Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ методов планирования противопаводковых мероприятий и построения зон затоплений 14
1.1 Анализ процесса и методов планирования противопаводковых мероприятий для объектов промышленности 14
1.2 Методы построения зон затоплений местности, основанные на использовании данных дистанционного зондирования Земли и ГИС-технологий 19
1.3 Анализ существующих систем мониторинга паводка и информационной поддержки планирования противопаводковых мероприятий для объектов промышленности 31
Результаты и выводы к главе 1 37
2 Разработка методов построения зон затопления местности с использованием данных дистанционного зондирования земли и гис-технологий 39
2.1 Информационная поддержка принятия управленческих решений при планировании противопаводковых мероприятий для объектов промышленности 39
2.2 Разработка метода построения локальных зон затопления на цифровой карте местности на основе оптических и радиолокационных космических снимков и анализа характерных точек рельефа 43
2.3 Разработка метода объединения локальных зон затопления участков местности в единую зону фактического затопления интересующей территории 57
2.4 Разработка метода построения прогнозных зон затопления на цифровых картах местности на основе зон затоплений, полученных с архивных космических снимков, и прогнозных данных об уровнях воды на постах гидрологического наблюдения 61
Результаты и выводы к главе 2 69
3 Разработка моделей и алгоритмов информационной поддержки принятия решений при планировании противопаводковых мероприятий для объектов промышленности на основе построения зон затоплений с использованием данных дистанционного зондирования земли и гис-технологий 70
3.1 Разработка функциональной и информационной модели совместного использования пространственных данных для построения зон затоплений местности 70
3.2 Разработка алгоритмов заказа, обработки и организации хранения космических снимков для построения зон затоплений местности 81
3.3 Разработка алгоритмов распределенного хранения космических снимков, организация- баз данных и программного обеспечения совместного использования космических снимков и цифровых карт местности 97
Результаты и выводы к главе 3 104
4 Реализация и анализ эффективности программного обеспечения совместной обработки цифровых карт и космических снимков для построения зон затоплений . 106
4.1 Разработка программного обеспечения совместной обработки цифровых карт и космических снимков для построения зон затоплений при планировании противопаводковых мероприятий для объектов промышленности 106
4.2 Анализ эффективности- применения методов построения зон затоплений при информационной поддержки планирования противопаводковых мероприятий для объектов промышленности 122
4.3 Использование разработанных методов совместной обработки пространственной информации в виде цифровых карт и космических снимков для решения некоторых задач управления природными
ресурсами 132
Результаты и выводы к главе 4 146
Заключение 147
Список использованной литературы
- Методы построения зон затоплений местности, основанные на использовании данных дистанционного зондирования Земли и ГИС-технологий
- Разработка метода построения локальных зон затопления на цифровой карте местности на основе оптических и радиолокационных космических снимков и анализа характерных точек рельефа
- Разработка алгоритмов заказа, обработки и организации хранения космических снимков для построения зон затоплений местности
- Анализ эффективности- применения методов построения зон затоплений при информационной поддержки планирования противопаводковых мероприятий для объектов промышленности
Введение к работе
Актуальность работы
Повышение частоты повторяемости паводков является по своему географическому масштабу стабильной и глобальной тенденцией требующей увеличение роли противопаводковых мероприятий, направленных на предупреждение и смягчение последствий паводковой ситуации на промышленность, население, объекты инфраструктуры. Информационной основой для планирования противопаводковых мероприятий является оценка и оперативное прогнозирование зон затоплений (33) местности (территорий, оказывающихся под водой, в результате изменения гидрологического состояния водных объектах).
Одним из необходимых условий построения 33 местности для дальнейшего планирования противопаводковых мероприятий является полная и достоверная информация о состоянии водных объектах, уровнях воды на гидрологических постах наблюдения (ГПН), рельефе местности, населённых пунктах, хозяйственных и промышленных объектах, расположенных в прибрежных зонах и находящихся под угрозой затопления. Для обработки значительного объема информации о пространственно-распределенных объектах в период динамически изменяющейся паводковой ситуации и последующего оперативного принятия противопаводковых мер необходимо автоматизировать процесс расчета параметров зон затоплений. Однако ограниченное число ГПН и недостаточное качество информации о водных объектах и рельефе местности снижает достоверность оценок текущей и прогнозируемой паводковой ситуации на всей территории в целом. Ввиду этого более полезными оказываются космические системы наблюдения, способные предоставлять оптические и радиолокационные космические снимки (КС) с фактическими изображениями зон затопления в оперативном режиме с высоким пространственным разрешением. Указанное обстоятельство повышает оперативность и адекватность предпринимаемых мер по снижению вредного воздействия паводковой ситуации на промышленность.
