автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Компьютерная технология оценки зон затопления при наводнениях

Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова

На правах рукописи УДК 004.9+556.166

Вишневская Ирина Александровна

КОМПЬЮТЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОЦЕНКИ ЗОН ЗАТОПЛЕНИЯ ПРИ

НАВОДНЕНИЯХ

Специальность: 05.11.13 - приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2006

Работа выполнена в Государственном институте прикладной экологии

Научный руководитель

Ведущая организация

Официальные оппоненты

кандидат географических наук, старший научный сотрудник Мотовнлов Юрий Георгиевич Научно-производственное объединение «Тайфун»

доктор технических наук. Болтов Михаил Васильевич

кандидат технических наук, Щербаков Алексей Олегович

Защита состоится « 27 » декабря 2006 года в \ 1 часов на заседании диссертационного совета Д 327.008.01 в Институте прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова по адресу: 129128 г. Москва, Ростокинская ул., 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова

Автореферат разослан « 27 » ноября 2006 года

Ученый секретарь диссертационного < кандидат физико-математических наук ^'"Т) А.Г. Старкова

диссертационного совета Д 327.008.01

Актуальность работы. Из стихийных природных бедствий наводнения (затопление водой местности и населенных пунктов) по повторяемости явления, площади распространения и ежегодному материальному ущербу занимают первое место. Более того, в последние годы в мире отмечается рост числа н масштабов наводнений и связанных с ними социальных и экономических потерь. По оценкам МЧС России и МПР России в настоящее время ежегодный ущерб от наводнений достигает 50 млрд. рублей [Трутнев, 2006]. Как в настоящее время, так и в обозримом будущем, наводнения как стихийное бедствие не могут быть целиком предотвращены везде и всюду, их можно только ослабить, локализовать и при своевременном предупреждении свети к минимуму материальный ущерб.

Основными методами борьбы с наводнениями являются осуществление комплекса мер по предотвращению или смягчению последствий наводнений (строительство гидротехнических сооружений по регулированию стока, создание оградительных дамб и т.д.) и своевременное оповещение о возможности и масштабах наводнения. Для управления действиями по предотвращению нежелательного развития событий и преодолению последствий наводнений необходимо привлечение больших объемов разнородных данных, поступающих из различных., источников (картографическая, аэрокосмическая, гидрологическая информация), оперативная обработка и анализ этой информации, и представление ее в виде, обеспечивающем принятие решений в ограниченных временных рамках,

На современном этапе развитие программно-математических средств и информационных технологий сбора, обработки, анализа и отображения пространственных данных создает предпосылки для создания новых технологий по прогнозированию и оценке масштабов -наводнений, определению зон затопления для своевременного проведения комплекса неотложных мероприятий, направленных на снижение опасности наводнений и уменьшение их негативного воздействия на условия проживания населения и функционирование хозяйственных объектов. В России такие технологии объединены в рамках автоматизированной информационно-управляющей системы (АИУС) «Водные ресурсы», которая создается и функционирует в Федеральном агентстве водных ресурсов Министерства природных ресурсов Российской Федерации в целях информационного обеспечения федеральных и региональных подразделений для поддержки принятия решений по экологически безопасному управлению водными ресурсами речных бассейнов [Мотовияов и др., 2003]. Одним из элементов АИУС «Водные ресурсы» является компьютерная технология для оценки зон затопления при наводнениях на базе ШС-технологий.

Основная цель диссертационной работы состоит в~ разработке методических основ и компьютерных технологий для оценки зон затопления при наводнениях с использованием цифровых моделей рельефа, данных дистанционного зондирования Земли, цифровой картографической

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ

спг.л^оша

С-- й :горС- рг

информации и оперативной и прогностической информации о режиме водных объектов.

Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Выполнить анализ возможностей геоииформационных систем для решения задач, связанных с оценкой негативного воздействия вод при наводнениях,

2. Разработать методические и технологические приемы автоматизированной обработки комплекса разнородных данных из различных источников, необходимых для создания технологии моделирования зон затопления,

3. Разработать методику моделирования и компьютерную технологию для оценки зон затопления при наводнениях на базе ЩС-технологий с использованием космических снимков высокого пространственного разрешения,

4. Провести апробацию компьютерной технологии для оценки зон затопления на тестовых участках по архивным и оперативным данным,

5. Разработать методику и компьютерную технологию моделирования защитных противопаводочных гидротехнических сооружений,

6. Провести апробацию компьютерной технологии для моделирования защитных противопаводочных гидротехнических сооружений на тестовом участке по архивным данным,

7. Разработать технологические приемы оценки зон затопления, а также факторов, влияющих на формирование высоких половодий и дождевых паводков, на основе космических снимков среднего и низкого разрешения.

Исходные материалы и методы исследований. При проведении исследований в качестве исходных данных использовались цифровые изображения материалов панхроматической и спектрозональной космической съемки высокого, среднего и низкого пространственного разрешения, электронные топографические карты различных масштабов начиная от детальных планов поселков; цифровые модели рельефа различного пространственного разрешения, архивная, оперативная и прогностическая информация об уровенном режиме водных объектов.

При обработке, анализе и подготовке данных, а также для разработки компьютерных технологий моделирования зон затопления и противопаводочных гидротехнических сооружений использовались развитые функциональные и технологические возможности профессиональных ГИС -ARC/INFO, ArcView, ERDAS Imagine, а также специальное программирование в тех случаях, когда стандартные средства анализа, представляемые ГНС-технологиями, оказывались недостаточными для решеиия поставленных задач.

Практическая значимость работы. Разработанные компьютерные технологии предназначены для оперативного моделирования и оценки зон затопления населенных пунктов при угрозе наводнений, обусловленных так естественными факторами формирования стока, так и вызванных разрушением защитных гидротехнических сооружений. Результаты, полученные с помощью разработанных компьютерных технологий, могут служить информационной поддержкой принимающих решения лиц при выработке комплексов тех шш иных мероприятий по предупреждению и снижению негативных последствий наводнений.

Исследования по разработке компьютерных технологий проводились при информационной и технологической поддержке в рамках создания и внедрения в оперативную практику Федерального агентства водных ресурсов АЙУС «Водные ресурсы. Результаты оперативных расчетов и моделирования затопления ряда населенных пунктов в бассейне Волги с использованием компьютерной технологии оценки зон затопления использовались Федеральным агентством водных ресурсов в рамках заседаний Межведомственной оперативной группы (МОГ) по регулированию режимов работы водохранилищ Болжско-Камского каскада в периоды весеннего половодья 2004-2006 г. (справка о внедрении от 31.10.2006 г.). " Научная новизна работы заключается в:

• в новом современном подходе к решению водохозяйственных задач, выразившемся в создании компьютерных технологий моделирования зон затопления при наводнениях и защитных противопаводочных гидротехнических сооружений на основе анализа виртуальных трехмерных поверхностей средствами ГНС-технологий,

• обобщении опыта, систематизации результатов применения ГИС-технологий и разработке методики построения виртуальных трехмерных моделей местности с использованием растровой и векторной картографической информации, а также данных дистанционного зондирования Земли высокого разрешения,

• разработке технологической цепи, позволяющей выполнять оперативные расчеты зон затопления, проигрывать различные сценарии возведения противопаводочных гидротехнических сооружений с использованием всех имеющихся информационных ресурсов АИУС ((Водные ресурсы» для информационной поддержки принимающих решения лиц при выработке комплексов мероприятий по предупреждению н снижению негативных последствий наводнений,

Достоверность результатов. Достоверность выполненных разработок подтверждена путем сопоставления результатов компьютерного моделирования зон затопления населенных пунктов с крупномасштабными аэроснимками этих зон, с архивными данными и материалами экспедиционных обследований, а также в ходе опытных испытаний при

оперативном информационном обеспечении в рамках АИУС «Водные ресурсы».

