Математико-картографическое обеспечение геоинформационного моделирования геосистем и комплексов (на примере гидрологических)

Актуальность темы

В настоящее время становится традиционным использование методов комплексной обработки пространственной информации при проведении геоэкологических исследований. Как правило, это связано с применением геоинформационных технологий (ГИС-технологий), которые обладают большими возможностями анализа, комплексирования, моделирования и отражения исследуемых объектов и явлений по сравнению с традиционными способами.

Математико-картографическое моделирование, создание картографических и тематических баз данных, разработка и внедрение географических информационных систем (ГИС) различного иерархического уровня и территориального охвата невозможно без использования современных технологических решений. Их применение позволило вывести комплексное решение пространственных задач на качественно иной уровень. Это нашло свое отражение в работах: С. Н. Сербенюка, В. Г. Линник, A.B. Кошкарева, B.C. Тикунова, A.M. Берлянта, И. К. Лурье, В. И. Стурмана, С. Г. Яковченко, В. А. Жорова и др. [17, 43, 47, 49, 50, 92, 93, 94, 108, 110].

Сущность геоинформационных технологий и связанных с ними методов математико-картографического моделирования состоит в том, что с их помощью производится сбор и создание баз данных, ввод их в компьютерные системы, хранение, обработка и преобразование полученной информации с целью формирования возможных решений различных задач (чаще всего в картографической форме, либо в виде таблиц, графиков, текстов).

Проведение современных геоэкологических исследований невозможно без использования картографических материалов, которые особенно актуальны при комплексном подходе изучаемых проблем, в частности, при оценке водных ресурсов, определении гидрографических и морфометрических характеристик, пространственно-временного распределения гидрологических процессов и явлений.

Для определения основных гидрографических показателей водных объектов и их бассейнов, морфометрических характеристик озер и водохранилищ, визуальной оценки исследуемой территории используются топографические и тематические карты различных назначений и масштабов. Внедрение геоинформационных систем и технологий позволяет не только облегчить и автоматизировать работу, но и существенно расширить использование карт, которые, как отмечал В. Г. Глушков [13], содержат большой объем информации, необходимой для анализа гидрологического режима водных объектов. В этой связи использование ГИС для выполнения геоэкологических исследований является не только актуальным, но и перспективным.

Важно отметить необходимость современного развития методов математико-картографического моделирования геоэкологических процессов и явлений. В частности, методы непараметрического вероятностно-статистического подхода позволяют получить формальные выводы о наступлении существенных качественных изменений состояния водохранилищ, вызванных понижением его уровня. Применение математических моделей, оценка их параметров и функций распределения позволяют выполнить качественную классификацию объектов исследования, например, участков водохранилищ в зависимости от изменения их морфометрических особенностей при понижении уровня воды.

Важной проблемой является точность определения гидрографических и морфометрических характеристик водных объектов, напрямую связанная с особенностями создания цифровой модели местности и рельефа дна, в том числе с учетом перемещения зоны переменного подпора, площади обнажения и оценки объема донных отложений.

Объект исследования — региональные гидрологические геосистемы и комплексы.

Предмет исследования — теоретические принципы, методы и практические приемы обработки геоэкологической информации для создания математико-картографических моделей геосистем и комплексов (на примере гидрологических).

Цель работы. Разработка методов математико-картографического моделирования геосистем и комплексов регионального уровня (на примере гидрологических).

Основные задачи исследований.

— обобщить и углубить теоретико-методологические вопросы создания и использования региональных гидрологических геоинформационных систем для решения геоэкологических задач;

— разработать методы и практические способы обработки и пространственного анализа геоэкологической информации, представленной на картографической основе;

— создать программные модули по математико-картографической обработке геоэкологической, гидрографической и гидрологической информации;

— выявить средствами ГИС-технологий пространственно-временные отношения между тематическими характеристиками геосистем и комплексов (на примере гидрологических).

Методы исследования, использованные в работе. Теоретические методы исследования включают в себя системный анализ, математико-картографическое моделирование, геоинформационное картографирование, математическую статистику, а также машинное компьютерное моделирование и графику. Экспериментальные методы исследования заключались в проверке соответствия различных результатов математико-картографических моделей эмпирическим данным, статистической обработке полученных результатов, сравнении прогнозов с реальными изменениями исследуемых геосистем и комплексов.

