Основные аспекты построения интегрированной цифровой географической модели и перспективы её применения

Исследование пространственно-временной структуры географических систем с позиции пространственного анализа ландшафтоведения. Обзор способов определения пространственной фрактальной ритмики рельефа. Информационное хранилище геоинформационных моделей.

Рубрика Геология, гидрология и геодезия
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 29.08.2013
Размер файла 19,3 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные аспекты построения интегрированной цифровой географической модели и перспективы её применения

Т.П. Варшанина, О.А. Плисенко,

А.А. Солодухин, Е.П. Штельмах,

М.Ю. Гетманский, В.П. Зорин

Несмотря на то что исследования пространственно-временной структуры геосистем являются традиционными в географической науке (Н.А. Солнцев, В.С. Преображенский, А.Г. Исаченко, И.И. Мамай, А.Ю. Ретеюм и многие др.), вопросы иерархии пространственно-временной организации географических систем и строгая алгоритмизация ее моделирования до в настоящего времени относятся к актуальным задачам географической науки. Традиционно решение обозначенных задач связывают с методами пространственного анализа ландшафтоведения.

Пространственную структуру геосистем исследуют с позиции присущих им фундаментальных свойств мозаичности и ориентированности. Мозаичность представлена иерархией закономерно сочетающихся паттернов ландшафтной организации территории. Ориентированность геосистемной структуры рассматривают в качестве характера размещения паттернов вдоль устойчивых векторов циркуляционного поля. Развитие этого направления тесно связано с работами по математической формализации феноменологических конструкций пространственно-временной организации природы. Известны работы по картографо-математическому анализу ландшафтной структуры на основе исследования его физиономического рисунка. Для численного автоматизированного анализа текстуры топографических карт и снимков в целях выделения однородных природных территориальных объектов и их компонентов привлекаются современные численные методы, в том числе методы теории нелинейных колебаний.

Так, определение пространственной фрактальной ритмики рельефа на основе двухмерного спектрального анализа аэрофотоснимков позволило рассчитать ее размерность, показать, что выявленные иерархические уровни согласны структурам, порожденным нелинейными автоколебаниями. Интерпретация полученных результатов, по мнению авторов, нуждается в привлечении обширной информации по вещественному составу пород, слагающих формы рельефа, геодинамической обстановке, специфике экзогенных процессов, в том числе и в ретроспективе. Таким образом, авторы признают, что исследования с привлечением современных численных методов должны базироваться на системной и структурированной модели изучаемой территории.

Можно сделать вывод, что применение современных численных методов развивается в настоящее время в рамках направления, ориентированного на построение структурно-функциональной схемы геосистем «сверху вниз», т. е. от ландшафта как целостной единицы классификации иерархий геосистем. Такой подход входит в противоречие с общенаучными положениями теории динамических систем как науки о структуре и поведении сложных систем в условиях устойчивой не равновесия.

Принципиальным подходом синергетики является ориентация на сборку эмпирически объективных функционально взаимообусловленных структурных единиц саморазвивающихся систем «снизу вверх» для выявления закономерностей процессов самоорганизации, самостоятельного формирования, появления у целого новых свойств.

Базируясь на результатах системных исследований, синергетика предъявляет к ним определенные требования. К ключевым принципам синергетики, имеющим значение общего основания для системно-синергетических исследований в географии, следует отнести в первую очередь:

- требование отображения в моделях саморазвивающихся систем функционально взаимообусловленных эмпирически объективных системно-структурных единиц;

- установку на поиск интегральных характеристик целого;

- принцип свертывания сложных моделей саморазвивающихся систем в модели, отражающие параметры порядка самоорганизации;

- установку на моделирование пространственной энергетики процессов.

В предлагаемом варианте фундаментальной 3D/4D географической цифровой модели для геосистемного анализа учитываются традиционные в географии принципы структурирования пространства суши по его вертикальному и горизонтальному измерениям. Модель обеспечивает возможности создания функционально согласованного структурного каркаса геосистем территории, относительно которого разрабатываются и верифицируются построения разнообразных специализированных моделей пространства. На каждом уровне детализации или масштабирования континуальное координированное пространство может отображаться мозаикой вертикальной и горизонтальной иерархии дискретных однозначно трассируемых объектов. Выделение объектов производится в согласии с формирующими их потоками эндогенной и экзогенной энергии.

