Применение математико-картографического моделирования при решении гидрологических задач

Применение математико-картографического  моделирования при решении гидрологических  задач

В последнее время в гидрологии, как и в других областях естествознания, при внедрении компьютерных технологий для решения инженерных и научных  задач широко применяются математико-картографические методы моделирования.

Использование этих методов позволяет  прогнозировать важные, а порой и  опасные для жизни человека явления, такие как паводки, границы распространение  загрязняющих веществ и т.д. Также  с их помощью можно определять различные показатели продуктивности рыбных хозяйств, необходимые мелиоративные  работы, характеристики водного потока для гидроэнергетики и т.д.

В настоящее время моделирование  наиболее эффективно и целесообразно  проводить с использованием географических информационных систем (ГИС). В МКМ, как и в других областях науки, применение ГИС обусловлено одними и теми же основными свойствами.

ГИС - это информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, анализ, распространение  и визуализацию данных распределенных как в пространстве, так и во времени. ГИС интегрирует картографическую информацию, таблицы, аэро- и космические снимки, данные статистики, соцопросов и пр. в единой цифровой базе географических данных. ГИС-анализ представляет собой процесс поиска географических закономерностей в данных и взаимоотношений между пространственными объектами.

После сбора всей необходимой  информации для ГИС-анализа и  проведения исследований ее необходимо перевести в единую систему - базу геоданных. Это подразумевает под собой приведение к единой математической основе цифровых карт, космических снимков, данных GPS съемки, и интегрирование в ГИС-среду различных таблиц. Табличные данные информативны, но имеют один существенный недостаток для проведения географического анализа - они, в отличие от цифровых карт, напрямую не содержат информацию о пространственном положении объектов. После сбора и обработки всех исходных данных, нужно переходить непосредственно к решению исследовательских задач на основе ГИС-анализа.

Математико-картографическое моделирование позволяет рассчитывать значения какого-то показателя или  явления на всей исследуемой территории на основе дискретно распределенных данных. Для этого используются различные  методы геостатистического анализа, в основе которого лежит интерполяция, экстраполяция, аппроксимация данных и различные способы картографического изображения, которые основаны на классификации данных. Эта методика находит отражение, когда, например, строят псевдоизолинейную карту (поверхность плотности) распределения средневзвешенной цены 1 кв.м офисной недвижимости в городе. Моделирование позволяет на основе разных факторов осуществлять комплексную оценку территории для ее пригодности под определенные поставленные задачи, проводить районирование, ранжирование и кластеризацию. Моделирование на основе разновременных данных позволяет нам оценить динамику развития какого-либо явления и дать качественный прогноз.

Все геоинформационные системы применимо к гидрологии можно разделить на две основные группы: универсальные ГИС продукты (ArcGIS, MapInfo, ArcView и др.), которые используют специализированные программные модули и собственно гидрологические программы. Вот несколько примеров: StokStat 1.2 - программа для расчета статистических характеристик используемых в гидрологии; trans2.0 - программа расчета трансформации зарегулированного стока в нижнем бьефе гидроузла. Вычисления выполняются на основе метода Калинина - Милюкова; Прорыв - программа предназначена для расчета прохождения расходов воды на заданном расстоянии (в метрах) от плотины, на случай её прорыва; Эколог гидрорасчёты - программный комплекс, предназначенный для ведения баз данных по основным гидрологическим характеристикам и выполнения гидрологических расчетов с помощью прикладных программ комплекса и многие другие.

В результате ГИС-анализа  территории всегда получают серию качественных тематических карт, графиков и таблиц, которые доступны для понимания  и с легкостью дают ответы на поставленные вопросы исследования. Поэтому визуализации уделяют большое внимание. Карты  могут быть как двумерными, отражающими  какое-то явление или синтез разных показателей, так и трехмерными, представляющими собой 3D-виртуальную модель местности; как статическими, так и в виде анимации.

Географические информационные системы находят все более  широкое применение в гидрологии как для выполнения оперативных  расчетов и оценки водных ресурсов, так и для изучения гидрологического режима водных объектов. Многие проблемы сбора, обработки и интерпретации  данных, проектирования гидрологических  сетей и подготовки предложений  для принятия решений при широком  использовании ГИС-технологии и  персональных компьютеров могут  разрешаться легче и эффективнее, чем это было до сих пор в  гидрологической практике. Возможность  ГИС-технологии оперативно представлять на цифровых или бумажных картах водные объекты совместно с их гидрографическими характеристиками, гидрологическими постами и данными измерений позволяет оперативно проводить автоматизированный комплексный анализ и интерпретацию материалов наблюдений для получения подробной картины происходящих процессов.

В условиях регулярного сокращения числа гидрологических станций  и постов, как в России, так  и во многих регионах мира информация о детальных наблюдениях на сети либо отсутствует, либо недоступна. В  то же время существуют базы надежных цифровых географических и тематических данных. Используя эти базы, можно  получить необходимые данные для  расчета гидрологических характеристик.

ГИС-технологии используются практически для решения всех задач гидрологии.

Автоматизированное определение  границ водосбора является важнейшим  этапом. От правильности проведения границ зависит точность многих последующих  измерений и расчетов. Как правило, на большую часть рек России границы  водосборов уже определены и нанесены на схемы в соответствующих справочных изданиях. Особенно это важно для  равнинных территорий, где границы  водоразделов определены с низкой точностью. В любом случае перед началом  картометрических работ необходимо проверить точность нанесения водоразделов. ГИС-технология позволяет сделать  это с большой точностью и  в короткое время. Если векторная  граница региона или водосбора  уже имеется, она берется за основу, если нет, то определяется по цифровой карте.

Гидрологические станции  и посты изображаются на электронной  карте в виде соответствующих  внемасштабных условных знаков (символов). Несмотря на наличие в программном  обеспечении множества условных знаков для изображения различных  объектов на электронной карте, привычных  символов для традиционного изображения  гидрологических постов не существует. Поэтому был подготовлен проект палитры новых условных знаков, которыми, сохраняя традиционные начертания, можно  отобразить все разнообразие гидрологических  постов в зависимости от их ведомственной  принадлежности, предназначения и широкого спектра выполняемых на них наблюдений.

Определение длин линий (гидрологической  сети, дорог и др.) выполняется  с помощью набора команд, заложенных в программном обеспечении ГИС. Длина полилинии определяется как сумма длин всех входящих в нее отрезков. В частности, можно получить длину всей речной сети водосбора, каждого притока в отдельности или любого участка реки.

Измерение площадей (водосборов, озер, водохранилищ, ледников, болот, населенных пунктов и других объектов местности) также выполняется с помощью  специальных команд ГИС-программ. Одновременно определяются периметры этих объектов и их центры тяжести.

По данным длин и площадей рассчитываются густота речной или  дорожной сети, средний уклон реки и ее отдельных участков, залесенность, заболоченность, озерность и другие характеристики водосборов.

Многие ГИС-программы  имеют функции, позволяющие работать в трехмерном пространстве. С их помощью строятся цифровые модели рельефа  местности. По ним определяются средняя  высота водосбора, его уклон, площадь  с учетом рельефа, продольные и поперечные разрезы, объемы водных объектов.

Одной из наиболее интересных в научном и практическом плане  является задача расчета зон затопления при наводнениях и паводках. Необходимо не только рассчитать, но и отобразить на карте зоны затопления в зависимости  от уровней воды в контрольных  створах.

Основной способ определения  районов затопления в период паводка  заключается в построении наклонных  поверхностей, наиболее близко описывающих  зеркало поднявшейся воды, и в  дальнейшем определении линий пересечения  этих поверхностей с цифровой моделью местности.