Информационную базу составили следующие материалы:

• цифровые векторные карты (М 1:1 000 000, М 1:200 000) (Роскартография РФ);

• растровые карты (М 1:1 000 000, М 1:200 000, М 1:10 000);

• «Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши». Т. 1. Вып. 25. Бассейн реки Камы. Л., 1988;

• «Ресурсы поверхностных вод. Гидрологическая изученность». Т. 11. Средний Урал и Приуралье. Вып. 1. Кама;

• космические снимки территории Урала;

• тематические карты на территорию Пермского края и водосбора Боткинского водохранилища.

Личный вклад. Автором самостоятельно сформулированы цель и задачи диссертации, составлен план и программа исследования, выбраны и обоснованы методы исследования. Диссертант лично выполнил математическую и картографическую обработку пространственных и тематических данных, создал алгоритмы их обработки и реализовал программные модули, произвел анализ и обобщение полученных результатов. Подготовка к печати научных работ, отражающих результаты исследований, осуществлялась как самостоятельно, так и при участии соавторов.

Научная новизна.

• разработаны научно-обоснованные методы функционирования региональных гидрологических геоинформационых систем, направленных на решение геоэкологических задач;

• предложены новые методы математико-картографического моделирования, используемые при пространственном анализе геоэкологических процессов и явлений (на примере гидрологических);

• создана методика использования ГИС-технологий для исследования пространственных связей характеристик стока с его основными определяющими факторами;

• на основе геоинформационных технологий предложены методики определения и уточнения гидрографических, гидрологических характеристик рек, их бассейнов, а также морфометрических характеристик водохранилищ;

• впервые рассчитан ряд гидрографических и морфометрических характеристик гидрологических объектов территории бассейна Боткинского водохранилища.

На защиту выносятся следующие положения:

• теоретико-методологические основы создания и использования региональных гидрологических геоинформационных систем для решения геоэкологических задач;

• новые методы и практические способы обработки и пространственного анализа геоэкологической информации, представленной на картографической основе;

• программные модули по математико-картографической обработке геоэкологической, гидрографической и гидрологической информации;

• пространственно-временные отношения между тематическими характеристиками геосистем и комплексов (на примере гидрологических), выявленные средствами ГИС-технологий.

Практическая значимость работы.

Результаты исследований используются в работе Министерства природных ресурсов, лесного хозяйства и экологии, Министерства общественной безопасности, Министерства сельского хозяйства Пермского края, органов ГО и ЧС Пермского края, научных и проектных организациях:

• Научно-техническое обоснование и разработка программы «Предупреждение вредного воздействия вод и обеспечение безопасности ГТС на территории Пермского края» (2006 г.) (Краевая целевая программа принята законодательным собранием Пермского края в январе 2007 г.);

• «Информационное обеспечение органов государственной власти, органов местного самоуправления при принятии решений по обеспечению безопасности населения, предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного, техногенного и биолого-социального характера муниципальных образований Пермского края» (2007;2010 гг.);

• «Районирование территории Пермской области по степени риска возникновения чрезвычайных ситуаций природного и природно-техногенного характера с экологическими последствиями: районирование территориисоздание банка данных для геоинформационной системы органов государственной власти (ГИС ОГВ)» (2002;2007 гг.),.

• «Организация и проведение космического мониторинга прохождения паводка на территории Пермского края» (2007;2012 гг.).

Разработанные методы математико-картографического моделирования региональных гидрологических геосистем нашли свое отражение в следующих грантах Российского фонда фундаментальных исследований и Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы":

• «Гидрологическая ГИС (на примере бассейна Боткинского водохранилища)», № 02−07−90 225-в;

• «Исследование гидрологического режима крупных водохранилищ с использованием геоинформационных технологий (на примере камских)», № 04−05−96 051-р2004урала;

• «Гидрологическая ГИС водохранилищ (на примере камского каскада)», № 04−07−96 007-р2004уралв;

• «Анализ формирования пространственно-временной динамики зимнего стока рек в среде ГИС методами математико-картографического моделирования», № 07−05−1 077-а;

• «Технология комплексной оценки фитомассы сельскохозяйственных культур по данным дистанционного зондирования Земли», № 09−05−99 027-рофи;

• «Организация и проведение Международной конференции „ИнтерКарто-ИнтерГИС — 15“: Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт», № 09−05−6 042-г;

• «Комплексный подход в исследовании динамики процессов снеготаяния на водосборах рек», № 11−05−96 026-рурала;

• «Организация и проведение международной школы-семинара «Геоинформационное обеспечение модернизации России. Организационный, технологический и кадровый потенциал», № 11−05−6 087-г;

• «Прогнозирование интенсивности процессов снеготаяния методами геостатистического анализа (на примере бассейна Боткинского водохранилища)», № 11−05−96 026-рофи;

• «Комплексный подход в исследовании динамики процессов снеготаяния на водосборах рек», № 11−05−858-а;

• «Разработка технологии оперативного мониторинга и прогноза затопления территории при образовании ледового затора», № 4.В37.21.1891;

• «Влияние циклонической деятельности на условия формирования снежного покрова на Урале», № 2011 -1.2.1 -220−010−086.