Исследованию и решению задач связанных с оценкой, прогнозированием паводковой ситуации и формированием информационной поддержки соответствующих управленческих решений посвящены работы многих отечественных ученых и зарубежных специалистов: В. X. Багманова, С. Е. Беднарука, В. И. Васильева, Б. И. Гарцмана, В. Е. Гвоздева, Л. А. Гриневича, В. И. Данилова-Данильяна, В. А. Коннелли, В. Г. Крымского, Л. К. Левит-Гуревича, В. Г. Пряжинской, А. X. Султанова, Р. 3. Хамитова, М. А. Шахраманьяна, И. У. Ямалова, Д. М. Ярошевско-го, С. Линда, С. Хаггетта, Д. Эгенхофера и др.
Тем не менее, в используемых методах построения зон затоплений на цифровых топографических картах местности, проблемы совместной обработки разнотипной пространственной информации, такой как цифровые карты местности, космические снимки, данные с ГПН, решены не полностью. Одними из наиболее актуальных проблем является значительная погрешность совмещения информации о 33, выделенных на КС, с цифровыми картами местности и проблема построения на их основе прогнозных 33. В конечном итоге эти проблемы не позволяют с необходимой достоверностью оценить ущерб промышленности от затопления. В связи с этим задачи совместного использования пространственной информации в
виде цифровых карт местности и космических снимков являются актуальными как в теоретическом, так и в практическом плане.
Цели и задачи исследования
Целью диссертационной работы является разработка методов совместной обработки цифровых карт местности, оптических и радиолокационных космических снимков для построения зон затопления территории и дальнейшего их использования для планирования противопаводковых мероприятий и снижения вредного воздействия паводковой ситуации на промышленность.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать метод построения локальных зон затопления на цифровых картах местности на основе оптических и радиолокационных космических снимков и анализа характерных точек рельефа местности.
Разработать метод объединения построенных на основе космических снимков локальных зон затопления участков местности в единую зону фактического затопления интересующей территории.
Разработать метод построения прогнозных зон затопления на цифровых картах местности на основе зон затоплений, полученных с архивных космических снимков и прогнозных данных об уровнях воды на постах гидрологического наблюдения.
Разработать функциональную и информационную модели совместного использования пространственных данных, таких как цифровые карты, оптические и радиолокационных космические снимки, для построения зон затоплений местности, определения их характеристик и дальнейшего снижения вредного влияния паводка на промышленные объекты.
Разработать алгоритмы заказа, обработки и организации хранения космических снимков и программное обеспечение совместной обработки цифровых карт и космических снимков для последующего планирования противопаводковых мероприятий и снижения вредного влияния на промышленность.
Методика исследования
В работе использовались методы структурного анализа и проектирования информационных систем (SADT), математическая теория множеств, методы математического и геоинформационного моделирования, организации баз геоданных, методы обработки данных дистанционного зондирования земли (пространственной привязки, дешифрирования и анализа космических снимков) и принципы объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна
Научная новизна работы содержится в следующих результатах:
1. Разработан метод построения локальных зон затопления на цифровых картах местности основанный на определении опорных точек привязки космических снимков к цифровым картам местности с помощью анализа морфологии русел рек (определения на крутых берегах точек максимальной устойчивости к изменениям во времени), позволяющий точнее совмещать информацию о зонах затопления, выделенных на космических снимках, с цифровой картой местности сохраняя геометрические характеристики зон затоплений в виде площадей и границ затапливаемых территорий.
Разработан метод объединения построенных на основе космических снимков локальных зон затопления участков местности в единую зону фактического затопления интересующей территории, основанный на сглаживании граничных участков объединяемых локальных зон затопления по принципу максимального затопления (наихудшего варианта) с учетом характера рельефа местности, позволяющий обеспечить целостность данных и повысить скорость определения промышленных объектов, попавших в зону затопления местности.
