Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ проблем, связанных с обработкой пространственной информации об объектах речной сети и промышленности в период паводков 14
1.1 Анализ проблем, связанных с обработкой пространственной информации при мониторинге паводковой ситуации 14
1.2 Анализ подходов к автоматизации информационного обеспечения управления природными ресурсами в паводковый период 19
1.3 Анализ моделей и методов определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках 29
1.4 Анализ информационных систем определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках 56
Выводы по 1-й главе 68
Глава 2. Разработка методов определения характеристик подтопления промышленных объектов в период паводков на основе геоинформационных технологий 69
2.1 Постановка задачи определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках 69
2.2 Разработка метода совместного описания пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры системы контроля (гидрологической сети) и промышленности 73
2.3 Разработка метода определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период 88
Выводы по 2-й главе 103
Глава 3. Реализация методов определения характеристик подтопления промышленных Объектов в период паводков 104
3.1 Разработка функциональной модели определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках 104
3.2 Разработка информационной модели объектов речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности 107
3.3 Разработка алгоритмов определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках 114
Выводы по 3-й главе 133
Глава 4. Внедрение информационной системы Определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках в автоматизированную систему поддержки принятия решений по управлению природными ресурсами и охраной окружающей среды на основе комплексного мониторинга и геоинформационных технологий и'анализ её эффективности 134
4.1 Анализ организационной структуры и деятельности Министерства природопользования и экологии РБ 134
4.2. Основные требования к информационной системе определения характеристик подтопления промышленных объектов в весенний паводок 136
4.3 Основные результаты внедрения информационной системы определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках 141
4.4 Анализ эффективности внедрения информационной системы определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период в Министерстве природопользования и экологии РБ 145
Выводы по 4-й главе 147
- Анализ проблем, связанных с обработкой пространственной информации при мониторинге паводковой ситуации
- Разработка метода совместного описания пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры системы контроля (гидрологической сети) и промышленности
- Разработка информационной модели объектов речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности
- Основные требования к информационной системе определения характеристик подтопления промышленных объектов в весенний паводок
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ
Регулярность весенних паводков, оказывающих негативное воздействие на объекты промышленности (предприятия нефтяной, газовой, угольной, металлургической промышленности, заводы, склады, транспортные средства и др.), является важнейшей особенностью мониторинга состояния окружающей среды (в том числе технического состояния промышленных объектов). В связи с этим планирование противопаводковых мероприятий для снижения вредного воздействия на объекты промышленности, зависит от достоверного определения характеристик зон подтопления: границ, площади, глубины подтопления и перечня промышленных объектов, попавших в неё [40].
Объекты речной сети и промышленности характеризуются большим объёмом разнородной пространственной и атрибутивной информации из различных источников (картографической, табличной, графической и др.), находящейся в компетенции различных государственных органов, заинтересованных в предотвращении или смягчении последствий паводков (строительство гидротехнических сооружений по регулированию стока, создание оградительных дамб и др.). Учёт взаимосвязи всего набора информации об объектах речной сети и промышленности приводит к необходимости в автоматизации процессов её структурированной обработки для последующего определения характеристик зон подтопления, что в свою очередь позволит реализовать информационную поддержку принятия решений по предотвращению нежелательного развития событий и преодолению последствий паводка, в частности снижению вредного воздействия, оказанного на промышленные объекты в зоне подтопления [65].
