Особенности применения геоинформационных технологий при многофакторном прогнозировании водообеспеченности Южного региона

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 574.621.37

ТарГУ им. М.Х.Дулати

Особенности применения ГИС-технологий при многофакторном прогнозировании водообеспеченности южного региона

Сенников М.Н.

Омаров Е.О.

Повышение роли научно- технического потенциала в развитии экономики страны не представляется возможным без использования таких наукоемких технологий как нанотехнология, космическая, информационная и т.д. Следует отметить, что к наиболее гибким или универсальным технологиям, используемыми во многих областях, как в промышленности, сельском хозяйстве, в медицине, в средствах связи и т.д. необходимо отнести информационные технологии. Особое место в комплексе информационных технологии занимают геоинформационные системы, позволяющие проводить исследования с целью установления причинно-следственных связей между природными и антропогенными процессами. Они включают в себя сбор, хранение, преоброзование и различные способы отображения пространственно-временной информации о географических и геологических свойствах природной среды. ГИС охватывают все пространственные уровни - от глобального до муниципального, интегрируя самую разнообразную информацию о нашей планете; картографическую, аэрокосмическую, статистическую, материалы полевых экспедиции и т.д.

Использование геоинформационных технологий в области геоэкологических исследований при рациональном использовании водных ресурсов не всегда переходят за рамки составления оформительской графики различного картографического характера. С нашей точки зрения, геоинформационные технологии могут найти широкое применение как самостоятельный метод исследований, включающий не только систему управления базами данных, не только сбор, хранение необходимой информации, управление базами данных, но и возможность их использования как исследовательский инструмент геоэкологического моделирования природно-антропогенных процессов. Кроме того, ГИС-технологии могут быть использованы как способ создания исследовательской модели природной среды и на их основе, как метод составления долгосрочных геоэкологических прогнозов, организация и ведение мониторинга. При этом в рамках геоэкологической науки нами рассматривается, прежде всего, ее раздел под названием экологическая геология, изучающий экологические функции земной коры, факторы их формирования и пространственной изменчивости под влиянием геолого-геоморфологических особенностей в связи с функционированием биоты, живых организмов и человека. Методологической основой решения большинства задач геоэкологического прогнозирования при рациональном использовании водных ресурсов и других процессов связанных с изменениями его составляющих, (в частности поверхностные, подземные, сточные и т.д.) является создание многослойной «интегрированной» модели, построенной с использованием так назывеамых элементарных слоев, в которых учтены конкретные особенности каждого из элементов системы (структурно-тектонические, литолого-генетические, морфометрические и т.д.). В конкретных исследованиях, в данном случае при решении задач долгосрочного прогнозирования, модели интегрированного использования водных ресурсов представляет собой сложный комплекс частных моделей, которые отражают элементарные свойства исследуемого объекта, с одной стороны, а с другой - учитывают только те особенности, которые являются существенными с точки зрения решаемых целевых задач. В то же время системный подход дает возможность выделить ряд эмерджентных свойств данной интегрированной модели водо-земельных и геосистемы, которые присущи только ей, и не присущи частным моделям. Например, только соединение частных (геологических, геоморфологических, водных, мелиоративных и т.д.) моделей природной среды дает возможность выделить участки потенциально склонных к засолению и заболачиванию далее орошаемых массивов в конкретных условиях орошаемых земель юга Казахстана.

В соответствии со сформулированными выше задачами мелиорации, геоэкологии других сопутствующих направлений, могут быть рассмотрены и различные подходы к определению геоинформационных систем:

ГИС - средство моделирования и познания природных и социально-экономических геосистем.;

ГИС - технология сбора, хранения преоброзования, отображения и распространения пространственно-координированной геоинформации для обеспечения управления и принятия решений;

ГИС - совокупность аппаратно-программных продуктов (ГИС-оболочек), баз данных, систем управления разного целевого назначения.

ГИС принадлежат к классу информационных систем и обязательными их признаками являются:

1. Географическая (пространственная, пространственно-временная) привязка данных;

2. Возможность создания новой информации на основе синтеза имеющихся данных;

3. Автоматическое обновление баз данных за счет вновь поступающей информации;

4. Обеспечение принятия решений.

Различают следующие компонентные уровни применения ГИС:

- рельеф, недра, геофизические поля - литосфера;

- воздух, климат, погода - атмосфера;

- воды суши (в т.ч. водохранилища), моря - гидросфера;

- растительный покров, животный мир - биосфера;

- почвы, геохимические поля - педосфера;

- социальные условия, медико-географическая обстановка, наука, культура - социосфера;

- хозяйство, транспорт, энергетика, финансы, сфера обслуживания - техносфера;

- экологическое состояние, кризисные ситуации - природно-социально-техносфера.