Разработан метод построения прогнозных зон затопления на цифровых картах местности основанный на выборе и объединении зон затоплений, полученных с архивных космических снимков на территории «ответственности» гидрологических постов наблюдения и соответствующих прогнозным данным об уровнях воды на гидрологических постах наблюдения, позволяющий определить характеристики предполагаемых зон затопления для выявления промышленных объектов, попадающих в эти зоны.
Практическая значимость
Результаты исследований в виде методов построения зон затоплений территории с использованием цифровых карт, оптических и радиолокационных космических снимков и алгоритмов заказа, обработки и организации хранения космических снимков, извлечения из базы геоданных и анализа зон затопления использовались для информационной поддержки планирования противопаводковых мероприятий для отдела водных ресурсов по Республике Башкортостан Камского бассейнового водного управления Федерального агентства водных ресурсов Российской Федерации и Министерства природопользования и экологии Республики Башкортостан (свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2008613775, от 07.08.2008 года и № 2008614653, от 26.09.2008 года.), а также в учебном процессе УГАТУ.
Связь темы исследования с научными программами
Работа выполнена в период 2006-2009 г.г. на кафедре геоинформационных систем Уфимского государственного авиационного технического университета в рамках государственного контракта № И-06-12 «Разработка и внедрение геоинформационной системы «Водные ресурсы Республики Башкортостан»» и разработка подсистем «Прогнозирование и оценка зон затопления на территории РБ во время весеннего половодья по космическим снимкам и цифровым картам», а также в Министерстве природопользования и экологии Республики Башкортостан в рамках государственного контракта № 031-2008 «Применение данных дистанционного зондирования Земли для оценки паводковой ситуации и развития автоматизированной системы поддержки принятия решений по управлению природными ресурсами и охраной окружающей среды».
На защиту выносятся
Метод построения локальных зон затопления на цифровых картах местности, основанный на совместной обработке оптических и радиолокационных космических снимков и характерных точек рельефа местности.
Метод объединения построенных на основе космических снимков локальных зон затопления участков местности в единую зону фактического затопления интересующей территории.
Метод построения прогнозных зон затопления на цифровых картах местности, использующий зоны затопления, полученные с архивных космических снимков и прогнозные данных об уровнях воды на гидрологических постах наблюдения.
Информационная и функциональная модели совместного использования пространственных данных в виде цифровых карт, оптических и радиолокационных космических снимков для построения зон затоплений местности и определения их характеристик.
Алгоритмы заказа, обработки и организации хранения космических снимков и программное обеспечение совместной обработки цифровых карт и космических снимков для построения зон затоплений местности и определения их характеристик для последующего планирования противопаводковых мероприятий и снижения вредного влияния на промышленность.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Третьей международной конференции «Земля из космоса - наиболее эффективные решения» (Инженерно-технологический Центр «СканЭкс», Москва, 2007); Второй международной конференции «Космическая съемка - на пике высоких технологий» (ЗАО «Совзонд», Москва, 2008); Шестой всероссийской открытой ежегодной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (ИКИ РАН, Москва, 2008); «Компьютерные науки и информационные технологии» (CSIT'2007 - 2009); XIII Конференции пользователей ESRI и ERDAS в России и странах СНГ (Голицыне, 2007); Всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2008-2009); Всероссийской молодежной научной конференции (УГАТУ, Уфа, 2007-2008); Восьмой международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Уфа, 2007); Семинаре «Проблемы совершенствования подготовки Неспециалистов в высшей школе на основе требований рынка» (Уфа, 2007); Конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века» (Сургут, 2008); 3-й Всероссийской конференции «Геоинформационные технологии в муниципальном управлении» (Уфа, 2009); Межрегиональной научно практической конференции «Вода для жизни - 2009» (Уфа, 2009).
Публикации
Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы ВІЗ источниках, включающих 6 статей, 4 материалов конференций и семинаров, 2 свидетельства о регистрации программ и 1 учебно-методическую работу. Результаты работы опубликованы в 1 рецензируемом журнале ВАК.
Структура и объём работы
Работа включает введение, 4 главы основного материала, заключение, библиографический список и приложения.
Работа без библиографического списка и приложений изложена на 132 страницах машинописного текста. Библиографический список включает 147 наименований.
Методы построения зон затоплений местности, основанные на использовании данных дистанционного зондирования Земли и ГИС-технологий
Российская Федерация относится к государствам со сравнительно высокой обеспеченностью водными ресурсами. В экономике страны в количественном отношении потребление воды превышает суммарное использование всех иных природных ресурсов. Это во многом определяется сложившейся структурой производства в ряде отраслей промышленности.