Основные положсшш, выносимые на защиту:

1. методы, алгоритмы, компьютерные программы и практические приемы автоматизированной обработки цифровой картографической и аэрокосмической информации для построения и анализа виртуальных трехмерных моделей местности,

2. методы использования геоинформационных систем в качестве инструментария для моделирования и построения компьютерной технологии для оценки зон затопления при наводнениях,

3. методы использования геоинформационных систем в качестве инструментария для моделирования защитных противопаводочных гидротехнических сооружений.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всероссийском конгрессе работников водного хозяйства (Москва, 9-10 декабря 2003 года), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы исследований водохранилищ» (Пермь, 24-26 мая 2005 года), на Китайско-Российском форуме молодых ученых (КНР, Ченду, октябрь 2005 года), на 7 Международном конгрессе «Экватэк-2006» (Москва, 30 мая-2 июня 2006 года), Второй конференции молодых ученых национальных гидрометеорологических служб государств-участников СНГ (Москва, 2-3 октября 2006 года), на конференциях молодых ученых Института прикладной геофизики им. акад. Е.К. Федорова (2003) и Государственного института прикладной экологии (2004). Кроме того, результаты работы были представлены на Генеральных ассамблеях европейской ассоциации геофизических наук (General Assembly EGS) в 2005 и 2006 г.

По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 108 наименований. Вюпочаег 145 страниц текста, в том числе 50 рисунков и 8 таблиц.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю ЮХМотовилову, коллегам по работе С.Е,Беднаруку, Е.С.Дмитриеву, Н.ВЛСоваль, А.В.Мастрюковой, а также сотрудникам НИИ точного приборостроения Росавиакосмоса С.В.Герасимову и М.Е.Синькевичу за поддержку и конструктивную помощь при выполнении данной работы.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследований, отмечена ее научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе диссертации изложены результаты обзора и анализа возможностей геоинформационных систем (ГИС) для решения природоведческих задач и, в частности для задач, связанных с оценкой негативного воздействия вод при наводнениях. Рассматриваются основные положения и понятия, связанные с развитием геоинформационных технологий за рубежом и в отечественной практике. На основании этого анализа осуществлен выбор базовых ГИС-технологий для проведения исследований. Выполнен критический анализ работ в области моделирования зон затопления при наводнениях с использованием ГИС-технологий.

Под определением географической информационной системы (геоинформационной системы, ГИС) обычно понимают информационную систему (программно-аппаратный комплекс, компьютерная технология), обеспечивающую сбор, хранение, обработку, анализ, отображение и распространение пространственно-координированных данных

(пространственных данных) [Кошкарев, 1990; Тикунов, 1939].

Для создания технологии по оценке зон затопления при наводнениях необходимо было выбрать универсальную, наиболее развитую и распространенную ГИС. При выборе базовой ГИС были изучены возможности таких геоинформационных систем как Arclnfo, ArcView, Maplnfo, WinGis, ERDAS Imagine, а также российские продукты GeoDraw/ГеоГраф и «Панорама».

В результате сопоставления преимуществ и недостатков различных ГНС, выяснилось, что безусловным лидером на рынке геоинформатики является компания ESRI (Environmental System Research Institute, США) -разработчик и поставщик программного обеспечения ГИС ARC/INFO и ArcView. ГИС ArcView версии 3.2.а был выбран в качестве основной среды Для разработки компьютерной технологии оценки зон затопления. При разработке технологии оценки зон затопления были также использованы три дополнительных модуля: Spatial Analyst, 3D Analyst, Imagine Analysis.

В последние годы все более становится заметным прогресс в интеграции традиционных ГИС и технологий дистанционного зондирования. Наиболее известными программами обработки и тематического дешифрирования изображений являются ScanMaglc (Россия), ENVI (США), ER Mapper, Idrisi (растровая ГИС, Австралия) и ERDAS (США). Безусловными лидерами среди них являются две последние [Савинвых, Цветков, 2000].

ERDAS Imagine является лидирующим программным пакетом по обработке снимков, которое использует географическое сообщество. Для разработки технологии оценки зон затопления была выбрана

профессиональная комплектация Imagine Professional. Особое внимание при работе по созданию данной технологов было уделено модулю расширения Virtual GIS, основное назначение которого - обеспечить трехмерную визуализацию пространственных данных и дать пользователю возможность произвольно перемещаться в трехмерной сцене.