Результаты исследований и материалы работы используются в Пермском государственном национальном исследовательском университете для проведения занятий по учебным курсам: «Введение в геоинформатику», «Геоинформатика», «Геоинформационные системы», а также включены в содержание 5 учебно-методических пособий: «Геоинформационные системы и технологии. Основные понятия, определения и опыт применения" — «Определение гидрографических характеристик водных объектов" — «Использование геоинформационных систем и технологий при решении пространственных задач" — «Геоинформатика" — «Геоинформационные системы».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на 38 научных конференциях и совещаниях: IV Международная конференция «Распознавание образов и анализ изображений» (Новосибирск, 1998) — Второй Всероссийский научный молодежный симпозиум «Безопасность биосферы — 98» (Свердловск, 1998) — Научно-практическая конференция «Гидрология Урала на рубеже веков» (Пермь, 1999) — VII Всероссийский форум «Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес. Образование» (Москва, 2000) — Международная научно-практическая конференция «Геоинформатика -2000» (Томск, 2000) — Международная научно-практическая конференция «География, общество, окружающая среда: развитие географии в странах Центральной и Восточной Европы» (Калининград, 2001) — Международная конференция «Интер-Карто VIII: ГИС для устойчивого развития территорий» (Санкт-Петербург, 2002) — Научная конференция по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды в государствах-участниках СНГ, посвященная 10-летию образования Межгосударственного совета по гидрометеорологии (Санкт-Петербург, 2002) — Международная научно-практическая конференция «География и регион» (Пермь, 2002) — IX Всероссийский форум «Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес. Образование» (Москва, 2002) — X Всероссийский форум «Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес. Образование» (Москва, 2003) — Международная конференция «Взаимодействие общества и окружающей среды в условиях глобальных и региональных изменений» (Барнаул, 2003) — XI Всероссийский форум «Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес. Образование». 2−8 июня 2004 (Москва, 2004) — Международная конференция «ИнтерКарто-ИнтерГИС — 10»: ГИС для устойчивого развития территорий. Международная конференция. 12−19 июля 2004. Владивосток (Россия), Чанчунь (КНР) — Международная выставка и научный конгресс «ГеоСибирь-2005» (Новосибирск, 2005) — Всероссийская научно-практическая конференция «Современные проблемы исследований водохранилищ» (Пермь, 2005) — XII Всероссийский форум.

Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес. Образование" (Москва, 2005). Международная выставка и научный конгресс «ГЕО-СИБИРЬ — 2006», 17−19 апреля 2006, НовосибирскXIV Всероссийский форум «Рынок геоинформатики в России. Современное состояние и перспективы развития». 05−07 июня 2007. МоскваМеждународная конференция Международная конференция «ИнтерКарто-ИнтерГИС — 13»: Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт. Ханты-Мансийск (Россия) — Иеллоунайф (Канада). 12−14 августа 2007 г.- 12-я Всероссийская учебно-практическая конференция «Организация, технологии и опыт ведения кадастровых работ». 13−15 ноября 2007. МоскваXV Всероссийский форум «Рынок геоинформатики в России. Современное состояние и перспективы развития». 3−5 июня 2008 г.- Международная конференция Международная конференция «ИнтерКарто-ИнтерГИС — 14″: Устойчивое развитие территорий: Теория ГИС и практический опыт» 24 июня — 1 июля 2008 г.- Межрегиональная научно-практическая конференция «Геоинформационное обеспечение пространственного развития Пермского края» 22−23 октября 2008 г.- «Рождественские чтения». Пермь. ПГУ. 5−6 января 2009 г.- Международная конференция Международная конференция «ИнтерКарто-ИнтерГИС — 15″: Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт. Sustainable development of territories: GIS theory and practice». 25 июня -3 июля 2009 г. ПермьРегиональная научная конференция «Историко-культурное наследие и информационно-коммуникационные технологии: сохранение и исследование». 13 ноября 2009 г.- II Межрегиональная научно-практическая конференция «Геоинформационное обеспечение пространственного развития Пермского края». 17−18 ноября 2009 г.- Межрегиональный конгресс «Комфортный город». Круглый стол «ГИС-технологии: управление урбанизированными территориями». 15 марта 2010 г.- XVII Всероссийский форум «Рынок геоинформатики в России. Современное состояние и перспективы развития». Калуга. 25−27 мая 2010 г.;

