практику позволило ускорить и сделать более гибким процесс сбора, отображения и анализа данных, а также обеспечило создание средств автоматического картографирования. [Coppock, Anderson, 1987]
Считается, что первая реально работающая ГИС (КГИС) появилась в Канаде более 40 лет назад, в начале 1960-х годов. Эта крупномасштабная ГИС развивается и поддерживается и в настоящее время. Она стала результатом осознанной потребности, когда политические деятели поняли ее способность связывать различные виды информации и осознали медлительность ручной обработки. Назначение ГИС Канады состояло в анализе многочисленных данных, накопленных Канадской службой земельного учета (Canada Land Inventory), которые бы использовались при разработке планов землеустройства больших площадей сельхозназначения. [Трифонова и др., 2005]
Существует и альтернативная версия, согласно которой, следы первой геоинформациоиной системы теряются в недрах Министерства обороны США, сотрудники которого использовали ГИС для точности попадания ракет. Так или иначе, но уже в начале 1970-х годов ГИС начали использоваться для вывода координатно привязанных данных на экран монитора и для печати карт па бумаге.
Первые гсоинформационные системы позволили усовершенствовать процессы инвентаризации и анализа карт, благодаря первым ГИС появилась возможность хранения большого количества тематической и географической информации [Coppock, Anderson, 1987].
Позже стало разрабатываться специальное программное обеспечение для решения различных геоинформационных задач. В середине 1980-х гг. были созданы программные продукты для систем автоматизированного проектирования (САПР). С их помощью производилось автоматизированное составление карт.
В начале 1990-х годов появились интегрированные программные продукты и информационные системы, позволяющие осуществлять интеграцию различных видов информации. Начался новый этап в развитии ГИС как автоматизированной интегрированной информационной системы [Де Мерс, 1999; Кузнецов, Никитин, 1992]
Таким образом, в истории развития геоинформационных систем можно выделить четыре периода;
1. 1950-е - начало 1970-х годов - период исследования, первых крупных проектов и теоретической работы
2. начало 1970-х - начало 1980-х - период формирования государственных институтов в области ГИС, развития крупных проектов, поддерживаемых государством
3. начало 1980-х - середина 1990-х - развитие рынка ГИС, появление и развитие настольных ГИС, появление сетевых приложений, а также значительного числа непрофессиональных пользователей
4. конец 1980-х - настоящее время - начало формирования мировой геоинформацнопной инфраструктуры, повышается конкуренция среди производителей ГИС, начинают проводится конференции пользователей.
В нашей стране исследования в области ГИС начались двумя десятилетиями позже, чем на западе и до сих пор работы зачастую связаны с адаптацией зарубежного опыта.
Впервые в СССР ГИС обсуждались на научной конференции «Проблемы геоипформатнкн», проведенной Тартусским университетом в начале 1980-х годов. [Атрощенко, Толкач, 2003] Существенную роль в развитии геоннформатики в СССР сыграла Всесоюзная конференция «Автоматизация в тематической картографии», проведенная її МГУ в январе 1985 года.
Выбор базовой ГИС В настоящее время ГИС - это индустрия, в которую вовлечены миллионы людей во всем мире. Но ряду оценок в 2000 году общие продажи программного ГИС обеспечения превысили 1 млрд. долл. США, а с учетом сопутствующих программных и аппаратных средств рынок ГИС приближается к 10 млрд. [Основы геоипформатики..., 2004]
Бурное распространение геоинформационных технологий привело к тому, что сегодня на российском рынке действует уже более 150 организаций и фирм, распространяющих программное обеспечение для ГИС-проектов [Родионов, Коровин, 2003].
Все ГИС можно разделить на пять основных классов:
1. Инструментальные ГИС. Такие ГИС предназначены для организации ввода информации (как картографической, так и атрибутивной), ее хранения, отработки сложных информационных запросов, решения пространственных аналитических задач, построения производных карт и схем и, наконец, для подготовки к выводу на твердый носитель оригинал-макетов картографической и схематической продукции. Как правило, инструментальные ГИС поддерживают работу, как с растровыми, так и с векторными изображениями, имеют встроенную базу данных для цифровой основы и атрибутивной информации или поддерживают для хранения атрибутивной информации одну из распространенных баз данных: Paradox, Access, Oracle и др.
2. ГИС-выоверы. Это программные продукты, обеспечивающие пользование созданными с помощью инструментальных ГИС базами данных. Как правило, ГИС-выоверы предоставляют пользователю крайне ограниченные возможности пополнения баз данных. Во все ГИС-выоверы включается инструментарий запросов к базам данных, которые выполняют операции позицирования и зуммирования картографических изображений.