Методологическая база применения космических снимков и ГИС-технологий в задачах охраны окружающей среды изложена в работах отечественных и зарубежных ученых [Берлянт, 2001; Де Мерс, 1999; Книжников, Кравцова и др., 2004; Лурье, Косиков, 2003; Тикунов, Капралов и др., 2004;]. Среди примеров использования ГИС при мониторинге окружающей среды и чрезвычайных ситуациях молено выделить программный комплекс «Экстремум», созданный коллективом ФЦ ВНИИ ГО ЧС в кооперации с рядом организаций [Шахраманьян, 2003], систему по мониторингу и предупреждению чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, разработанную компанией «Транзас» из Санкт-Петербурга [Капралов и др., 2004], систему контроля техногенного воздействия на окружающую среду в Свердловской области [Петров, 2006], геоинформационную систему прогнозирования развития и .последствий чрезвычайных ситуаций в Республике Башкортостан [Павлов и др., 2000] и

др.

В рамках данной работы особый интерес представляют работы по геоинформационному моделированию в гидрологическом и гидротехническом аспектах. Это прежде всего ГИС-комплекс по оценке зон затопления с применением ГИС на Украине [Ищук, Карпенко, 2003], система поддержки принятия решений для прогноза катастрофических наводнений и оценки экономического ущерба, разработанная в Центре геоинформационных технологий Белорусского государственного университета по заказу МЧС РБ [Миропчик, Саечников, 2002], система мониторинга паводковой обстановки на территории Самарской области и выработки управленческих решений по ликвидации последствий паводков [Лукьянчикова и др.,2006], работы, выполняемые в рамках международного проекта «Волга-Рейн» по созданию на базе ГИС гидродинамических моделей участков долины Волги [Щербаков, Талызов, 2004], комплекс для прогнозирования масштабов затопления местности и характеристик волны прорыва при разрушении гидроузлов «Волна» [Краснощекое и др., 2004] и др.

В отличие от выполненных ранее исследований в настоящей работе при разработке технологии моделирования зон затопления при наводнениях учитываются возможности совместного использования современных ГИС с многочисленными модулями расширения, крупномасштабных электронных карт, данных дистанционного зондирования Земли высокого разрешения, оперативной и прогностической информации об уровенном режиме водных объектов.

Во второй главе рассмотрены методологические вопросы и технологические аспекты обработки комплекса первичных данных, необходимых для создания технологии моделирования зон затопления. В качестве тестовых участков для разработки и отладки этой технологии были выбраны территории следующих населенных пунктов (рис.1) Дубна, Елабуга, ИшимбаЙ, Кокшайск, Луховицы, Набережные Челны, Орел, Орск, Пермь, Самара, Стерлитамак, Усть-Лабинск.

При выборе тестовых участков принимались во внимание два обстоятельства:

• территории населенных пунктов расположены в низинных частях долин рек или водохранилищ и часто подвержены угрозе затопления во время прохождения весеннего половодья и в периоды дождевых паводков,

• территории населенных пунктов расположены нижних бьефах плотин гидроузлов Волжко-Камского каскада. А, как известно, плотины -подпорные гидротехнические сооружения являются дополнительным источником риска наводнений (волн прорыва) в результате аварий и катастроф.

Кроме того, при выборе тестовых участков учитывались также пожелания специалистов Федерального агентства водных ресурсов, в оперативном режиме осуществляющих регулирование Волжско-Камского каскада водохранилищ. Для выбранных населенных пунктов особую актуальность имеют своевременное прогнозирование, оповещение и эвакуация населения из районов вероятного затопления.

В качестве исходных данных при создании технологии моделирования зон затопления использовались следующие источники информации:

1. цифровые изображения материалов спектрозональной космической съемки с пространственным разрешением 2 м;

2. топографические карты масштаба 1:25 ООО;

3. векторные покрытия формата АгсЫо или $Ьр-файлы АгсУ^еи (крупномасштабные цифровые векторные карты).

4. цифровые модели рельефа;

5. информация об уровенном режиме водных объектов,

5 силу специфики поставленной задачи, связанной с оценкой зон затопления населенных пунктов (а также объектов, расположенных в этих пунктах) при наводнениях для разработки технологии в основном использовались снимки с космического аппарата «Комета» («Космос») с пространственным разрешением 2 м.