Международная конференция «ИнтерКарто-ИнтерГИС — 16»: Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт: Материалы международной конференции (Ростов-на Дону (Россия), Зальцбург (Австрия), 3−4 июля 2010 г.- III Межрегиональная научно-практическая конференция «Геоинформационное обеспечение пространственного развития Пермского края». 17−18 ноября 2010 г.- Международная научная конференция (19−21 мая 2011 г.) «Землеустройство: история и современность». Май. 2011 г.- Международный семинар «От наземной станции приема ДДЗ — к интеграции и сетевым решениям». 4−11 февраля 2011 г. Кемер. ТурцияВсероссийская школа-семинар «Использование данных дистанционного зондирования Земли в управлении лесными ресурсами». ПГУ. 15−16 февраля 2011 г.- Международная школа-семинар «Геоинформационное обеспечение модернизации России и стран СНГ. Организационный, технологический и кадровый потенциал». ПермьКазань — Саратов — Астрахань — Волгоград — Самара — Пермь. 25 сентября -9 октября 2011 г.- Международная конференция «ИнтерКарто-ИнтерГИС -17»: Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт: Материалы международной конференции. Барнаул (Россия), (Индонезия), декабрь 2011 г.- IV Межрегиональная научно-практическая конференция «Геоинформационное обеспечение пространственного развития Пермского края». 17−18 ноября 2011 г.- V Межрегиональная научно-практическая конференция «Геоинформационное обеспечение пространственного развития Пермского края». 14−15 ноября 2012 г.

Публикации. Автором опубликовано 113 работ. Из них по теме диссертации 60, в том числе монографий 4, статей 35 (11 в изданиях из перечня ВАК Министерства образования и науки РФ), материалов конференций и тезисов докладов 21. Имеются три свидетельства о государственной регистрации базы данных в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам: № 2 010 620 078 — Региональная гидрологическая ГИС «Бассейн Боткинского водохранилища», № 2 010 620 079 — Гидрологическая ГИС «Водохранилища камского каскада» от 1 февраля 2010 г. (в соавторстве с В.Г. Калининым) и № 2 011 620 638 — Геоинформационная система «Гидротехнические сооружения Пермского края» (ГИС ГТС «Пермского края») от 8 сентября 2011 г. (в соавторстве с Ю.Н. Шавниной), а также 8 свидетельств отраслевой разработки.

Структура и объем работы. Диссертация объемом 210 страниц машинописного текста состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 124 источника и 7 приложений. В ней содержится 67 рисунков и 24 таблицы.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. На основе геоинформационных технологий предложены методики определения и уточнения гидрографических, гидрологических характеристик рек, их бассейнов, а также морфометрических характеристик водохранилищ. Их основой явилось вычисление пространственных характеристик любого гидрологического объекта или явления. Так, например, в пределах любого бассейна появляется возможность расчета линейных' и площадных параметров объектов, причем, как суммарных значений, например, длины рек или площади, занятой озерами, так и с вычислением показателей каждого объекта и его доли от общего суммарного значения, что очень важно для исследований и расчетов речного стока, особенно по неизученным рекам.

Следующей важной функциональной особенностью созданной ГИС является возможность выделения глубоководной, мелководной и прибрежной зон и подзон в пределах какого-либо участка водохранилища и расчет их морфометрических характеристики. Определение этих таксонов выполняется по заданным пользователем критериям в виде значений глубин на их границах с последующим созданием векторных и растровых слоев, по которым вычисляются площади и пространственная статистика.

2. Разработаны методы математико-картографического моделирования для решения геоэкологических задач, связанных с формированием поверхностного стока, с учетом неоднородности информации о территории водосбора. С их помощью возможно не только создание карт распределения гидрологических процессов и явлений, построение изолиний с заданным шагом, но и выполнение пространственного корреляционного и регрессионного анализов. Предложено использование обобщенного интегрального показателя для оценки неоднородности формирования поверхностного стока, что дало возможность комплексного учета и степени влияния каждого фактора.

3. На основе непараметрического вероятностно-статистического подхода разработаны новые математико-картографическое модели качественных изменений водохранилищ при их сработке (в том числе не линейной). Проведенное моделирование позволяет оценить непараметрические функции распределения глубин и их параметры, а также строить графики функций распределения глубин. По этим результатам возможна классификация участков водохранилища в зависимости от изменения их морфометрических особенностей при понижении уровня воды. Эти изменения возникают из-за уменьшения площадей участков водохранилища покрытых водой, а также возможного появления отдельных замкнутых котловин (ям), не связанных с основной частью водохранилища.