Существуют различные подходы для определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках, которые основываются на обработке пространственной информации о рельефе местности и анализе гидрогеологических и гидродинамических параметров состояния водных объектов [90]. Геоинформационные технологии являются ключевыми при автоматизации процессов, связанных с определением характеристик подтопления, ввиду пространственной привязки объектов речной сети и промышленности. Различным аспектам разработки методов в данной области посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов, в частности работы С. Е. Беднарука, В. И. Васильева, В. Е. Гвоздева, Л. А. Гриневича, В. И. Данилова-Данильяна, Б. Г. Ильясова, В. Г. Крымского, Л. К. Левит-Гуревича, В. Г. Пряжинской, Р. 3. Хамитова, Д. М. Ярошевского, А. Бисваса, X. Кардуэлла, Д. Мэйдмента, В. Халла, М. Хатчинсона, М. Эбота, Д. Эгенхофера и др. Однако в данных трудах задаче определения характеристик зон подтопления на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети и промышленности в совокупности с методами анализа топографических и гидрологических данных, уделялось недостаточно внимания, в связи с чем, разработка методов и алгоритмов определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети и промышленности является актуальной как в теоретическом, так и в практическом плане.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью работы является разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения для определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период на основе совместной обработки пространственной информации об объектах речной сети и промышленности для последующей поддержки принятия решений по снижению вредного воздействия, оказанного паводком на промышленные объекты.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:
1. На основе системного анализа процессов, связанных с прохождением паводка и оказывающих вредное воздействие на промышленные объекты, сформулировать требования к видам, формам и источникам информации, на основе которой будет осуществляться определение характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период.
2. Разработать метод совместного описания пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности для последующего определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период.
3. Разработать метод определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках (границ, площади, глубины подтопления, перечня промышленных объектов, оказавшихся в зоне подтопления) на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети, гидрологической сети контроля и дополнительной информации, привлеченной из различных источников (топографическая карта местности, продольный профиль рек и речная сеть).
4. Разработать информационную модель объектов речной сети, инфраструктуры-контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности для определения характеристик подтопления промышленных объектов, в паводковый период.
5. Разработать алгоритмы определения, характеристик подтопления промышленных объектов при паводках и их программную реализацию для планирования противопаводковых мероприятий по предотвращению или смягчению последствий паводков на промышленные объекты.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе использовались методы системного анализа сложных систем, структурного анализа и проектирования информационных систем (SADT), методология унифицированного процесса разработки программного обеспечения (RUP), методология унифицированного языка моделирования (UML), математического и геоинформационного моделирования, теория пространственных и реляционных баз данных и принципы объектно-ориентированного программирования. НАУЧНАЯ НОВИЗНА
1. Метод совместного описания пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности предложен впервые и заключается в совместном описании данных объектов на топографической карте местности, продольном профиле водных объектов и речной сети; применение метода позволяет отобразить взаимосвязь данных для последующего определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках.
2. Метод определения характеристик зон подтопления промышленных объектов в паводковый период, основанный на обработке пространственной информации об объектах речной сети, гидрологической сети контроля и дополнительной информации, привлеченной из различных документальных источников; метод позволяет количественно определить параметры подтопления (граница, площадь, глубина подтопления, перечень промышленных объектов, оказавшихся в зоне подтопления).
3. Информационная модель объектов речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности, отличающаяся использованием пространственных данных из различных документальных источников и учитывающая их взаимосвязь, позволяет разработать алгоритмы обработки данной информации для автоматизации процесса определения характеристик зон подтопления промышленных объектов при паводках.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ
1. Метод определения характеристик зон подтопления промышленных объектов в паводковый период на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети, гидрологической сети контроля и дополнительной информации, привлеченной из различных документальных источников, позволяет определять характеристики подтопления для последующего снижения тяжести последствий для промышленных объектов в области подтопления. 2. Информационная модель объектов речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности, основанная на стандартной гидрологической модели данных и доработанная с учётом дополнительной информации, привлеченной из различных документальных источников позволяет разработать алгоритмы обработки пространственной информации для реализации программного обеспечения определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках.
3. Алгоритмы и программное обеспечение определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности позволяет осуществлять процессы поддержки принятия решений по проведению противопаводковых мероприятий, направленных на устранение последствий прошедшего и прогнозирование будущегопаводков.
Основные результаты работы внедрены в Министерстве природопользования и экологии Республики Башкортостан (свид. об офиц. per. программы для ЭВМ № 2008614884 и №2008614885, от 10.10.2008 года).
СВЯЗЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ С НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ Работа выполнена в период 2007-2009 г.г. на кафедре геоинформационных систем Уфимского государственного авиационного технического университета в рамках государственных контрактов №027-2007 "Развитие автоматизированной системы поддержки принятия решений по управлению природными ресурсами и охраной окружающей среды на основе комплексного мониторинга и ГИС технологий", №70-2008 "Расширение функциональных возможностей автоматизированной системы поддержки принятия решений по управлению природными ресурсами и охраной окружающей среды на основе комплексного мониторинга и ГИС технологий", №12-2009 "Доработка базы данных и разработка дополнительных функций автоматизированной системы поддержки принятия решений по управлению природными ресурсами и охраной окружающей среды на основе комплексного мониторинга и ГИС технологий".
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ
1. Метод совместного описания пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности.
2. Метод определения характеристик зон подтопления в паводковый период (граница, площадь, глубина подтопления, перечень промышленных объектов, оказавшихся в зоне подтопления), на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети, гидрологической сети контроля и дополнительной информации, привлеченной из различных источников (топографическая карта местности, продольный профиль водных объектов и речная сеть).
3. Информационная модель объектов речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности.
4. Алгоритмы определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках и их программная реализация в масштабе информационной системы обработки пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Основные теоретические и практические результаты работы докладывались на следующих конференциях, форумах и семинарах: Европейской конференции пользователей программного обеспечения ESRI (Лондон, 2008), Международной конференции "Управление водно-ресурсными системами в экстремальных условиях" (Москва, 2008), ежегодной конференции пользователей программных продуктов ESRI и ERDAS (Голицыне, 2008), Всероссийской конференции "Геоинформационные технологии в муниципальном управлении" (Уфа, 2009), "Компьютерные науки и информационные технологии" (CSIT 2007-2008), Региональной зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2007-2009), Всероссийской молодёжной научной конференции "Мавлютовские чтения" (Уфа, 2007-2008).
ПУБЛИКАЦИИ
Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 28 источниках, включающих 22 статьи, 6 материалов конференций и семинаров и два свидетельства о регистрации программ и баз данных. Результаты работы опубликованы в 1-м издании, входящем в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ.
СТРУКТУРА И ОБЪЁМ РАБОТЫ
Работа включает введение, 4 главы основного материала, заключение, библиографический список и приложения.
Работа без библиографического списка и приложений изложена на 149 страницах машинописного текста. Библиографический список включает 138 наименований.
Анализ проблем, связанных с обработкой пространственной информации при мониторинге паводковой ситуации
Территория региона Российской Федерации — Республики Башкортостан (РБ) расположена в пределах бассейнов рек Волги, Урала и Оби. К бассейну реки Волги относятся реки Белая, Буй и Западный Ик (левые притоки р. Камы). Их водосборы охватывают 79% территории республики. Водосборы рек бассейна Урала охватывают 20%, а водосборы бассейна реки Оби - 1% территории республики.
Большинство рек, протекающих по территории республики, маловодны. В целом республика менее обеспечена водными ресурсами, чем Российская Федерация: на 1 человека в Башкортостане приходится 8750 м3 воды в год, или 24 м3/сутки против 29380 м3/год, или 80м3/сутки по России; в Пермской области, также входящей в бассейн Волги, этот показатель выше вдвое [86].
Водосборная площадь основной водной артерии - реки Белой — составляет 72,2% от территории республики. В бассейне этой реки формируется до 82% годового республиканского речного стока. Суммарные ресурсы поверхностных вод бассейна реки Белой составляют в средний по водности год 30,0 км3. Годовой сток самого крупного притока р. Белой - р. Уфы -равен 12,3 км , или 35% стока всех водных ресурсов республики.