Отдельный раздел главы посвящен описанию технологической схемы и этапов предварительной и тематической обработки космоснимков, технологии совместной обработки панхроматических и снектрозоиальных снимков.

Другим видом данных, используемых при пострении технологии оценки зон затопления являются электронные карты. В работе при создании технологии оценки зон затопления цифровые векторные карты был» созданы на основе топографических карт масштаба 1:25 ООО.

Подготовленные векторные карты содержат следующие тематические слои: гидрография, населенные пункты, промышленные, сельскохозяйственные и социальпо-культурные объекты, дорожная сеть и дорожные сооружения, растительный покров, границы и ограждения.

Цифровая модель рельефа (ЦМР) или DEM (Digital Elevation Model) является одним из осповных источников данных при моделировании и

оперативном определении зон затопления при наводнениях. В качестве источника информации о высотном положении исходных опорных точек для создания ЦМР тестовых участков послужили топографические карга масштаба 1:25 ООО с высотой основного сечения горизонталями 2,5 м. При построении ЦМР были использованы значения основных и дополнительных горизонталей, отметки высот, урезов воды, а также все другие элементы для отображения элементов и форм рельефа (например, геодезические реперы, знаки оврагов или обрывов с указанием их глубины, искусственных форм рельефа). Таким образом, основой для построения ЦМР. стал набор нерегулярно расположенных точек.

И, наконец, еще одним видом данных, необходимых решения задач моделирования и оценки зон затопления при наводнениях является оперативная и прогностическая информация об уровнях вода водных объектов. В качестве источника получения таких данных использовались информационные и технологические ресурсы, созданные в рамках АИУС «Водные ресурсы».

Оперативная информация по уровням воды водных объектов задавалась из оперативной базы данных АИУС, где накапливаются ежедневные гидрологические данные с гидрологических постов, расположенных на реках, озерах и водохранилищах. В базу данных поступает информация с 1276 гидрологических постов.

Ожидаемый (прогностический) уровень воды в водных объектах рассчитывался с помощью информационно-моделирующего комплекса ECOMAG (ECOlogical Model for Applied Geophysics) [Мотовилов, 2004]. С начала 2002 г. в рамках создаваемой АИУС «Водные ресурсы» комплекс был задействован Федеральным агентством водных ресурсов для оперативных краткосрочных и долгосрочных сценарных гидрологических расчетов с целью обеспечения информационной поддержки принимающих решения лиц Росводресурсов по регулирования режимов работы каскада Волжско-Камских водохранилищ.

Третья глава посвящена описанию разработанной компьютерной технологии для моделирования зон затопления при наводнениях. Предложено два технологических способа оценки зон затопления. В первом случае для моделирования зон затопления был использован модуль Virtual GIS ERDAS Imagine. С помощью функциональных возможностей этого модуля можно интерактивно моделировать наводнения с отображением зон затопления и расчетом численных характеристик. Технологический процесс оценки прогнозируемых зон затопления состоит из следующих этапов: создание проекта трехмерной модели местности, создание слоя воды заданного уровня, визуальный анализ зон затопления, расчет характеристик затопления территории

Процесс создания трехмерной модели местности состоит из нескольких этапов. Во-первых, в Virtual GIS должна быть загружена цифровая модель рельефа (ЦМР). Далее в проект загружаются растровые данные -космические снимки или ортофотопланы. В последнюю очередь загружаются векторные спои формата покрытий Arclnfo или шейп-файлы ArcView. При создании трехмерных моделей моделируемых участков наиболее часто использовались векторные покрытия населенных пунктов, кварталов, озер, рек, дорог.