Технология обработки космических снимков высокого пространственного разрешения
Для решения задач моделирования зон затопления были использованы данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) высокого пространственного разрешения и данные аэрофотосъемки, которые являются одним из основных источников пространственных данных для ГИС. Применение космических снимков высокого разрешения для оценки зон затопления выгодно отличает их от топографических карт, которые при всей своей информативности не дают реального представления о местности. На топографических каргах не могут быть отображены характерные особенности местности, особенности ее ландшафта, общего вида местности, которые предоставляют космические снимки. Космический снимок также представляет собой отражение существующей действительности и поэтому является достоверным документом, не подверженным влиянию человеческого фактора.
Космические изображения высокого пространственного разрешения могут значительно расширить круг задач, которые решались прежде лишь по данным крупномасштабной аэрофотосъемки, т.к. такую информацию можно получать оперативно и регулярно [Гречищсв, Кузнецов, 2002]
В широком смысле данные зондирования Земли (ДЗЗ) - это получение любыми неконтактными методами информации о поверхности Земли, объектах на ней или в ее недрах [Зверев, 2004]. Традиционно к данным ДЗЗ относят только те методы, которые позволяют получить из космоса или с воздуха изображение земной поверхности в каких-либо участках электромагнитного спектра.
Достоинства метода ДЗЗ заключаются в следующем [Книжников, 1997]: 1. высокая оперативность получения данных; 2. высокая информативность (применение спектрозоналыюй, инфракрасной и радарной съемки позволяет увидеть детали, не различимые на обычных снимках); 3. высокая точность обработки данных; 4. актуальность данных на момент съемки (большинство картографических материалов безнадежно устарели);
5. экономическая целесообразность (затраты на получение информации посредством ДЗЗ существенно ниже наземных полевых работ. Кстати, стоимость спутников ДЗЗ составляет лишь 5-10% стоимости наземных систем обработки космических данных.);
6. возможность получения трехмерной модели местности (матрицы рельефа) за счет использования стереорежима или лидарных методов зондирования и, как следствие, возможность проводить трехмерное моделирование участка земной поверхности (системы виртуальной реальности).
На сегодняшний день получен громадный объем информации, как с пилотируемых, так и автоматических космических аппаратов и станций. Полученные материалы хранятся в архивах Госцептра "Природа", НПО-РКК "Энергия", Военно-топографического управления ГШ ВС России, НИЦ «Планета», ИКИ РАН, НЦ ОМЗ, ИТЦ СканЭкс и других организациях, осуществляющих прием и обработку данных дистанционного зондирования Земли и участвующих в реализации проектов по ведению архивов спутниковых изображений. В качестве основного показателя при классификации космических снимков в отечественной практике обычно принимают спектральный диапазон съемки. Согласно этому космические снимки делятся на три основные группы [Книжников, Кравцова, 1991]: 1. Снимки в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне; 2. Снимки и тепловом инфракрасном диапазоне; 3. Снимки в радиодиапазоне.
На пракіике, каждая из этих групп может быть еще также дополнительно классифицирована по таким показателям, как масштаб, обзорность, разрешение на местности, детальность изображения, каждый из которых влияет на дешифрируемость снимков и возможность их использования для конкретной решаемой задачи.
В настоящее время съемка с высоким разрешением местности (2-10 м) выполняется с помощью фотографических космических комплексов, которые получают снимки на фотопленках, доставляемых на Землю для дальнейшей обработки в спускаемых аппаратах. Российские фотографические системы по своим основным характеристикам (разрешающая способность местности, охват) являются непревзойденными или соизмеримыми с лучшими мировыми системами для дистанционного зондирования, такими как LandSat, SPOT, IRS [Кисико, Лукашевич, 2002]. Здесь выделяются снимки, получаемые с КА типа «Рссурс-Ф» и «Комета» (ТКК «Космос»). Космические снимки с КА типа "Ресурс-Ф" могут быть получены для всех зон земного шара расположенных южнее широты 82,3 (и севернее широты - 82,3). С КА "Комета" съемка выполняется в поясе широт 65N - 65S (или 71N-7IS).
Кратко рассмотрим российский космический аппарат высокого разрешения «Комета», данные с которого использовались в работе по созданию данной компьютерной технологии.