В числе опасных явлений гидрологического характера паводки являются ежегодно повторяющимися стихийными бедствиями, по площади охватываемых территорий и наносимому материальному ущербу превосходящими все остальные виды природных чрезвычайных ситуаций [34, 35]. К числу регионов, промышленность которых ежегодно страдает от паводков, относится Республика Башкортостан (РБ).
Зона потенциального риска затопления в Республике Башкортостан составляет около 6% от общей площади и в ней находятся более 1300 населенных пунктов (26% от общего количества), а также промышленные и хозяйственные объекты. Паводки чаще всего вызываются разнообразными по природе факторами (в первую очередь, метеорологическими) и их сочетаниями н связаны с высокой степенью неопределенности. Самые высокие паводки наблюдались в 1947, 1957, 1965, 1979, 1990, 2001 и 2007 гг. Некоторые результаты анализа последствий паводков в РБ за последние годы, в том числе и на промышленность, приведены в таблице 1.1.
По данным муниципального учреждения «Управление гражданской защиты» администрации городского округа города Уфа Республики Башкортостан ущерб, нанесенный территории городского округа города Уфа Республики Башкортостан весенним паводком 2007 года, составил свыше 40 млн. рублей.
Прогнозы уровней воды на постах гидрологического контроля в период весеннего паводка ежедневно предоставляются Башкирским территориальным управлением по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Они определяют в целом масштабы противопаводковых мероприятий, режимы работы водохранилищ, площадь затопления и подтопления талыми водами и, в итоге, величину ущерба экономике.
Важность подготовки и пропуск весеннего паводка отмечается в нормативных документах: «...для успешного пропуска весеннего паводка последующих лет и рационального использования водохозяйственного комплекса республики необходимо: - разработать программу прогноза весеннего паводка на основе упорядочения мониторинга, проводимого различными ведомствами с использованием проработок научных и проектных институтов; - разработать компьютерную модель по регулированию стока реки Белой на участке от Юмагузинского водохранилища до г. Стерлитамак и от г. Стерлитамак до г. Уфы с учетом трансформации максимальных расходов Юмагузинским и Нугушским водохранилищами с предложениями по оптимизации режима работы водосбросных сооружений...». В связи с этим важную роль играет система мероприятий, направленная на предупреждение и смягчение последствий паводковой ситуации для промышленности, основанная на мониторинге и оперативном прогнозировании зон затопления.
Для предотвращения и снижения возможных последствий паводков на промышленные объекты ведущую роль продолжают выполнять традиционные предупредительные противопаводковые мероприятия К мероприятиям организационного характера относятся: организация хорошо налаженной системы мониторинга и прогнозирования паводков, а также их возможных последствий; налаживание информационно-предупредительной системы, способной в короткие сроки предупреждать соответствующие организации и население об угрозе паводков; четкая организация и своевременное проведение оповещения и эвакуации населения с затопляемых территорий, а также эвакуации материальных ценностей; осуществление своевременных, как организационного, так и технического характера [85]. мероприятий по выводу сельскохозяйственных животных на незатапливаемые территории; осуществление мероприятий по контролю состояния гидротехнических сооружений (ГТС) и др.
Хорошо спланированные, четко и своевременно проверенные организационные предупредительные мероприятия обеспечивают возможность избежать больших потерь населения и значительно снизить экономический ущерб при чрезвычайных ситуациях, вызванных паводками любых видов. Организационные меры не решают в целом проблему защиты от паводков и должны осуществляться в комплексе с техническими мерами.
Предупредительные противопаводковые мероприятия технического характера обычно требуют заблаговременного строительства специальных инженерных сооружений с расходованием значительных материальных и финансовых ресурсов. Для борьбы с паводками могут быть использованы: регулирование стока в русле реки, отвод паводковых вод, регулирование поверхностного стока на водосборах, строительство защитных дамб, обвалование, спрямление русел, дноуглубление, берегозащитные сооружения, подсыпка территорий.