Для моделирования и проведения анализа зон затопления с помощью модуля Virtual GIS на трехмерной модели местности необходимо, прежде всего, создать слой воды. Создание слоя воды - основная процедура, позволяющая в дальнейшем осуществлять необходимые вычисления и визуальный анализ зон затопления при известных значениях уровней воды в водном объекте. Он устанавливается в зависимости от того, как развивается чрезвычайная ситуация, связанная с затоплением территории. При необходимости оперативного отслеживания ситуации, уровень воды берется из оперативной гидрологической базы АИУС «Водные ресурсы». Из этой базы выбирается ближайший к моделируемому участку пункт гидрологической сети. В случае, если необходимо оценить ситуацию с затоплением при угрозе наводнения, прогностическая информация об уровнях воды задается на основе результатов гидравлического моделирования по модели ECOMAG. Далее производится расчет зон затопления территории в виде оценки площади покрытой водой и объема между поверхностью рельефа и поверхностью воды. Примеры моделирования зон затопления для районов нижнего бьефа Камского водохранилища (г. Пермь) и г.Орск показаны на рисунках 2 иЗ. С 2004 г. расчеты зон зотоплеиия тестовых территорий во время прохождения весеннего половодья проводились в оперативном режиме по заданию Федерального агентства водных ресурсов, а также Камского бассейнового водного управления.

Virtual GIS позволяет имитировать пролет над моделью местности по заданному маршруту. При угрозе затопления местности виртуальный облет дает возможность оценить текущую обстановку не выезжая на место, в данном случае он и информативно, и экономически превосходит реальные облеты.

Другой способ моделирования зон затопления в период паводков может быть основан на анализе рельефа в трехмерном пространстве с применением дополнительных модулей ArcView - Spatial Analyst и 3D Analyst [Кряжев, 2003].

Для представления поверхностей в 3D Analyst используется два типа моделей: грид (регулярная) и TIN (нерегулярная). Для моделирования и расчета характеристик вероятных зон затопления в настоящей работе, как более экономичная и эффективная, использовалась нерегулярная

триангуляционная сеть TIN. Для каждого моделируемого участка созданные цифровые модели рельефа - грады - были преобразованы в модели UN.

Рис. 2. Сцена затопления района г.Пермь при отметке уровня воды в нижнем бьефе Камского водохранилища 93 м абс.

Рис. 3. Сцена затопления г.Орск при отметке уровня воды 137 м абс.

Чтобы воспроизвести более точную картину реальной местности и провести детальный анализ зон затопления, кроме модели рельефа TIN в 3D были подгружены такие векторные объекты как реки, озера, водохранилища, населенные пункты и кварталы, дороги и объекты промышленности. Кроме

векторных тем в ЗЭ вид подгружались и данные дистанционного зондирования Земли из космоса.

Для моделирования наводнений и оценок характеристик затопления необходимо построить наклонную плоскость, имитирующую поверхность воды. Для этого но урезам воды строятся поперечные сечения вдоль всего водного объекта. Затем из линий сечений создается наклонная плоскость. Построенная наклонная плоскость, имитирующая водную поверхность, является базовой для дальнейших расчетов площадей и объемов затопления территории. Имитировать наводнение можно изменением высоты «водной поверхности». С использованием данных об оперативных или расчетных уровнях воды в реке, вычисляется разница между текущим уровнем воды в водном объекте и значением уровня воды в меженный период. Эта разница прибавляется к установленному базовому значению высоты наклонной плоскости и строится новая наклонная плоскость. В зависимости от того, как и с какой скоростью будет подниматься уровень воды в реке, можно создать и необходимое количество таких плоскостей.

Чтобы вычислить площади затопления территории и объемы воды, поступившей на затопленную территорию, необходимо выполнить расчет объемов менаду двумя поверхностями: поверхностью, занятой теми или иными вышеперечисленными объектами и поверхностью воды.

На рисунке 4 приведен пример расчета площади затопления кварталов города Дубна при отметке уровня воды 114,89 м. Следует отметить, что данная цифра была получена от сотрудников Федерального агентства водных ресурсов, участвовавших в работе Межведомственной противопаводковой комиссии в 2004 году. Весной 2004 года в Дубне складывалась опасная паводковая обстановка и местным властям были необходимы оперативные данные о ходе развития ситуации.