Неравномерность распределения речного стока по территории Башкортостана, его большая внутригодовая и многолетняя изменчивость затрудняют удовлетворение потребностей населения и экономики в необходимом количестве воды. Особенно остро это проявляется в маловодные годы.
Решение проблемы обеспеченности республики водными ресурсами осуществляется за счет регулирования стока рек водохранилищами и прудами, его пространственно-временного перераспределения. В настоящее время на территории Республики Башкортостан эксплуатируется 443 водохранилища и пруда объемом более 100 тыс. м3 и множество более мелких прудов, из них 119 водохранилищ имеют объем более 1,0 млн. м . Высокая степень зарегулированности речного стока отмечается в Предуралье (реки Ашкадар, Уршак, Дема, Чермасан, База, Сюнь, Усень).
В республике насчитывается около 2000 озер, из них 75% расположены в западных равнинных районах, остальные, главным образом, в Башкирском Зауралье. Из них наиболее крупные озера Асликуль, Кандрыкуль, Чебаркуль, Белое озеро (Аккуль), Яктыкуль (Банное), Суртанды, Ургун, Мулдаккуль, Атавды, Култубан.
Одной из фаз водного режима, которая требует жесткого контроля и мониторинга является весенний паводковый период. На территории республики имеется сеть водохранилищ, которые совместно с реками и озерами в период паводковых разливов могут создать сложную обстановку и нанести народному хозяйству значительный материальный ущерб.
Паводок является» опасным природным явлением, возможным источником чрезвычайной ситуации, если затопление водой местности причиняет материальный ущерб, наносит урон здоровью населения или приводит к гибели людей, сельскохозяйственных животных и растений.
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. 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.
По данным федерального агентства водных ресурсов РФ [88] ежегодный ущерб от паводка в России оценивается экспертами в 40 миллиардов рублей. При этом по его данным, на территории России насчитывается 29 тыс. плотин, из них 70% требуют немедленного ремонта, 15% - умеренного ремонта и только 15% - в ремонте не нуждаются. В 2005 году на ремонт гидротехнических сооружений (дамбы, плотины) в России выделено 10,5 млрд. рублей, что в десять раз больше, чем было выделено в 2003 году, и в восемь раз больше, чем в 2004 году. По предварительным подсчетам, в Якутии суммарный объем ущерба, нанесенного паводком 2007 года, составляет 759 млн. рублей. Это значительно превышает норматив для признания данного паводка чрезвычайной ситуацией федерального уровня, установленный федеральным законодательством.
Следует отметить, что помимо экономического ущерба, паводки наносят экологический вред окружающей среде. Помимо нанесения финансовых убытков и нарушения хода технологического процесса, подтопление промышленных объектов может повлечь за собой выброс загрязняющих веществ в гидросферу, сопровождающийся соответствующими последствия для экологии (загрязнение питьевой воды г. Уфы фенолом в 1990г.).
Самые высокие паводки на территории РБ наблюдались в 1947, 1957, 1965, 1979, 1990, 2001, 2007 гг. Весна 2007 года была отмечена наиболее высоким уровнем подъема воды в реках за минувшие пять лет и по своим значениям близка к 2001 году. Для сравнения, половодье 2006 года было на 30-45% ниже среднемноголетних. По республике Башкортостан общая площадь подтопления за 2007 год составила 19,6 км.кв., подтоплены подворья 822 жилых домов с населением 2325 человек (отселения нет), также подтоплено пять промышленных объектов. По данным Башгидромета, максимальный уровень рек Белая составил -902 см, Уфа - 859 см, Дема - 581 см. В городе Уфе были подтоплены застройки часто затапливаемых пойменных территорий.
Основными методами борьбы с паводком является 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.
Паводок протекает на больших промышленно-развитых территориях в условиях многообразия географической среды. Трудности, связанные с предупреждением негативных последствий паводков обусловлены низким качеством и ограниченным объёмом исходных данных, необходимых для анализа природных процессов, уникальностью протекания паводка на различных участках территории; недостаточной изученностью механизмов, определяющих динамику измерения уровней воды [19].