Обозначенный подход можно проиллюстрировать на примере системной модели рельефа. Так, поступающие к поверхности Земли потоки эндогенной энергии формируют блоковый «трансформер» земной коры с его вещественным составом. Поверхность рельефа в целом является несущей конструкцией геосистем, корректирующей поступление солнечной радиации на конкретные поверхности, определяя их потенциальную энергоемкость, которая доступна для вычисления. Преобразование солнечной энергии в реальных термодинамических условиях иерархии объектов поверхности рельефа обусловливает формирование всех объектов геосистем и их компонентов. В соответствие с этим, процесс геофизической дифференциации предлагается рассматривать в качестве ведущего системно-образующего фактора геосистем, что находит обоснование в ряде известных работ. Формализованное описание пространственной геофизической дифференциации возможно на основании расчетов геофизических полей относительно иерархически и функционально структурированной модели рельефа.

Построение модели рельефа, обеспечивающей выделение иерархических единиц его поверхности, достоверно различающихся по природным экологическим свойствам и потенциальным геофизическим характеристикам, дает возможность сравнения потенциальных и реальных (в термодинамических условиях конкретных морфологических систем) геофизических полей. Такая дискретизация позволяет строить векторные поля градиентов геофизических полей геосистем, выявлять параметры порядка самоорганизации геосистем и исследовать закономерности сборки их вертикальной и горизонтальной структуры.

Решение обозначенной модели обеспечивается разрабатываемой оригинальной формализованной структурой данных системной модели рельефа.

Система вертикальной иерархии объектов рельефа с принадлежащими им параметрическими описаниями, соответствует следующему ряду пространственных единиц: морфологическая структура (иерархия тектонических блоков, узлов) - морфоклиматический район (тип экзогенного рельефа) - иерархия объектов поверхности рельефа. Выделение иерархии объектов класса тектонических структур, контролирующих формирование современного рельефа на уровне морфологических структур, производится по методике морфоструктурного районирования (МСР) Е.Я. Ранцман и М.П. Гласко, иерархии объектов морфоклиматической системы, контролирующей формирование скульптурного (экзогенного) рельефа, производится по классификации, приведенной В.И. Кружалиным. Выделение иерархии объектов геометрической поверхности рельефа выполняется методом «сферической квадроангуляции». Типизация структурных линий, характеристических точек и элементарных поверхностей рельефа производится по классификации А.Н. Ласточкина.

Базовым слоем системной модели рельефа является геодинамическая модель, обеспечивающая формализованное описание иерархии актуальных тектонических элементов территории и специфики их взаимодействия.

Разработана структура данных, модель данных и технология построения геодинамической тектонической модели, завершается разработка соответствующего программного продукта.

Программный модуль обеспечивает автоматизированное:

- построение тектонической модели территории по методике Е.Я. Ранцман, М.П. Гласко;

- ранжирование иерархии тектонических элементов по индикационным показателям;

- построение поверхностей;

- вычисление мощности разностного слоя топографической поверхности;

- вычисление направления и величины градиента мощности разностного слоя по тектоническим блокам;

- определение направления движения блоков и интенсивности их взаимодействия;

- вычисление скорости вертикальных движений блоков;

- определение блоков концентраторов тектонических напряжений.

Верификация геодинамической модели, разработанной на примере территории Краснодарского края и Республики Адыгея, показала ее удовлетворительное соответствие с известными представлениями о геодинамической структуре региона.

Реализуемый модуль геодинамического анализа территории обеспечивается необходимыми инструментами автоматизированного построения модели, аналитического оперирования и продуцирования данных, т. е. инженерии знаний. Данный модуль иллюстрирует одну из многочисленных возможностей построения специализированных моделей на основании системного параметрического отображения объектов географического пространства.

Векторная пространственная модель тектонических взаимодействий, интерпретирующая их энергетику, является ценным основанием для использования соответствующих моделей теории динамических систем в целях изучения пространственной ритмики тектонических процессов и их прогноза, выявления параметров порядка, определяющих русла контролируемых ими рельефообразующих процессов. Тектоническая составляющая ландшафтов при этом впервые рассматривается как их динамичное основание, т. е. в качестве фактора, пренебрежение которым недопустимо в рамках системной территориальной модели.