В сентябре 2005 года с космодрома «Байконур» был осуществлен очередной и последний па сегодняшний день «пуск ракеты-носителя «Союз-У» с военным спутником «Космос-2415» Министерства обороны РФ, предназначенный для получения высокодетальных изображений поверхности Земли. За данной аббревиатурой скрывается спутник серии «Комета». Спутники этой серии оснащаются тремя фотографическими камерами, позволяющими с орбиты высотой около 220 км получать изображения пространственным разрешением около 25 м и 2 м. Информация со спутника не передается на Землю по радиоканалу - отснятая фотопленка возвращается в спускаемом аппарате. Необходимость возврата фотопленки на Землю - Ахиллесова пята спутников подобного рода, ограничивающая возможности их использования в оперативном мониторинге, длительность их существования на орбите, а в последнее время делающая проблематичной нахождение их на Земле уже после посадки. Расчетное время существования спутников серии «Комета» на орбите - около 45 дней» [«Новости космонавтики», вып.№ 497].
Благодаря своему высокому разрешению данные с российского спутника «Комета» пользуются в мире большой популярностью. За один запуск «Комета» обеспечивает стереопокрытне местности в пределах 50 млн.км топографическими снимками ТК-350 и 20 млн. км дешифровочньтми снимками КВР-1000 в полосе захвата 200 км.
Фотографические изображения КВР-1000 имеют разрешение 2 м, а устанавливаемая на том же спутнике специальная топографическая камера ТК-350 позволяет получать стереосиимки, предназначенные для обновления топографических карт. Камера ТК-350 КА «Комета» имеет фокусное расстояние 350 мм и обеспечивает разрешение на местности 10 м. Съемка ведется на черно-белую пленку. Отличительная особенность камеры ТК-350 - обеспечение перекрытия соседних кадров 60-80%, что позволяет использовать снимки, полученные этой камерой, как стереопары и после соответствующей обработки получать цифровую модель рельефа (ЦМР) местности.
Моделирование затопления при помощи модуля 3D Analyst ГИС ArcView
Другой способ моделирования зон затопления в период паводков может быть основан на анализе рельефа в трехмерном пространстве с применением дополнительных модулей ArcView - Spatial Analyst и 3D Analyst [Кряжев, 2003], которые были созданы специально для анализа трехмерных данных.
Необходимо отметить, что возможности 3D Analyst как трехмерного вьювера относительно невелики, а качество и скорость обработки сцен значительно меньше по сравнению с Virtual GIS. Модуль Virtual GIS позволяет создавать трехмерные сцены с перспективными видами, в которых можно перемещаться и работать с данными ГИС. С помощью 3D Analyst можно отображать на поверхности растровые и векторные данные, создавать, редактировать и анализировать поверхности, запрашивать атрибуты различных точек поверхности, проводить анализ видимости участков поверхности из разных точек. С его помощью можно определять площадь поверхности, объем над или под поверхностью, интерполировать высоты, строить изолинии и создавать профили вдоль трехмерной линии на поверхности, вычислять уклоны поверхностей и экспозиции склонов. 3D Analyst дает возможность создавать трехмерные объекты из существующих двумерных данных, накладывать снимки на поверхность.
Все эти и ряд других функций позволили использовать модуль 3D Analyst для моделирования и оценки возможных зон затопления во время наводнений.
Для представления поверхностей в 3D Analyst используется два типа моделей: грид (регулярная) и TIN (нерегулярная). Для моделирования и расчета характеристик вероятных зон затопления в настоящей работе, как более экономичная и эффективная, использовалась нерегулярная триангуляционная сеть TIN. Для каждого моделируемого участка созданные цифровые модели рельефа - гриды - были преобразованы в модели TIN.
Регулярная матрица рельефа - грид- «слепо» описывает характер рельефа местности, не отражая ее индивидуальные особенности (точки перегибов склонов, экстремальные точки, овраги, промоины и т.д.), поэтому и была использована нерегулярная матрица, узлы которой располагаются па характерных местах рельефа.
Остановимся несколько подробнее на сути модели TIN. TIN - это аббревиатура Triangular Irregular Network, что переводится как «нерегулярная триангуляционная сеть», или, другими словами: «поверхность, сложенная из треугольников разного размера».
Модели TIN разработаны в 1970-х годах как простой способ построения поверхностей по нерегулярно расположенным точкам [Dueker, 1987]. Модель TIN обладает некоторыми преимуществами перед растровыми DEM. В первую очередь, расположение точек адаптировано к местности. Структуры данных в TIN-моделях более компактны и экономичны: TIN-модели из сотен точек может соответствовать растровая DEM из десятков тысяч точек [Li, 1994].