Разработка метода совместного описания пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры системы контроля (гидрологической сети) и промышленности
Рассмотрим задачу определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период при изменении уровней поднятия воды в реках с позиции формы представления моделей данных. Необходимость такого рассмотрения вызвана разнородностью и большим объёмом входных данных. Информация о рельефе местности, объектам промышленности и водным объектам с находящимися на них гидрологическими постами наблюдения представлена картографической формой представления модели данных. Наблюдаемые данные по уровням поднятия воды на постах контроля находят отражение в табличной модели. На основании этих данных, например, строится единичный гидрограф, показывающий изменение уровня поднятия воды во время единичного паводка. Наличие данных по уровням выхода на пойму, меженным уровням и уровням нуля гидрологического поста позволит наглядно представить весь перечень данной информации в привязке к протяженности водного объекта в графической форме (продольного профиля водных объектов). Графовая форма, основанная на представлении модели в виде графа, позволит получить информацию о связности и зависимости элементов речной сети друг от друга. Такой многофакторный подход удобен, поскольку позволяет с разных сторон взглянуть на проблему определения параметров зон подтопления при изменении уровня поднятия воды в водных объектах.
Вопросы, связанные с прогнозированием последствий прохождения весеннего паводка недостаточно изучены, ввиду условной непредсказуемости явления. Для решения задач оценки последствий и планирования действий по локализации и ликвидации потенциальных последствий прохождения весеннего паводка возможно с применением современной технической и методологической базы определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период. Можно выделить две основные цели определения: - фактического разлива рек (наводнение);
- прогнозирования потенциального разлива рек при любых возможных условиях (уровнях поднятия воды).
В первом случае входные данные представлены набором рек и высотной отметкой уровня поднятия воды на них, объектами, попавшими в зону подтопления, и характеристиками окружающей среды (температура, осадки).
Во втором случае возникает самостоятельная задача - выбор места возможного разлива воды для определения последствий паводка. При этом могут учитываться самые разные соображения, например, данные рельефа, уровень выхода реки на пойму и прогнозное значение уровней воды на реках. Если имеется геоинформационная модель территории, по которой протекают реки, очень удобно совместить известную исходную информацию с фактической привязкой к продольному профилю реки. Такой подход оправдан для планирования планово-предупредительных работ с целью ранжирования всех обнаруженных особенностей продольного профиля реки по величине возможного ущерба от наводнения в этом месте.
Основными объектами, имеющими пространственную и атрибутивную привязку к водному объекту, являются гидрологические посты наблюдения, псевдопосты (условные посты наблюдения, характеризующие места притоков, истоков и устьев водных объектов), урезы воды (данные о меженном уровне воды в реках), рельеф территории (представленный изолиниями и отметками высот), осевые линии рек (фарватер реки), поперечные створы, береговые линии, искусственные урезы воды и промышленные объекты, попадающие в потенциальную зону подтопления.
Для пояснения картографической модели представления данных рассмотрим массив данных, содержащихся на обычной топографической карте. Топографическая карта представляет собой единство двух различных видов представления информации. С одной стороны это — схема, на которой имеются геометрические объекты различного характера локализации. Эти объекты описываются при помощи пространственных координат. С другой стороны - карта это представление пространственного распределения различных параметров или описательных данных, характеризующих территорию или отдельные ее части, которые сами по себе описываются без привлечения пространственных координат. Первый тип информации называют пространственной информацией, а второй тип - атрибутивной (смысловой). Основная идея ГИС состоит в совместной обработке как пространственной, так и атрибутивной информации в рамках единого программно-аппаратного комплекса. Кроме того, в ГИС имеет место еще один вид пространственно-распределенной информации - топологическая; которая отражает топологические свойства пространства, т.е. такие свойства, которые не изменяются при любых деформациях пространства производимых без разрывов и склеиваний. К топологической информации относятся: точки пересечений объектов, информация о примыканиях объектов друг к другу (или общих границах). Для объектов, границы которых можно представить аналитически, топологическим свойством является количество кривых, которые ограничивают объект. Топологическая информация играет важную роль при решении задач определения характеристик подтопления промышленных объектов.