Следующий информационный слой рельефа представлен иерархией элементарных единиц геометрической поверхности рельефа, сформированных под воздействием эндогенных процессов и подверженных преобразованию в термодинамических условиях земной поверхности. Разработана структура данных и определена технология реализации модулей классификации и сборки элементарных единиц геометрической поверхности рельефа с их основанием в единицы иерархии морфологических систем, достоверно различающихся по геофизическим и, соответственно, природным экологическим свойствам.

Комплекс предлагаемых подходов позволяет автоматизировать как процесс построения эмпирически объективной иерархии геоморфологических систем, так и вычисление сравнительных геофизических параметров и построение геофизических полей. Автоматизированное определение по иерархии геоморфологических систем пространственной ритмики факторов геофизической дифференциации является ценным основанием для использования соответствующих моделей теории динамических систем в целях выявления параметров порядка, определяющих русла контролируемых ими процессов сборки компонентов в системы. Создается вертикаль следующих функционально согласованных объектов с их параметрическим описанием:

1) иерархия тектонических элементов с геологическим строением и данными по месту в региональном поле тектонических напряжений;

2) иерархия геоморфологических систем, формируемых полем тектонических напряжений и преобразуемых экзогенными процессами;

3) объекты морфоклиматического районирования.

Разработанная единожды системная интегрированная модель рельефа территории открывает перспективу решения комплекса научных и научно-практических задач, связанных с построением удовлетворяющих требованиям теории динамических систем структурно-функциональных схем геосистем, построения моделей разнообразных процессов и полей в трехмерном пространстве и прогноза их развития. В то же время визуализация интегрированной модели рельефа обеспечивает отображение территории как в 2D (картографическом), так и в 3D (цифровые модели местности) вариантах, а также реализацию расчетов для различных проектных решений.

Логическая структура данных цифровой интегрированной модели географических систем отображает геодинамическое единство внутренних и внешних сфер Земли. Иерархическая структура данных всего комплекса компонентов (климатической системы, почв, гидрографической сети, растительности) строится в соответствии с классификацией формирующих структуру объектов факторов. Такая система данных масштабируема и конструктивна, так как ориентирует на понимание генетической природы иерархии. При этом объекты климата на региональном уровне дополнительно идентифицированы по однотипным величине и направлению градиентов основных климата формирующих факторов: температуры и осадков - климатическое поле региона, также как и рельеф, характеризуется на основе отображения пространственной энергетики процессов его формирования.

Каждый объект характеризуется параметрами структурно-формирующих (инвариантных) факторов, имеющих достоверные различия с аналогичными параметрами других объектов того же ранга. Такой подход обеспечивает функционально согласованное структурирование пространства по его вертикальному и горизонтальному измерениям и предоставляет фактические данные для верификации продуцируемых моделей строения и развития геосистем, построения специализированных моделей. В области классификации иерархических уровней геосистем существует нерешенная проблема строгой алгоритмизации системной упорядоченности вертикальной и горизонтальной структуры. Опыт определения точными численными методами поли- и моно системной организации ландшафтов на основе инвариантных параметров компонентов показал, что в условиях устойчивой не равновесия эти модели не работают.

Для изучения закономерности сборки геосистем «снизу вверх» необходимо применять эвристические методы, например, ассоциативные комплекс нейронной сети и качественные и количественные методы теории динамических систем. Результативность и объективность «сборки» обеспечивается использованием предложенных параметров порядка самоорганизации, в данном случае, потенциальных и реальных геофизических характеристик и их векторных полей.

Потенциальные энергетические характеристики геоморфологических систем рассчитываются в авторской программе «San». Реальные термодинамические условия каждой геоморфологические системы могут быть интерпретированы через сравнительные оценки величин температуры воздуха, концентрации гумуса в почвах и биологических продуктивности природных геосистем и отображены векторными полями градиентов перечисленных величин.