Таким образом, функции ГИС складываются из четырех типов решаемых ею задач: сбор, обработка, моделирование и анализ, принятие решений. Структурной особенностью является наличие у ГИС четырех подсистем:

1. Ввод для оцифровки, редактирования и форматирования карт, изображений, таблиц;

2. Хранение - для поиска, изменение и редактирование данных;

3. Анализ - для получения из данных полезной информации путем их обработки, а также принятия решений по оптимизации хранения и доступа;

4. Вывод - для просмотра всей или части базы данных и отображения информации в табличной или картографической форме.

Далее мы рассмотрим пример использования геоинформационных технологии для целей прогнозирования селевых процессов на основе комплекса карт, представляющих собой наиболее эффективный способ отображения, хранения и трансформации, не только географической, но и геологической. Для этого необходимо ввести графическую информацию в компьютер, причем устройства для ее ввода имеют широкое разнообразие, от осязаемых до голосовых. Устройства ввода графической информации находят широкое распространение благодаря компактности и наглядности способа представления информации для человека. По степени автоматизации поиска и выделения элементов изображения, они делятся на два больших класса: автоматические и полуавтоматические. В полуавтоматических устройствах ввода графической информации, функции поиска и выделения элементов изображения возлагается на человека, а преоброзование координат считываемых точек выполняется автоматически. В автоматических устройствах процесс поиска и выделения элементов изображения осуществляется без участия человека. Эти устройства строятся либо по принципу сканирования всего изображения с последующей его обработкой и переводом из растровой формы представления в векторную форму, либо по принципу слежения за линией, обеспечивающей считывание графической информации, представленной в виде графиков, диаграмм, контурных изображений. Существует несколько способов ввода графической информации с использованием традиционных карт и планов. Это оцифровывание с использованием дигитайзера и оцифровывание растрового изображения на экране компьютера (векторизация). При дигитализации изображения по точкам оцифровывается отдельно каждая интересующая точка плана с последующим соединением соответствующих точек на полученном компьютерном изображении. При потоковой дигитализации оцифровывается вся интересующая информация с разграничением векторных типов. В результате вышеописанных способов, графическая информация представляется в векторном виде. Векторные данные используются в большинстве автоматизированных систем для предоставления информации, которая имеет единую сущность и нуждается в анализе и манипулировании.

Область применения введенной графической информации зависит от поставленных целей и задач и достаточно широка: оценка эффективности экологически безопасных мелиоративных комплексов; экологические и экономические аспекты повышения плодородия и восстановления деградированных земель; оценка, оптимизация и повышение эффективности управления продуктивностью агроландшафтов; экологические ограничения и требования к системам водопользования; эффективные технологии эксплуатации мелиоративных систем и т.д.

Современные технические средства и компьютерные технологии позволяют повысить качество инженерно-геодезических, топографических и проектных работ. Однако с повышением производительности работ становится актуальной проблема качества представляемого материала по исследуемому объекту. Для эффективного использования, имеющихся технических и программных средств, целесообразно применение некоторых методических подходов, выработанных в результате практической деятельности. геоэкологический водный топографический проектный

На сегодняшний день, имеется множество программных средств, которые позволяют эффективно решить данную проблему. Это такие крупные программные комплексы, как семейство программ CREDO (инженерная геодезия LDAT), линейные изыскания LLIN), цифровая модель местности LTER) - разработчик КРЕДОДИАЛОГ, Минск), ТОПОКАД (цифровая модель местности) и RELIEF (построение трехмерной модели рельефа - НПЦ ГЕОНИКА, Киев), ПРОФИЛЬ (автоматизированное вычерчивание продольных профилей наружных сетей), RGS (комплекс программ для решения геодезических задач - МИИГ АиК Румб, Москва), СИГМА (обработка инженерно-геофизических, геодезических и землеустроительных работ - MoNoS, Новосибирск) и другие. Из зарубежных источников следует назвать мирового лидера - фирму Autodesk, предлагающую набор приложений для программного комплекса AutoCAD (Civi1 Design, GIS Design Server, Land Desktop, Мар, Survey - семейство программных продуктов для проектирования инженерных сооружений с прилагающимися средствами анализа местоположения и цифрового моделирования рельефа местности).

При всей положительной оценке данных программных комплексов в каждом из них есть общие недостатки. Во-первых, это не полная совместимость, а порой ее отсутствие с техническим оборудованием и ограниченность решения практических задач. Во-вторых, необходимость иметь профессионально подготовленного специалиста для работы с данными программными комплексами. Методический подход выбора технического средства компьютерной обработки данных должен состоять в использовании минимального количества программных единиц, позволяющих формировать проект любой сложности, который удовлетворяет требуемому качеству по масштабированию и срокам его создания.

Далее рассмотрим способ создания картографической модели селевого бассейна на конкретном участке. Работы по выполнению векторизации конечной карты участка проводились в несколько этапов:

- определение тематического состава конечной цифровой карты участка;

- анализ конечной карты участка;

- сканирование и предварительная обработка растрового изображения каждой карты;

- приведение карт к единому масштабу (1:200000) и совмещение карт на единой основе; регистрация по слоям и оцифровка растровых изображений карт участка. Растровое изображение карт сканировалось на профессиональном сканере Epson Expression 1640 XL формата АЗ в соответствии с цветовой гаммой исходного изображения и обрабатывалось в графическом редакторе Corel РНОТО-Р AINT.