Для организации мероприятий по уменьшению последствий паводков на промышленность и готовности сил и средств к осуществлению мероприятий по безаварийному пропуску паводковых вод на территории муниципальных образований мероприятия осуществляются в следующем порядке [86]: 1. Планирование. 2. Проведение тренировок по пропуску паводка. 3. Проведения превентивных мероприятий. 4. Пропуск паводка. 5. Оценка последствий паводка. Среди действий, которые необходимо осуществить при планировании противопаводковых мероприятий (ППМ), находятся: - Определение мест возможного затора льда и разливов, уточнение перечня заторных участков, мостов, переправ. Анализ данных Башкирского территориального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды о ледовой обстановке на естественных водоемах и объемах снежного покрова. - прогнозирование зон затопления, объектов населенных пунктов и предприятий (в т.ч. места хранения химических веществ, скотомогильники и т.п.), попадающих в зону затопления; - планирование и организация подготовки к ведению и ежедневному уточнение информации по прохождению весеннего паводка. При проведении превентивных мероприятий: - определение сроков, границ и размеров (площади) зон возможного затопления, количества административных районов, населенных пунктов, объектов экономики, дорог, мостов, линий связи и электропередачи, площади сельскохозяйственных угодий и других объектов, попадающих в зоны возможных подтоплений и затоплений;
Разработка метода построения локальных зон затопления на цифровой карте местности на основе оптических и радиолокационных космических снимков и анализа характерных точек рельефа
Задачи, связанные с построением зон затоплений местности для процесса информационной поддержки принятия решений при планировании противопаводковых мероприятий для объектов промышленности, требуют обработки большого объема пространственной и атрибутивной информации. Использование современных геоинформационных технологий и методов обработки данных дистанционного зондирования Земли позволит собирать, хранить и обрабатывать пространственную и атрибутивную информацию, представлять ее в удобном наглядном виде для последующего анализа и принятия управленческих решений, связанных со снижением негативных воздействий последствий паводков на промышленность.
Совместное использование космических снимков и цифровых карт местности при планировании противопаводковых мероприятий для промышленности, иллюстрируется рисунком 2.1. В рамках данной структуры центральное место занимают ВО, которые могут стать источниками паводковой ситуации, которая в свою очередь возникает вследствие воздействия на ВО опасных природных (в частности, гидрометеорологических) и техногенных (в процессе регулирования режимов работы водохранилищ) факторов.
При наличии процедур достоверного оценивания характеристик паводка и его воздействия на промышленность оказывается возможным обеспечить эффективную информационную поддержку планирования противопаводковых мероприятий, которая требуется большому числу предприятий и органов исполнительной власти, задействованных в процессе снижения негативного воздействия последствий паводка (от органов государственной власти и надзорных ведомств до отдельных организаций). Результаты отмеченной деятельности выражаются в формировании совокупности мер и средств по смягчению негативных воздействий паводка на промышленные объекты. Эти меры и средства предусматривают финансирование инженерно-технических мероприятий, строительство дамб, регулирование стока в русле реки, отвод паводковых вод, регулирование поверхностного стока на водосбросах, обвалование пониженных участков территории, спрямление русел и дноуглубление, строительство берегозащитных сооружений, подсыпка пониженных мест, ограничение (запрещение) строительства в зонах возможных затоплений, проверка технической готовности ГТС и др. В конечном счете, цель процесса подобного управления - подготовка к проведению паводка или снижение тяжести прогнозируемых последствий. Сказанное поясняет то место, которое занимают методы и алгоритмы построения зон затопления местности в общем комплексе средств, участвующих в планировании противопаводковых мероприятий. В республике вопросами пропуска весеннего паводка занимается отдел водных ресурсов (ОВР) по РБ Камского БВУ.
На сегодняшний день в отделе водных ресурсов по РБ внедрена и функционирует ГИС ВР РБ. Некоторые функции подсистем ГИС связаны с обработкой информации о паводках, например, позволяют записывать информацию о паводке, анализировать статистическую информацию по паводкам, на основе информации, полученной из Росгидромета анализировать с помощью построенных графиков информацию об уровнях воды на постах гидрологического контроля. Графики позволяют наглядно оценить паводковую ситуацию и ее динамику на посте гидрологического контроля.
