Размещено на http://allbest.ru

МОДУЛЬ «ПАВОДОК» ГЕОПОРТАЛА ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ - ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СИТУАЦИЙ, СВЯЗАННЫХ С ПОЛОВОДЬЕМ, В НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТАХ

В.В. Хромых¹, Д. Накаяма², О.В. Хромых¹,

А.А. Чекина¹, Д.В. Филимонов¹

Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Россия¹

Токийский столичный университет, г. Токио, Япония²

Рассматривается создание информационной системы мониторинга экстремальных ситуаций, связанных с половодьем. Проведено геоинформационное картографирование зон затопления в населенных пунктах Томской области, расположенных на реках Обь и Томь. Использованы полевые и дистанционные методы исследований, а также методы геоинформационного картографирования, включая цифровое моделирование рельефа. Результаты работы используются в модуле «Паводок» Геопортала Томской области.

Ключевые слова: ГИС, дистанционное зондирование, БПЛА, цифровые модели рельефа, мониторинг, наводнения, геоинформационное картографирование, зоны затопления, геопортал.

мониторинг половодье геоинформационное картографирование рельеф

“FLOOD” APPLICATION OF THE TOMSK REGION GEOPORTAL - INFORMATION SYSTEM FOR MONITORING EXTREME SITUATIONS CAUSED BY FLOODS IN SETTLEMENTS

Khromykh V.V.¹, Nakayama D.², Khromykh O.V.¹, Chekina A.A.¹,

Filimonov D.V.¹

National Research Tomsk State University, Tomsk, Russia¹

Tokyo Metropolitan University, Tokyo, Japan²

Each year in Russia, thousands of settlements are at risk of flooding. The tragedy in the city of Tulun in the Irkutsk region in the summer of 2019 clearly indicated the relevance of creating systems for monitoring and forecasting flood zones during floods of different genesis. In 2015, work on the creation of the Tomsk Region Geoportal began at the National Research Tomsk State University, at the core of which lies the GIS for monitoring and forecasting the state of natural resources. There are several applications in this GIS: “Forest inventory”, “Fires”, “Flood”, “Wild plants”, “Infrastructure”, and etc. The main purpose of the “Flood” application is to monitor current water levels and flood zones in the settlements of the Tomsk Region, located within the Ob and Tom river valleys. Field research and remote sensing methods are used, as well as methods of GIS-mapping, including digital elevation modeling. Information about the water level at gauging stations enters the system daily in automatic mode. An automated calculation of water levels for all settlements between gauging stations is being conducted. The GIS-mapping of flood zones at different water levels is based on highly detailed digital elevation models (DEM) of river valleys. The main goal of this modeling in the “Flood” module is 3D-visualization of settlements, including houses, infrastructure and current water levels. For modeling flood zones in the Tom river valley, the DEM is being used, which has been constructed before. For settlements located within the Ob river valley, DEMs were built based on remote sensing data from UAVs. Processing of the obtained materials was carried out in the Agisoft PhotoScan software (Geoscan). Flood zone mapping was done in ArcGIS Spatial Analyst and 3D Analyst (ESRI Inc.) based on DEM. As a result, polygonal and linear layers of flood zones were created at different water levels. Also, a computer simulation of the flooding of the settlement in the online mode was carried out and the search for optimal ways to evacuate the population on the example of the Black River village in the vicinity of Tomsk. Developments of Japanese colleagues from Tokyo Metropolitan University were used. Using the ArcGIS Network Analyst and Spatial Analyst modules, a real-time flood simulation was created. The optimal evacuation routes for the population to the nearest points on the embankment of the Tomsk- Novosibirsk highway were calculated (five points in total). Calculations showed that already after 6 hours from the start of flooding, residents of more than a third of houses will not be able to independently reach the evacuation points. The authors see the further development of the “Flood” application of the Tomsk Region Geoportal in adding functions for short-term forecasting of water levels using a neural network based on data from the last two decades.

Keywords: GIS, remote sensing, UAV, digital elevation models, monitoring, flood, GIS-mapping, flood zones, geoportal.