4. Созданы алгоритмы геостатистического моделирования процесса сработки и обнаружения качественных изменений состояния водохранилищ на заданную величину, а также проведена оценка влияние сработки водохранилищ на условия зимовки и воспроизводства гидробионтов. Впервые для условий камских водохранилищ проведен расчет всех замкнутых котловин, образующихся в результате зимней сработки, где высока вероятность развития заморных явлений. Анализ полученных данных показывает, что на Камском водохранилище масштабы рассматриваемых явлений достаточно велики. Одним из вариантов решения проблемы является изменение в регламенте работы ГЭС. Так, при уменьшении амплитуды зимней сработки Камского водохранилища только на 1,5 м (до уровня.

102,5 м абс), количество ям, а также их суммарные площади и объемы сокращаются практически на 30%, что существенно улучшит условия зимовки гидробионтов на Камском водохранилище. Другим вариантом решения является прокапывание прорезей. Для условий Боткинского водохранилища эта проблема менее актуальна и объясняется небольшой «величиной зимней сработай в связи с положением в каскаде и соответствующим режимом регулирования.

5. Для всех бассейнов рек, на которых когда-либо велись наблюдения за стоком на территории водосбора Боткинского водохранилища, вычислены следующие характеристики: основные гидрографические показатели, площади с разными типами почв, закарстованность водосбора, антропогенная нагрузка на бассейны рек, а также впервые рассчитаны некоторые новые показатели и коэффициенты, определение которых традиционными методами крайне сложно или практически невозможно. При этом они играют далеко не последнюю роль в понимании ряда важнейших гидрологических процессов и явлений и позволяют, особенно при отсутствии данных наблюдений, косвенным путем получить важные гидрологические сведения.

6. Методами геоинформационных технологий проведена оценка мощности накопленных донных отложений и их пространственного распределения. Основой для решения задач, связанных с процессом сработай водоема и определением мощности отложений, послужило создание оптимальной цифровой модели рельефа дна водоема, построенной математико-картографическими методами на основе информации о состоянии территории до и после образования водоема. Для решения проблемы получения формальных выводов о процессе сработай на территории Нижнезырянского водохранилища с учетом понижения его уровня, реализован программный инструмент, позволяющий применить определенный статистический подход: моделировать сброс воды в водохранилище на заданный уровень с получением полигонального слоя, содержащего информацию о неосушенных и осушенных областях водохранилища с пространственной оценкой донных отложений.

7. Разработана геоинформационная модель, позволяющая проводить оценку развития неблагоприятной экологической ситуации, вызванной снижением уровня водохранилища. Прогноз изменения экологической ситуации при снижении уровня Нижнезырянского водохранилища, прежде всего, будет связан с изменением морфометрических характеристик водоема, перераспределением иловых отложений по площадям, их высыханием и воздействием образовавшийся пыли на прилегающие экосистемы, а также зарастанием ложа водохранилища и изменением наземных экосистем. После предполагаемого спуска воды в Нижнезырянском водохранилище ожидается увеличение площади мелководных зон (глубина менее 2 м) и начнется интенсивный снос осушенных донных отложений в оставшуюся часть водохранилища, что приведет к его обмелению и расширению мелководной зоны, а также к интенсивному размыву толщ накопленных донных отложений и формированию на осушившемся участке дна новых пойменно-русловых форм рельефа, соответствующих новым гидродинамическим условиям. Одновременно с эрозионным размывом на участке осушения неизбежно развитие дефляционных процессов, чему будет способствовать высыхание обнажающегося слоя донных отложений. Максимальный уровень пыления ожидается на втором этапе развития последствий сброса водобнажения поверхности отложений при отсутствии фитопродуцирования, т. е. в период, когда их поверхность просохнет до состояния пыления, но еще не будет покрыта растительностью. Процесс зарастания обнажающейся донной поверхности протекает с различной степенью интенсивности в зависимости от эдафического состояния грунтов, их пригодности для роста и развития зональных видов растительности. Однако формирующиеся наземные экосистемы недостаточно эффективны для стабилизации экологической обстановки в охранной зоне водохранилища, требующий коренной реконструкции, направленной на повышение фитопродукционных и водоохранно-защитных свойств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации рассмотрено математико-картографическое, алгоритмическое и программное обеспечение геоинформационного моделирования пространственно-временных геосистем и комплексов (на примере гидрологических). Математико-картографическое моделирование пространственно-временных геоэкологических процессов и явлений проводилось на основе топографических, гидрографических, гидрометеорологических, экологических и других тематических данных, характерных для территории Уральского Прикамья.