Анализ решаемых в ОВР по РБ задач и функциональных возможностей существующих информационных систем показал, что задача оценки зон фактического затопления на территории РБ во время весеннего паводка в настоящее время не решается. ДР.) В ОВР по РБ во время прохождения паводка назначается дежурный по паводку, основной задачей которого является обеспечение сбора, анализа, обобщения и передачи информации о паводковой ситуации руководству Камского БВУ, а также осуществление взаимосвязи со штабом республиканской противопаводковой комиссии. В течении дежурства ответственные дежурные обеспечивают сбор и обработку информации об оперативной водохозяйственной обстановке, угрозе и возникновении чрезвычайных ситуаций на ГТС, водных объектах и в их водоохранных зонах по Республике Башкортостан с последующим докладом в Камское БВУ. Основным источником информации для анализа текущей ситуации о состоянии паводка являются данные об уровне воду, полученные с постов гидрологического контроля и данные оперативных служб Министерства по чрезвычайным ситуациям. Ежедневно в соответствии с инструкцией дежурного по паводку производится заполнение электронных форм и передача информации об уровнях воды по электронной почте в Камское БВУ.
Процесс поддержки принятия решений при мониторинге паводковой ситуации является достаточно сложным процессом, состоит из поэтапной обработки значительного объема разнотипной атрибутивной и пространственной, в том числе и растровой информации, и требует автоматизации обработки и анализа необходимых данных на каждом этапе. Предложенная схема процесса поддержки принятия решений для круга лиц и организаций, принимающих решение при проведении весеннего паводка, позволила определить основные этапы анализа и обработки разнотипной пространственной информации в виде цифровых карт и космических снимков для процесса поддержки принятия управленческих решений при планировании противопаводковых мероприятий.
Разработка алгоритмов заказа, обработки и организации хранения космических снимков для построения зон затоплений местности
Полученная в результате объединения единая зона фактического затопления интересующей территории является продуктом обработки космических снимков, поэтому необходимо осуществить совместное описание данных ДЗЗ и зон затоплений, представленных как в векторном виде, так и на космических снимках.
Основной сложностью в совместном хранении информации о зонах затопления в виде векторных слоев и космических снимков является разнородность форматов данных. Объединение их в единую структуру позволит обеспечить хранение разнородной информации об одном объекте.
Космический снимок можно представить как совокупность пространственных характеристик и его параметров. Изображение состоит из п х m пикселей, каждый пиксель имеет координаты (i,j) - номер колонки и номер строки. Если изображение получено в нескольких диапазонах, то его представляет трехмерная решетка (ij,k), к - номер спектрального диапазона. Каждый элемент D(ij,k) представляет интенсивность излучения, принятого датчиком от элемента поверхности Земли, которому соответствует один пиксель изображения. У каждого космического снимка есть совокупность параметров (дата съемки, система координат, сенсор, пространственное разрешение и т.п.) Р = (Рі,Р2,...,Р„), где п — количество параметров у снимка. Тогда космический снимок можно описать следующим образом / = ({D},P)={{(i,j,k)},{piP2 Р„)). (2.28) Зона затопления в ГИС представляет собой множество полигональных объектов, поэтому его можно описать следующим образом CPol={z}={({{(x,y)q}t}JabelPolj,AtrP "J)J }, J=UZ, і=Щ, q =йг (2-29) Для космических снимков и векторных слоев зон затоплений справедливо правило Если cord(Z) с: cord(I) и param(Z) = param(I), то F (2.30) где cord- функция определения географических координат, рагат- функция извлечения параметров, F — зона затопления соответствует космическому снимку. Совместное описание пространственной информации о зонах затоплений в картографическом виде и в виде космических снимков, позволяет представить в единой формализованной форме зоны затопления, для дальнейшего использования при планировании противопаводковых мероприятий и автоматизации этого процесса.
Таким образом, разработан метод объединения локальных зон затопления участков местности, полученных с одного либо с нескольких космических снимков, в единую зону фактического затопления интересующей территории, основанный на обработке пограничных участков накладываемых локальных зон затопления, позволяющий объединить информацию о затапливаемой местности по принципу наихудшего варианта.
Разработка метода построения прогнозных зон затопления на цифровых картах местности на основе зон затоплений, полученных с архивных космических снимков, и прогнозных данных об уровнях воды на постах гидрологического наблюдения
В данном параграфе предлагается метод построения прогнозных зон затопления местности, основанный на использовании архивных космических снимков и данных об уровнях воды на постах гидрологического контроля, который основывается на сопоставлении прогнозных уровней воды на ГПН со "значениями архивных уровней воды, которые соответствуют архивным космическим снимкам. Выбор осуществляется по минимуму интегральной характеристики расхождения прогнозных и фактических значений уровней воды (соответствующих снимкам) на постах наблюдения. В результате находится 33, в наибольшей степени соответствующая прогнозным уровням воды на гидропостах наблюдения. Однако метод в таком виде обладает недостатками: - снимки не всегда покрывают всю территорию РБ; - часть водных объектов на снимках иногда невидима под облаками; - потребуется большое количество архивных зон затоплений для прогнозирования, чтобы учесть возможные случаи при прохождении весеннего паводка.