Ежегодно в России тысячи населенных пунктов оказываются под угрозой затопления в период половодья. Трагедия в г. Тулуне Иркутской области летом 2019 г. явно обозначила актуальность создания систем мониторинга и прогнозирования зон затопления при половодьях разного генезиса. Но создание подобных систем значительно осложняется недостаточным количеством гидрологических постов, позволяющих иметь актуальную информацию об уровнях воды. Например, в Томской области на р. Обь всего 6 гидропостов, а населённых пунктов, подверженных затоплению, - около 40. В такой ситуации на помощь приходят методики компьютерного моделирования с использованием геоинформационных систем (ГИС) и данных дистанционного зондирования (ДДЗ).

Наш аналитический обзор существующих в России систем мониторинга и прогнозирования наводнений показал, что в основном преобладают методики, основанные на ДДЗ, полученных с космических систем [1-3]. Прежде всего, следует отметить специализированные приложения для мониторинга наводнений у основных поставщиков космических снимков - «Сканэкс» и «Совзонд». Также подобные разработки предлагают Роскосмос (в составе своего Геопортала), НИЦ «Планета» и Гидрометцентр [4]. «ГИС-Гидрология» базируется на использовании космических снимков с платформ «Landsat-8» и «Ресурс-П» [5]. В НИЦ «Планета» создан автоматизированный комплекс на основе космических ДДЗ - «Мониторинг паводковой обстановки» [6]. Активно разрабатываются и региональные системы мониторинга наводнений - например, «ГИС Амур» [7].

В 2015 г. в Национальном исследовательском Томском государственном университете началась работа по созданию Геопортала Томской области, в ядре которого лежит ГИС мониторинга и прогнозирования состояния природных ресурсов [8]. В составе ГИС несколько модулей: «Лесоустройство», «Пожары», «Паводок», «Дикоросы», «Инфраструктура» и др. Аппаратное обеспечение системы включает в себя оборудование, имеющееся в Региональном центре аэрокосмического мониторинга ТГУ и ЦОД ТГУ на базе суперкомпьютера СКИФ Cyberia ТГУ с пиковой производительностью более 100 Тфлопс. Для анализа геоданных используются АРМ на базе быстродействующих графических станций (Intel Core i7, RAM 64 Gb). Для хранения геоданных организована система хранения данных (СХД) объёмом 40 Тб на базе ЦОД ТГУ. Информационное обеспечение включает в себя ландшафтные, геоботанические, почвенные базы геоданных, разработанные в ТГУ [9], космические снимки высокого пространственного разрешения, имеющиеся в ТГУ и предоставляемые профильными департаментами администрации Томской области, материалы съёмок с БПЛА ТГУ Supercam S-250, цифровые материалы лесоустройства, предоставляемые Департаментом лесного хозяйства Томской области, данные информационных систем профильных департаментов администрации Томской области, в том числе информация о лесопользователях из системы «АВЕРС» (управление лесным фондом), а также оперативные метеоданные и ежесуточные данные об уровнях воды на гидропостах, предоставляемые МЧС Томской области. Программное обеспечение: полнофункциональный ГИС-пакет ArcGIS Server (ESRI Inc.), ПО для работы с результатами съёмок с БПЛА Agisoft PhotoScan (GeoScan), ПО для векторизации карт EasyTrace, а также открытое ПО Geoserver и SAGA.

Главным назначением модуля «Паводок» является мониторинг текущих уровней воды и зон затопления в населённых пунктах Томской области, расположенных, прежде всего, на крупнейших реках - Оби и Томи. Информация об уровне воды на гидропостах поступает в систему ежесуточно в автоматическом режиме. Далее идёт автоматизированный расчёт уровней воды (в балтийской системе высот) по всем населённым пунктам между гидропостами. Следует отметить, что для картографирования зон затопления используются не космические ДДЗ, а съёмки с БПЛА, что позволяет получить наиболее детальные изображения поверхности [10]. В основе геоинформационного моделирования зон затопления при разных уровнях воды лежат высокодетальные цифровые модели рельефа (ЦМР) речных долин, разработка которых ведётся на кафедре географии ТГУ с конца 1990-х гг. [11]. Главной целью такого моделирования в модуле «Паводок» является ЭБ-визуализация населённых пунктов, включая дома, объекты инфраструктуры и текущие уровни воды (рис. 1-2).