Поскольку географическая карта значительно превышала рабочее поле сканера, процесс сканирования заключался в «сшивке» отдельных частей растровых изображений географической карты формата АЗ в целое растровое изображение участка с 2%-м наложением кроев географической карты в графическом редакторе Corel рното-РAINT. Карта «Орошаемые массивы юга Казахстана» полностью отображалась в рабочем поле сканера, процесс сканирования заключался в получении электронной копии в формате А3 в соответствии с цветовой гаммой исходного изображения. Процесс сканирования геологическая карта отпадал, т.к. сам оригинал был уже представлен в электронном виде. Сложность работы с данной картой состояла в выправлении искаженного изображения и проведении коррекции текущей цветовой гаммы к исходной цветовой гамме. Параллельно проводилась очистка растрового изображения от лишних «шумов» и дефектов изображения.

После получения электронных копий карт сложность состояла в совмещении карт и приведении их к единой цветовой гамме (CMYK) и одному масштабу - М 1:200000. Так как все электронные копии карт были созданы из разных источников, первоначально воспользовались коррекцией цветовой гаммы и приведением ее в CMYK. После этого воспользовались элементарной математикой для вычисления коэффициента масштабирования: для географической карты он составил 1; для геологической карты 3,75; для карты «Орошаемые массивы юга Казахстана» - 2,5. Параллельно была выполнена регистрация карт по слоям и проведен окончательный анализ отдельных карт для дальнейшей оцифровки конечной карты участка.

В процессе работы все участки конечной карты были переведены в векторный формат с графической утилиты Corel TRACE. В качестве подложки использовались соответствующие карты в приведенном масштабе 1:200000. Оцифровку растровой карты проводили по тематическим слоям: сначала были векторизованы точечные объекты (отметки высот, глубин), затем - реки, изолинии и граница бассейна р. Баксан. Рельеф увязывался с оцифрованными реками.

На следующем этапе оцифровывались объекты геологической карты. Когда все объекты были векторизованы, определялись их границы. Объекты сводились с соседними объектами, привязывались и при необходимости объединялись одноименные объекты. Затем создавалась легенда отображаемых элементов геологической карты.

Окончательным этапом векторизовалась карта «Селевые бассейны КБР» как производная от предыдущих двух. Одноименные объекты объединялись и группировались по соответствующей градации (Водообеспеченность территории водными ресурсами для орошения). Затем создавалась легенда отображаемых элементов карты «Орошаемые массивы юга Казахстана». Весь проект карты компоновался в программном продукте CorelDRAW. Было создано 8 слоев: три слоя содержат соответствующие карты; два включают легенды геологической и мелиоративной карт. На отдельные слои вынесены граница засоленных и пригодных к орошению земель бассейнов рек юга Казахстана и название карты (рисунок 1).

В качестве подложки использовалась географическая карта М 1:200000 которая была занесена в атрибутивную базу данных цифровых слоев. Начальная стадия работы по реализации карты водообеспеченности бассейнов рек юга Казахстана заключались в создании цифровых слоев участка со всеми объектами (топография, гидрография, геология и пораженные участки засолению, заболачиванию и т.д.) находящимися на картах участка.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1. Карта селевого бассейна р. Баксан М 1:200000

На геологической карте были оцифрованы непосредственные геологические участки, принадлежащие бассейнам рек юга Казахстана. Каждому участку присвоен соответствующий цвет и индекс. В легенде по геологии каждый участок был охарактеризован для дальнейшего занесения его в атрибутивную базу данных цифровых слоев. На селевой карте были оцифрованы непосредственные территории, поражаемые селями в границах участка. Каждому участку был присвоен соответствующий цвет по градации «Пораженность территории к засолению, заболачиванию и т.д.». Все элементы составляющей карты водообеспеченности орошаемых земель водными ресурсами были занесены в атрибутивную базу данных цифровых слоев. В атрибутивную базу данных цифровых слоев заносилась основная информация об объектах, например для геологии вводились название и индексы, для гидрографии - названия рек и отметки высот, для селевой карты - градация нагрузки. С помощью инструмента Информация об объекте можно получать и редактировать интерактивную информацию об отдельном элементе каждого слоя на любой теме.

Литература

1. Инструкция по проведению крупномасштабных почвенных изысканий земель Республики Казахстан. Алматы, 1995.

2. Инструкция по проведению крупномасштабных (1:1000 -1:100000) геоботанических изысканий природных кормовых угодий Республики Казахстан. Алматы, 1995.

3. Еншілес Мемлекеттік К?сіпорны Кешенді Іздестіру Б?лімі (ЕМК Мемжер?ыл?норталы?ы КІБ).

Размещено на Allbest.ru