Для устранения выявленных недостатков при построении прогнозных зон затопления используется не вся зона затопления, полученная с космического снимка, а её части. После тематической обработки космического снимка и получения фактических зон затопления в виде векторных картографических объектов [99], они разделяются на участки, каждый из которых соответствует одному или нескольким ГПН (рисунок 2.7): Zp=part{zf,Z0\ (2.31) где Zf- зоны фактического затопления, полученные с космического снимка, Zc - зоны ответственности гидрологических постов наблюдения, part - функция деления фактической зоны затопления на части, Zp - прогнозные зоны затопления.
Для разделения территории зоны затопления, выделенной с архивного КС, на участки предложено правило: Если ЗТ:/ \TZ/ TZ- imuTz єГг то Г2 = Т \Т:" є CZp (2.32) І_Л,Л І 3Jf„, ±Рі!І — iPnt upu±Pnt = L PO/I , LVJ.PIII — iPnt iPnt t= y Poli , где Tzp!nt - точка, принадлежащая зоне фактического затопления, Г/;, - точка, принадлежащая зоне ответственности гидрологических постов наблюдения, Ґррм -точка, принадлежащая прогнозной зоне затопления, Ср0, - зона ответственности і го гидрологического поста наблюдения, СРРЫ - /-ая прогнозная зона затопления. Деление зон затопления производится с использованием специально созданных полигональных слоев - так называемых зон «ответственности» постов наблюдения (рисунок 2.7). \ Линия деления бассейнов рек при создании зон «ответственности» гидрологических постов наблюдения ГПН 3 С Граница бассейна реки с% Деление бассейнов рек на зоны «ответственности» ГПН Река Рисунок 2.7 - Схема процесса создания зон «ответственности» постов наблюдения Под зоной «ответственности» гидрологического поста наблюдения понимается такой участок территории вблизи гидропоста наблюдения, для которого уровень воды на реках меняется наиболее синхронно с уровнем воды в районе гидропоста наблюдения Z0 = coverage(cZnChPn„CrPol} (2.33) где Ccpol - водосборные бассейны рек, Chpnt - гидрологические посты наблюдения, Сро1- реки, coverage - функция построения зон ответственности гидрологических постов наблюдения, Za- зоны ответственности гидрологических постов наблюдения. Зоны «ответственности» постов наблюдения статичны и строятся один раз. При построении зон «ответственности» используется подход, основанный на точечных распределениях с помощью полигонов Тиссена (называемых таюке диаграммами Дирихле и диаграммами Вороного). В классической теории вокруг каждой точки из множества строится неправильный многоугольник (рис. 2.8) [41].
Анализ эффективности- применения методов построения зон затоплений при информационной поддержки планирования противопаводковых мероприятий для объектов промышленности
Однотипные объекты электронной карты хранятся в одном месте -совокупности файлов определенной структуры - в покрытии или слое электронной карты. При разработке базы геоданных важно правильно распределить объекты карты по тематическим слоям, которые обычно подразделяются на два класса: общегеографические и специальные.
В общегеографических слоях хранятся основные объекты топографической карты, полный перечень которых приводится в классификаторах и легенде карты (например, водные объекты, населенные пункты, дорожная сеть). Специальные покрытия создаются для построения зон затоплений при информационном обеспечении процесса поддержки принятия решений при планировании НИМ (например, локальные зоны фактического затопления, водосборные бассейны гидрологических постов наблюдения и др.).
При разработке базы данных системы информационной поддержки принятия решений при планировании противопаводковых мероприятий используется новый подход к хранению и представлению географических данных (объектно-ориентированная модель данных, названная базой геоданных), на основе семейства программных средств ArcGIS 9.x.
База пространственных данных (геоданных) - это модель для представления географической информации при помощи стандартной технологии реляционных баз данных. База геоданных поддерживает хранение и управление географической информацией в таблицах стандартных систем управления базами данных. Персональные базы геоданных оптимальны для работы с небольшими наборами данных отдельных ГИС-проектов и малочисленных рабочих групп. Персональные базы геоданных поддерживают только однопользовательское редактирование, в них не предусмотрен механизм поддержки версий.