TIN состоит из узлов, для которых записаны значения высоты Z, соединенных отрезками таким образом, чтобы между двумя данными точками (узлами) нельзя было построить новые отрезки без пересечения с уже существующими. Т.е. формируется непрерывная поверхность непересекающихся треугольников. Поверхности внутри каждого треугольника, вершинами которого являются точки с известными координатами х, у, z представляет собой плоскость. Процесс разбиения поверхности на треугольники называется триангуляцией. В настоящее время почти во всех программных продуктах, в том числе и в 3D Analyst используются алгоритмы, предложенные российским ученым Б.Н. Делоне. Наиболее распространенные алгоритмы построения триангуляции Делоне описаны и проанализированы в статье А. В. Скворцова «Обзор алгоритмов построения триангуляции Делоне» [Скворцов, 2002]. В данной работе для всех алгоритмов проводится оценка их трудоемкости, обсуждаются особенности их реализации, приводятся процедуры проверки условия Делоне и описываются процедуры слияния триангуляции.
Определяющими свойствами триангуляции Делоне являются:
1. Флип-свойство. Триангуляция будет триангуляцией Делоне, только лишь если в любой паре треугольников с общим ребром, в которой это ребро можно пребросить (сделать флип), планарность триангуляции не нарушится и минимальный из шести углов в паре треугольников не увеличится. Это свойство означает, что триангуляция Делоне наиболее регулярна в том смысле, что ее треугольники имеют наиболее правильный вид -углы в ее треугольниках меньше отличаются друг от друга по величине, чем в любой другой триангуляции и тем самым наиболее приближены к правильному треугольнику, у которого все углы равны.
2. Круговое свойство. Чтобы триангуляция была триангуляцией Делоне необходимо и достаточно, чтобы внутри окружности, описанной вокруг любого из треугольников, не лежало больше ни одной вершины триангуляции (рис. 16)
На этих двух свойствах строятся алгоритмы триангуляции. Классическими алгоритмами для создания триангуляции Делоне являются алгоритмы следующих типов: алгоритмы слияния, среди которых наиболее известен алгоритм «разделяй и властвуй» (Divide-and-Conquer), интерактивные алгоритмы, алгоритмы прямого построения и двухпроходпые алгоритмы.
Существует два основных способа хранения TIN: по треугольникам и по точкам. При кодировании сети по треугольникам для каждого треугольника в базе данных создается запись, содержащая его уникальный номер, координаты трех его вершин, а также номера трех смежных с ним треугольников. Во втором способе для каждой точки разбиения сохраняется ее уникальный номер, координаты и список точек, с которыми она соединена прямыми (по часовой стрелке).
Данные о TIN хранятся в текстовом файле, имеющем следующую структуру: TIN FILE - заголовок файла Point Count - строка число - количество точек Triangle Count - строка число - количество треугольников Points - строка три числа - точка х, у, z Triangles - строка шесть чисел - три индекса точек, три индекса треугольников Файл триангуляции может иметь заголовочный файл. В заголовочном файле хранятся настройки визуализации поверхности.
В отличие от растровых моделей рельефа, готовые модели TIN менее распространены, чем растровые модели, процесс их построения и обработки оказывается более дорогостоящим. TIN обычно используется для детального крупномасштабного моделирования. Пример этому - данная работа по моделированию зон затопления.
Моделирование защитных гидротехнических сооружений (оградительных дамб)
Данная информация о событиях в Хатукайской долине была предоставлена директором ФГУП «Центр регистра и кадастра Росводресурсов МПР РФ» Беднаруком С.Е., который в 2002 году был одним из руководителей Государственной водной службы МПР РФ и являлся непосредственным участником ликвидации последствий летнего наводнения 2002 года в Краснодарском крае.
Хатукайская долина находится в Республике Адыгея и является частью поймы р. Кубань, расположенной на низком левом берегу между местом впадения реки Лаба в Кубань и Краснодарским водохранилищем. Долина с трех сторон обвалована: со стороны Краснодарского водохранилища - Восточной дамбой, со стороны р. Кубань - Кубанской дамбой и со стороны р. Лаба - Лабинской дамбой (рис. 30).
К моменту прохождения высокою леї нет наводка 2002 года, состояние защитных дамб можно были оценить следующим образом: Восточной как очень хорошее. Кубанской - как удовлетворительное а Лабинекой - как преланарнйное.