Для моделирования зон затопления в долине Томи используется цифровая модель рельефа долины, построенная ранее [12-14].

Рис. 1. 3D-модель с. Киреевск (ЦМР, драпированная ортофотопланом) с текущим уровнем воды

Рис. 2. Интерфейс модуля «Паводок» и 3D-модель с. Молчаново (ЦМР, драпированная ортофотопланом) с текущим уровнем воды

Рис. 3. Ортофотоплан г. Колпашево с зоной затопления при уровне воды +8 м относительно межени

Для населенных пунктов, расположенных в долине Оби, были построены ЦМР на основе съёмок с БПЛА (в сотрудничестве с АО «Томскгипрозем»). Такой подход позволяет очень точно определить границы затапливаемой области, а небольшой размер исследуемых территорий (несколько квадратных километров) и равнинный характер реки позволяют пренебречь падением уровня воды в продольном профиле русла. Для более протяженных участков речных долин необходимо получение цифровой модели относительных высот от уреза воды, что, например, возможно при работе с модулем Vertical Distance to Channel Network в открытом ПО SAGA [15].

Съёмка проводилась с БПЛА «ГЕОСКАН 201» и SuperCam S-250 осенью 2018 г. и весной 2019 г. с пространственным разрешением 0,04-0,05 м. Обработка полученных материалов была проведена в программе Agisoft PhotoScan (Geoscan). В результате в формате GeoTIFF были созданы цифровые модели местности (ЦММ). Для последующего морфометрического анализа с целью оптимизации компьютерной памяти для хранения моделей и сокращения времени расчётов пространственное разрешение полученных ЦММ было уменьшено до 0,5 м с помощью функции «Change Resolution» ArcGIS (ESRI Inc.). На основе полученных ортофотопланов в ПО EasyTrace (EasyTrace Group) и ArcGIS (ESRI Inc.) была проведена векторизация объектов гидрографии в пойме и на террасах р. Обь. В сентябре 2018 г. и июле 2019 г. были также проведены полевые экспедиционные работы с целью рекогносцировочного обследования состояния берегов и акватории р. Обь.

Рис. 4. Карта дер. Чёрная Речка (выделены дома с маломобильным населением)

При создании ЦМР из ЦММ было проведено маскирование домов и лесных массивов на ортофотопланах. Для коррекции растров также использовались инструменты «Условие», «Домен растра», «Геометрическое соединение» программного комплекса ArcGIS (ESRI Inc.).

Картографирование зон затопления производилось в ArcGIS Spatial Analyst и 3D Analyst (ESRI Inc.) на основе ЦМР. Для каждого уровня воды с помощью функции «Изолинии по значениям» ArcGIS Spatial Analyst создавался класс линейных пространственных объектов. В дальнейшем производилась автоматизированная и ручная генерализация линий границ зон затопления. Те векторные изолинии, которые приходились на крыши отдельных домов и верхушки деревьев (не попавших в «маски»), корректировались вручную. В итоге были созданы полигональные и линейные слои зон затопления при разных уровнях воды (рис. 3).

Рис. 5. Компьютерная симуляция затопления дер. Чёрная Речка и расчёт путей эвакуации населения

Ещё одной интересной задачей является компьютерная симуляция процесса затопления населённого пункта в онлайн-режиме и поиск оптимальных путей эвакуации населения. Данная задача была решена на примере дер. Чёрная Речка в окрестностях г. Томска с использованием методик японских коллег из Токийского столичного университета [16, 17]. На основе информации, полученной в МЧС (паспорт безопасности), в ArcGIS была создана база геоданных по всем домам дер. Чёрная Речка, включая маломобильное население (инвалиды, старики, дети) (рис. 4). С помощью модулей ArcGIS Network Analyst и Spatial Analyst была создана real-time симуляция затопления населённого пункта в течение 10 ч. В результате с помощью модели и базы геоданных по населению были рассчитаны оптимальные пути эвакуации населения до ближайших пунктов на насыпи автотрассы Томск - Новосибирск (всего пять пунктов). Расчёты показали, что уже спустя 6 ч после начала затопления жители более трети домов не смогут самостоятельно добраться до пунктов эвакуации (рис. 5).