Многопользовательские базы геоданных в первую очередь используются как простыми специалистами, так и управляющими на уровне рабочих групп, отделов или организаций в целом[19,115]. Они используют все преимущества архитектуры соответствующих систем управления базами данных (СУБД) для поддержки: - очень больших, непрерывных баз ГИС-данных; - одновременной работы многих пользователей; - длинных транзакций и работы с версиями. Многим специалистам, которые участвуют в процессе планирования ППМ, необходимо производить запросы к информации, следовательно, базы геоданных будут многопользовательскими, и поэтому используется серверное приложение ArcSDE (GISServer). ArcSDE - это ключевой компонент многопользовательской системы на основе ArcGIS. Он предоставляет открытый интерфейс к СУБД и позволяет ArcGIS управлять географической информацией на разных платформах баз данных, включая Oracle, Oracle со Spatial или Locator, Microsoft SQL Server, IBM DB2 и Informix. ArcSDE распределяет обязанности между СУБД и ГИС. ГИС-приложение отвечает за определение конкретной схемы СУБД, используемой для представления разных наборов географических данных, и за логику доменов, позволяющую поддерживать целостность и применимость внутренних табличных записей.
Векторные объекты и растровые наборы данных, а также все другие типы пространственных данных будут храниться в реляционных таблицах, то есть СУБД обеспечивают возможность управлять любыми географическими данными. Процесс хранения и использования этих данных происходит на основе многоуровневой архитектуры, где хранение данных в обычном табличном виде, их поиск и восстановление осуществляются на уровне хранилища (СУБД), а эффективную целостность данных и функции обработки информации обеспечивает прикладное и серверное программное обеспечение (ГИС).
Ядром БГД является стандартная схема реляционной базы данных (стандартные таблицы СУБД со столбцами разных типов, индексами и т.д.). Это простое физическое хранилище информации работает совместно с контролирующим набором высокоуровневых объектов прикладного уровня под управлением клиентского приложения ArcGIS или сервера на основе ArcGIS Server [128]. Эти объекты базы геоданных определяют общую геоинформационную модель, которая совместно используется всеми приложениями ArcGIS и пользователями. Объекты базы геоданных обеспечивают доступ клиентам к высокоуровневой информационной модели ГИС и поддерживают детальную реализацию этой модели в любой пригодной модели хранения, например, в стандартных таблицах СУБД, в файловых системах или посредством XML-схем [124, 144].
Все приложения ArcGIS взаимодействуют с этой общей объектной моделью ГИС, а не с фактическим экземпляром СУБД на основе SQL. Программные компоненты базы геоданных реализуют поведение и правила целостности, присущие общей модели, и транслируют запросы данных в форме, понятной соответствующей базе данных.
Типы данных, которые хранятся в базе геоданных: набор классов пространственных объектов, класс пространственных объектов, таблица, домен; класс отношений, топология, геометрическая сеть, набор растровых данных; документ метаданных; инструменты геообработки.
Обработка космических снимков осуществляется с помощью программного продукта Erdas Imagine 9.1, являющимся мощным средством по обработке изображений, использующем классические подходы географической привязки космических снимков, классификации изображений по спектральной яркости пикселей, обработки радиолокационных изображений и др.
Таким образом, разработаны алгоритмы распределенного хранения космических снимков, логическая структура организации хранения космических снимков и логическая структура использования пространственных данных для планирования противопаводковых мероприятий в виде совокупности баз данных и программного обеспечения хранения космических снимков.
Разработаны функциональная и информационная- модели совместного использования пространственных данных в виде цифровых карт и космических снимков для построения зон затоплений местности, определения их характеристик, позволившие отобразить пространственную, атрибутивную и космическую информацию, а так же функции их обработки, которые необходимы для процесса информационной поддержки принятия решений по ликвидации негативных последствий паводковой ситуации с помощью ГИС-технологий.
На основе предложенных в главе 2 методов построения зон затоплений разработаны алгоритмы заказа и обработки космических снимков для оценки характеристик зон затоплений и дальнейшего планирования противопаводковых мероприятий, что позволило повысить оперативность и качество информационной поддержки планирования ППМ, за счет этого снизить негативное влияние паводка на объекты промышленности.