Созданная структурная модель пространства интегрирует систему функционально взаимообусловленных эмпирически объективных системно-структурных единиц компонентов и геосистем, позволяет отображать пространственную энергетику взаимодействий, как по горизонтали, так и по вертикали трехмерного пространства, что обеспечивает объективное целеполагание исследований с применением соответствующих моделей теории динамических систем и интерпретацию результатов исследований, обеспеченную доказательной основой. Структурная системная модель пространства выводит на определение интегральных характеристик целого - параметров порядка процессов самоорганизации и самостоятельного формирования компонентов и геосистем, на сборку моделей геосистем «снизу вверх», что дает возможность построения эффективных моделей прогнозов. Цифровая модель географических систем разрабатывается в виде интегрированного территориального банка данных на примере модельной территории. Система включает систему управления базами данных (СУБД), поддерживающую пространственно-временную структуру данных, соответствующую логике научных географических представлений; полномасштабный ряд цифровых картографических материалов, цифровые модели местности, обеспечивающие трехмерное моделирование пространства; в дальнейшем базы знаний, соединяющие как формализуемые (логико-лингвистические модели, символьные вычисления), так и не формализуемые (в нейронных сетях) знания; экспертные модели знаний.

Платформой для создания системы служат открытое специализированное программное обеспечение, ориентированное на работу с пространственно-временной информацией системой управления объектно-реляционной базой данных (СУОРБД) PostgreSQL PostGIS и СУОРБД Oracle, включающая специальный модуль для работы с геометрическими объектами Spatial. географический ландшафтоведение рельеф

Объекты предметной области отображаются в пространстве с учетом топологических, геометрических и моделируемых семантических особенностей поведения. Для реализации возможности редактирования, анализа географических данных и визуализации построенной модели в центре интеллектуальных геоинформационных технологий Адыгейского госуниверситета разрабатывается программная платформа на базе авторского ядра OpenGISCore. OpenGISCore является средством разработки на C++, предоставляющим поддержку сетевой пространственной СУОРБД (PostgreSQL PostGIS) и дружественный графический интерфейс пользователя и другие сервисы, необходимые для создания кросс платформенной ГИС.

Банк данных, поддерживающий общую концепцию системы, предназначен для хранения информации, организации ее обработки и основывается на системе автономных, но взаимосвязанных геоинформационных моделей подсистем компонентов. Подсистемы представлены иерархией пространственных объектов, относительно которых происходит накопление/мониторинг тематической информации. Картографическая реализация результатов анализа координированных данных осуществляется средствами ГИС.

В процессе функционирования системы все многообразие входных данных - информация об объектах, их характеристиках, о формах и связях между объектами, различные описательные сведения - преобразуется в единую общую модель, хранимую в банке данных, который представляет собой информационное хранилище, отображающее структуру объектов реального мира и их взаимосвязи.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Цифровые представления реальности. Пространственный объект, картографическое представление. Типы пространственных объектов. Условный код или идентификатор. Топологические свойства объектов. Топология примыкания и пересечения. Классы двухмерных моделей.

    лекция [4,5 M], добавлен 10.10.2013

  • Цифровая модель рельефа как средство цифрового представления пространственных объектов в виде трёхмерных данных. История развития моделей, виды, методы их создания. Использование данных радарной топографической съемки (SRTM) при создании геоизображений.

    курсовая работа [2,8 M], добавлен 10.04.2012

  • Понятие геоинформационных систем, история их развития, сущность, отличительные особенности, задачи, основные функции, специфика использования в землеустройстве. Методика выполнения работ по составлению схемы землеустройства в среде Arc View GIS 3.2a.

    курсовая работа [23,8 K], добавлен 13.12.2009

  • Разновидности моделирования на базе данных геоинформационных систем. Особенности векторной топологической модели. Последовательности создания топологий и топологических слоев. Форматы построения линейных координат и сетей геокодирования, маршрутизации.

    презентация [96,2 K], добавлен 02.10.2013

  • Анализ применения цифровых моделей рельефа для определения морфометрических характеристик водосбора: площади, уклона, средней высоты. Используемое программное обеспечение для определения морфометрических и гидрографических характеристик водосбора.