Дальнейшее развитие модуля «Паводок» Геопортала Томской области авторы видят в добавлении функций краткосрочного прогноза уровней воды с использованием нейронной сети на основе данных последних двух десятилетий.

Данное научное исследование выполнено при поддержке Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (грант RFMEFI61419X0002), а также Программы повышения конкурентоспособности ТГУ (8.2.27.2019).

Размещено на Allbest.ru

ЛИТЕРАТУРА

1. Тарарин А.М. Опыт применения изображений Земли из космоса и ГИС-технологий // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. 2007. Т. 2, вып. 4. С. 340-344.

2. Алабян А.М., Зеленцов ВА., Крыленко И.Н. [и др.]. Оперативное прогнозирование наводнений на основе комплексного упреждающего моделирования и интеграции разнородных данных // Труды СПИИРАН. 2015. № 4 (41). С. 5-33.

3. Новаковский БА, Колесникова О.Н., Прасолова А.И., Пермяков Р.В. Геоинформационное моделирование наводнений по материалам космической съемки (на примере г. Бийска, Алтайский край) // Геоинформатика. 2015. № 1. С. 15-20.

4. Обзор деятельности Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) за 2017 год. М., 2018. 88 с.

5. Шагаев М.П. Оценка возможностей использования данных прибора MODIS для мониторинга паводковой обстановки на примере паводка на реке Чулым весной 2014 года // Интерэкспо Гео-Сибирь. Новосибирск : Изд-во СГУГиТ, 2017. Т. 10. С. 32-33.

6. Асмус В.В. Применение спутниковой информации для решения задач в области гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды / ФБГУ «Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии «Планета». М., 2017. 47 с.

7. ФроловА.В.,АсмусВ.В.,БорщС.В. [идр.]. «ГИС Амур»: система мониторинга, прогнозирования и раннего оповещения о наводнениях // Метеорология и гидрология. 2016. № 3. С. 5-21.

8. Демкин В.П., Хромых В.В., Березин А.Е. [и др.]. Высокопроизводительная геоинформационная система мониторинга и прогнозирования состояния природных объектов для решения научно-технических и образовательных задач / / Открытое и дистанционное образование. 2016. № 4 (64). С. 5-11.

9. Хромых В.В. ГИС экологического сопровождения инвестиционно-строительных проектов в нефтегазовой отрасли // ArcReview. 2002. № 1. С. 19-20.

10. Гагаринова О.В. Использование беспилотных летательных аппаратов в гидрологических исследованиях // Применение беспилотных летательных аппаратов в географических исследованиях. Иркутск : Изд-во Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2018. С. 51.

11. Хромых В.В. Учебные ГИС «Июс» и «Актру»: цифровые модели рельефа // ИнтерКарто. ИнтерГИС. 1998. Т. 4. С. 634-637.

12. Хромых В.В., Хромых О.В. Опыт автоматизированного морфометрического анализа долинных геосистем Нижнего Притомья на основе цифровой модели рельефа // Вестник Томского государственного университета. 2007. № 298. С. 208-210.

13. Хромых В.В., Хромых О.В. Морфометрический анализ долинных геосистем Нижнего Притомья // ArcReview. 2008. № 4. С. 6.

14. Khromykh V., Khromykh O. Analysis of spatial structure and dynamics of Tom Valley landscapes based on GIS, digital elevation model and Remote Sensing // Procedia - Social and Behavioral Sciences: Elsevier. 2014. № 120. P. 811-815.

15. Глотов АА.. Использование ЦМР для эффективного управления природопользованием // Геоматика. 2013. № 4. С. 32-36.

16. Nakayama D, Morinaga D., Matsuyama H. Evaluation of the Evacuation Route Availability Based on an Inundation Flow Simulation // Journal of Geography. 2008. № 117 (2). P. 424-438.

17. Nemoto Y, Nakayama D., Matsuyama H. Reevaluation of Shingen-tsutsumi based on inundation flow simulations with special focus on the flood control facilities along the Midai River // Geographical review of Japan. Series B. 2011. № 84. P. 553-571. Размещено на Allbest.ru