Если классифицировать предполагаемый поток выходных данных в картографической модели представления данных по типу геометрии, то её структура будет выглядеть как на рисунке 2.4. Топографическая карта территории представлена на рисунке 2.5. Наглядность представления информации (при делении по классы геометрии) в картографическом аспекте достаточно быстро способно ознакомить с разнородностью объектов.
Разработка информационной модели объектов речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности
Важным моментом при проектировании базы пространственных данных объектов речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности является создание обобщённой структуры данных. База пространственных данных содержит следующие основные классы объектов: "Общегеографические слои" (информация по всем природным и антропогенным объектам, расположенным на данной территории (реки, озера, лесные массивы, дороги, магистральные трубопроводы и др.)) "Специальные слои" (дополнительная специальная информация о водных объектах и других объектах, территориях и организациях, имеющих к ним отношение), "Водные объекты" (информация по всем параметрам и характеристикам, определяющим состояние водных объектов), "Гидротехнические сооружения" (информация о плотинах, зданиях гидроэлектростанций, водосбросных, водоспускных и водовыпускных сооружениях и др.), "Исполнительные органы и зоны их ответственности" (справочная информация о людях и организациях, осуществляющих контроль состояния или являющихся пользователями информации), "Специальные территории и зоны: (информация по особым территориям и зонам), "Справочники и документы" (справочная информация и нормативная документация), "Посты наблюдения и мониторинг" (информация по проводимым наблюдениям за состоянием водных объектов). Обобщенная структура данных, используемых при управлении водными ресурсами, представлена на рис. 3.5.
Информационная модель совместного описания объектов речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности представляет собой набор классов пространственных данных и классов ограничений. Класс пространственных данных описывает пространственные объекты с их атрибутивной структурой, операциями и отношениями. Класс ограничений отражает наборы ограничений с их атрибутами, и операциями. Он отвечает за хранение и управление ограничениями, которые применяются к объектам в классах пространственных данных. Эти ограничения ответственны за сохранение целостности в процессе редактирования данных.
Для представления отношений между пространственными объектами воспользуемся методололией RUP и опишем географическую информацию по водным объектам в терминах языка UML. Модель класса пространственных данных {Feature Class) состоит из классов объектов, созданных для каждого типа географических объектов, их атрибутивной структуры, операций и отношений (рис. 3.6).
Существуют атрибуты и операции, общие для всех классов пространственных данных. Они генерализуются для формирования более общего класса, представленного классом Объект БГД. Это абстрактный класс, определяющий минимальную атрибутивную структуру и операции, которые должен иметь каждый класс пространственных объектов в базе геоданных. Таким образом, все классы пространственных данных определены как специализации класса Объект БГД.
Для каждого класса пространственных данных определены как минимум три основных операции, это: OnCreate, OnChange и OnDelete. Назначение этих операций - характеризовать жизненный цикл объекта (его создание, изменение и уничтожение в базе данных) и отправлять сообщения классам пространственных объектов для осуществления в связи с этим соответствующих действий.
Поскольку все классы пространственных данных должны реализовывать эти три операции, они определены в классе Объект БГД, таким образом, они наследуются всеми классами, определенными в качестве специализации этого класса. Реализация этих операций каждым конкретным классом зависит от его поведения, ограничений и предоставляемых им сервисов.
Ограничения были сгруппированы по типам: пространственные и непространственные. В БГД смоделированы два типа ограничений: бинарные и ограничения атрибутивного домена. Бинарные ограничения реализуют топологические отношения между пространственными объектами и имеют вид R=(Xj, Х2) г, s), где X], Х2 — классы пространственных объектов, г — топологическое отношение, s — спецификация, указывающая на возможность такого отношения, например ("река", "водохранилище", "касается", "возможно"). Ограничения атрибутов домена осуществляют проверку атрибутивных данных пространственных объектов на корректность. Например, для объекта «водохранилище» должны быть заданы такие важные характеристики, как нормальный подпорный уровень, объем, верхний и нижний бьеф и т.п.