    курсовая работа [2,7 M], добавлен 14.04.2015

  • Понятие пространственной цифровой фототриангуляции, основные методы и особенности. Краткая характеристика ЦФС «Фотомод» и технология построения блочной сети. Подбор оборудования и методики исследования. Точность построения блочной сети, анализ результатов

    курсовая работа [399,4 K], добавлен 28.05.2009

  • Обработка инженерно-геодезической информации для систем автоматизированного проектирования. Элементы цифровой модели местности. Построение продольного профиля тематического объекта на примере канализации. Создание чертежной цифровой модели местности.

    курсовая работа [5,5 M], добавлен 13.05.2019

  • Пространственные данные – ключ к успеху в нефтегазовой отрасли. Принципы построения географических информационных систем (ГИС) в нефтегазовой промышленности. Потребности нефтегазовой индустрии. ГИС для анализа ресурсной базы нефтегазовых компаний.

    контрольная работа [1,2 M], добавлен 12.05.2009

  • Основные функциональные возможности геоинформационных систем. Создание моделей пространственных данных. Процесс преобразования координат. Трансформация методом резинового листа. Подгонка границ и перенос атрибутов. Агрегирование пространственных данных.

    лекция [4,9 M], добавлен 10.10.2013

  • Обзор состояния топографической аэросъемки с использованием беспилотных летательных аппаратов. Измерение координат контрольных точек на ортофотопланах и цифровой модели местности автодороги. Анализ безопасности оператора при проведении камеральных работ.

    дипломная работа [5,5 M], добавлен 27.07.2015

  • Понятие, цели, задачи Единого государственного реестра недвижимости. Регистрация прав на недвижимое имущество. Средства получения данных геоинформационных систем при ведении ЕГРН. Процедура межевания земельного участка. Создание технического плана здания.

    дипломная работа [1,8 M], добавлен 13.10.2017

  • Анализ пространственного разрешения и масштаба картографирования. Характеристика константных и переменных состояний земной поверхности. Построение карт, отражающих свойства и пространственную структуру ландшафтного покрова территории. Полевое описание.

    презентация [3,9 M], добавлен 07.03.2013

  • Рассмотрение государственной геодезической и опорно-межевой сетей как основных способов определения координат. Описание создания съемочного обоснования с использованием электронного тахеометра для кадастровых съемок. Характеристика систем GPS и ГЛОНАСС.

    курсовая работа [434,2 K], добавлен 05.03.2010

  • Анализ состояния и перспектив внедрения земельных информационных систем в России. Принципы формирования современных информационных и геоинформационных систем. Современные методы сбора кадастровых данных, создания топографических и кадастровых карт.

    реферат [27,9 K], добавлен 14.12.2014

  • Основные характеристики водоносного горизонта. Главные составляющие математической модели подземных вод. Уравнения, описывающие их движение. Закон Дарси. Расчет гидравлической проводимости. Область применения пакета программного обеспечения MODFLOW.

    презентация [136,2 K], добавлен 16.10.2014

  • Рассмотрение распространенных способов определения величины вертикальных составляющих напряжений в массиве грунта. Общая характеристика способов постройки эпюры напряжений. Методы определения коэффициента активного давления грунта, этапы расчета осадки.

    задача [422,3 K], добавлен 24.05.2015

  • История развития методов определения возраста Земли. Методы восстановления физико-географической обстановки прошлых эпох и движений земной коры. Фациальный анализ морских и континентальных отложений. Анализ геологических и палеогеографических карт.

    реферат [22,8 K], добавлен 24.05.2010

  • Современная гравиметрическая съёмка и редукции аномалий силы тяжести; топографо-геодезическое обеспечение работ. Компьютерная технология определения поправок на влияние рельефа земной поверхности; линейные аппроксимации и повышение точности определения.

    статья [2,6 M], добавлен 22.04.2013

  • Методы построения статистических моделей при обработке гидрогеологической, инженерно-геологической и геоэкологической информации. Группировка данных, построение гистограмм и их анализ. Вычисление обобщенных статистических характеристик. Проверка гипотез.

    курсовая работа [152,0 K], добавлен 29.10.2014

  • Современные познания в области законов турбулентных течений. Корреляционные и структурные функции. Определение пространственных корреляционных и структурных функций по данным наблюдений. Характеристики приземного слоя. Спектр турбулентных пульсаций.

    курсовая работа [2,4 M], добавлен 26.12.2013

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.