Когда пик экстремального дождевого навалка но р. Кубань подошел к месту впадения в нее р. Лаба, он превышал расчетные для Кубанской дамбы значении. Ц результате н течение некоторого времени (менее суток) наблюдался перелив через Кубанскую дамбу в се верхней части, непосредственно прилегающей к месту се сопряжения с Лабинекой дамбой Перелив происходил ни фронту ли 150 м. слоем воды ло 15 ем. При «ом техническое состояние дамбы не привело к се разрушению, а объем поступившей волы был незначительным.
В tin же время по реке Лаба к Кубики также нролиніалась высокая паводковая волна, вызнавшая разрушение на ряде участков Лабинекой дамбы В результате нерва» вола в славный населенный пункт долины - аул Хатукай начала поступать ит прорана в Лабинекой лайбе, н нескольких километрах выше но р. Лаба. В это же время наблюдалась сильная фнлыршшя через іело Лабинекой дамбы, особенно в се нижней части примыкающей к Кубанской дамбе, в результате чего и произошел основной прорыв, послужившей причиной послзелуюшего затопления долины. Прорыв имел ширину порядка 40 м и глубину не менее Я м, расхол воды через прорыв оценивался величиной не менее 200 куб.м с.
В результате Хатукайская долина площадью около 40 кв.км была полностью затоплена слоем воды от 1,5 до 6 м. На момент ликвидации прорана объем воды, накопившейся в долине, оценивался проектными организациями величиной от ПО до ІЗОмліш3.
До ликвидации основного прорана, местными жителями были сделаны попытки организации двух несанкционированных проранов в Кубанской дамбе с целью отвода воды из долины. К счастью, это не привело к полному разрушению дамбы в связи с тем, что на момент выполнения этих проранов, перепад уровней воды в Хатукайской долине и в реке Кубань на соответствующих участках не превышал величин от 15-20 до 40-50 см и не было повторных волн паводка по Кубани.
Третий несанкционированный проран в мощной Восточной дамбе, защищающей долину от вод Краснодарского водохранилища (примерно в 2,5 км от ее сопряжения с коренным берегом), был организован путем прорытия экскаватором траншеи на полную высоту дамбы, после чего начался интенсивный подмыв дамбы в ее основании.
Опасность этого прорана состояла в том, что неминуемое разрушение Восточной дамбы, в условиях, когда не был ликвидирован основной проран в Лабипской дамбе, привело бы с одной стороны к увеличению перепада уровней и повышению расходов через Лабинский проран, с соответствующим ростом трудностей его ликвидации. С другой стороны, в это время продолжался рост уровня воды в водохранилище, которое аккумулировало избыточный приток паводка для поддержания допустимых сбросов на полностью обвалованную Нижнюю Кубань и уровни приблизились к критическим для сооружений Краснодарского гидроузла. Поступление дополнительных объемов воды в водохранилище могло бы спровоцировать повышение сбросов сверх допустимых для нижнего бьефа с соответствующими последствиями еще для десятков и сотен тысяч людей. Наконец, спонтанное разрушение Восточной дамбы в указанном месте привело бы и к существенному увеличению проблем с ее восстановлением после прохождения паводка и значительному увеличению сроков ликвидации последствий наводнения.
К счастью, проран был незамедлительно обнаружен сотрудниками эксплуатирующей организации. Его удалось ликвидировать через 12 часов после начала работ. Основной же проран на Лабинской дамбе удалось ликвидировать только через несколько суток после начала работ.
Следующей задачей, после ликвидации основного прорана, была задача отвода воды из одамбовашюй долины. Было принято решение об устройстве временного аварийного водослива в теле Восточной дамбы в районе балки Псенафа (самого низкого места Хатукайской долины) примерно в 300 м от коренного берега.
Для моделирования затопления Хатукайской долины прежде всего был рассчитан приблизительный максимальный расход воды через Лабинский проран. Расчет проводился по формуле водослива с широким порогом с учетом геометрических характеристики Лабинского прорана (глубина 3 м, ширина 40 м). В данном случае водосливом будем называть то безнапорное отверстие (проран, образовавшийся в гребне дамбы), через которое протекает вода.
Водосливы принято классифицировать в зависимости от геометрической формы водосливного отверстия, от формы и размеров поперечного сечения стенки, от начертания гребня, влияния нижнего бьефа на истечение (подтопленные и неподтопленные), в зависимости от соотношения ширины водослива и ширины русла, в котором он устроен, от наклона водосливной стенки и др.
В зависимости от формы и размеров поперечного сечения стенки различают водосливы с топкой стенкой и водосливы с широким порогом. Подробнее остановимся на водосливе с широким порогом, а в частности па пеподтопленном водосливе с широким порогом. Высота водосливной стенки водослива с широким порогом может быть любая, а гребень - горизонтален.