Основные требования к информационной системе определения характеристик подтопления промышленных объектов в весенний паводок
Базовыми целями создания ИС определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках на территории РБ является автоматизация процессов поддержки принятия решений по: - предотвращению последствий весеннего паводка; - прогнозированию зоны подтопления с определенной степенью точности (на дни, недели, месяцы). Также достигаются вторичные цели: - обеспечение возможности совместного использования разнородных данных, получаемых из различных источников; - интеграция подсистемы в качестве функциональной компоненты в автоматизированную систему поддержки принятия решений по управлению природными ресурсами и охраной окружающей среды на основе комплексного мониторинга и ГИС технологий на территории РБ. Основными задачами ИС являются: - обработка данных гидрологических постов Башгидромета об уровнях воды. - расчёт и построение зоны подтопления по заданной области:
а) территория РБ;
б) район РБ;
в) населенный пункт РБ;
г) водный объект РБ (река, озеро, водохранилище);
д) гидрологический пост наблюдения;
е) территория, выбранная пользователем;
— определение статистики подтопления (количество зданий, попавших в зону подтопления);
— формирование результатов расчета и прогнозирования зоны подтопления в виде отчетных документов.
— сохранение построенных зон подтоплений в архив базы геоданных;
— загрузка зон подтоплений с возможностями определения статистики и формирования отчётных документов;
— сравнение зон подтоплений с возможностями определения статистики по каждой из зон и формирования отчётных документов;
— анимация последовательности зон подтоплений с целью отображения динамики изменения подтопления.
ИС определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках на территории РБ осуществляет следующие основные функции:
1) получение векторного полигона зоны подтопления средствами созданного алгоритма обработки данных и пространственного ГИС-анализа на основании прогнозных и оперативных значений уровней поднятия воды на речных объектах РБ;
2) определение объектов, попадающих в полученный векторный полигон зоны подтопления (список населенных пунктов и промышленных объектов, попадающих в зону подтопления);
3) генерация отчета в формате Microsoft Word по объектам, попадающим в зону подтопления из пункта 2;
4) вывод на печать отображаемого участка электронной карты с легендой общегеографических и специальных слоев;
5) загрузка зон подтоплений для проведения анализа с возможностями использования функций 2-4
6) сравнительный анализ зон подтоплений за текущий и предыдущие годы с возможностями использования функций 2-4;
7) динамическое отображение последовательности зон подтоплений. Структурная схема ИС определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводкахВ состав подсистемы входят формы интерфейса программы, обеспечивающие диалог с пользователем в интерактивном режиме и программные модули, обеспечивающие взаимодействие ИС определения характеристик подтопления с ГИС "Паводок" в составе: - Замещение данных (возможность использования альтернативных источников данных по уровням поднятия воды). - Построение вспомогательных слоев (поперечных створов, береговых линий и урезов воды). - Определение замкнутого контура речной сети. - Комплексная интерполяция данных по уровням поднятия воды на постах контроля. - Построение цифровой модели рельефа, модели гидрологического уклона и зоны подтопления. - Определение статистики населенных пунктов (в том числе промышленных объектов), попавших в зону подтопления.
Функциональность ИС помимо определения характеристик подтопления предполагает сравнительный анализ различных зон подтопления за различные промежутки времени. Рассчитанная зона подтопления при разливах рек может быть в дальнейшем сохранена в набор данных, добавлена в проект для сравнения с другими зонами и удалена из набора данных. Конечным результатом работы программного обеспечения ИС определения характеристик подтопления является карта территории РБ с выделенными границами зоны подтопления, соответствующими определенному уровню поднятия воды на близлежащих постах гидрологического контроля.