\

Рис. 4. Расчет площади затопления кварталов г. Дубна

При наличии необходимых материалов - детальных планов местности, данных о переписи населения и других статистических материалов -возможна более детальная оценка зон затопления населенных пунктов. Так для территории поселка Кокшайск на трехмерную модель местности с плана-схемы поселка были нанесены дома и заведена база данных с их адресами, фамилиями ответственных квартиросъемщиков и количеством проживающих в них жителей. Чтобы узнать, какие дома лежат ниже заданной отметки уровня воды, с помощью конструктора запросов строится выражение запроса. Объекты, отвечающие установленным критериям подтопления, выделяются другим цветом. Затем осуществляется связка с базой данных по населению и выдается таблица с адресами подтопленных домов, фамилиями ответственных квартиросъемщиков и количеством проживающего в них населения (рис. 5).

Для калибровки модели затопления Кокшайска были использованы крупномасштабные аэроснимки затопления поселка, сделанные в периоды прохождения высоких весенних половодий. В результате визуального сравнения зон затопления, полученных путем моделирования и данных аэрофотосъемки можно сделать вывод о хорошей сходимости результатов расчетов с реальной ситуацией.

Рис. 5. Модель затопления Кокшайска при отметке уровня воды 57 м абс. и информация о населении в зоне затопления

Таким образом, разработанная информационная технология оценки и моделирования зон затопления при наводнениях с использованием цифровых моделей рельефа, данных дистанционного зондирования Земли, цифровой картографической информации, информации об уровнях воды в водных объектах и баз данных по населению позволяет с помощью ГИС-технологий моделировать паводкоопасные ситуации, устанавливать зоны затопления при различных уровнях высоких вод и наводнениях, что может быть полезным при выработке комплексов мероприятий по предупреждению и снижению негативных последствий наводнений.

В четвертой главе диссертации обосновывается необходимость, описаны этапы построения и результаты расчетов по конкретным объектам с использованием компьютерной технологии моделирования защитных гидротехнических сооружений. Оперативное сооружение на местности защитных ограждений является одним из способов экстренной защиты от паводнепий. В этом случае велика роль ГИС-моделирования и наглядного отображения информации об исследуемой чрезвычайной ситуации (затоплении территории), когда логика визуального восприятия различных

возможных сценариев защиты от наводнений помогает воссоздать целостную картину явления на местности и спланировать мероприятия по предотвращению негативных последствий от затопления.

Компьютерная технология моделирования защитных гидротехнических сооружений обеспечивает возможность решения следующих задач:

• Моделировать паводковый подъем воды на рельефе;

• Моделировать гидротехнические сооружения (оградительные дамбы) для защиты от паводков;

• Моделировать паводковый подъем воды и зоны затопления с учетом созданных моделей гидротехнических сооружений.

Для моделирования паводкового подъема воды с помощью языка программирования Avenue был создан инструмент ({Altitude» позволяющий имитировать, анализировать, визуализировать и рассчитывать площадь воды прибывающей из заданной точки и растекающейся по поверхности до достижения заданного уровня.

Для построения технологии моделирования защитных гидротехнических сооружений в виде насыпных дамб или плотин был создан инструмент «Damba» (программа на языке Avenue) позволяющий в автоматическом режиме модифицировать ЦМР с учетом трассы и характеристик моделируемых гидротехнических сооружений.

Процесс моделирования защитных насыпных дамб . состоит из следующих этапов:

• Задается трасса сооружения. Это может быть линия любой формы. Затем вдоль осевой линии дамбы строится контур, ширина которого соответствует ширине сооружения.

• Система координат сооружения привязывается к системе координат ЦМР.

• Задается высота сооружения.

• Для каждой точки внутри контура вычисляется величина превышения высоты сооружения над рельефом. Высота рельефа под сооружением берется из соответствующих узлов ЦМР.

• С помощью созданного инструмента «Damba» выполняется пересчет отметок высот рельефа в ячейках, соответствующих ячейкам сооружения и создается новая ЦМР, где отметки высот рельефа в ячейках, соответствующих ячейкам сооружения, изменятся на установленную высоту дамбы.

.Для контроля эффективности созданной модели защитного гидротехнического сооружения выполняется моделирование паводкового подъема воды с учетом созданной оградительной дамбы. Если в результате моделирования подъема воды не происходит затопления защищаемых областей (рис. б а), то считается, что модель защитного гидротехнического сооружения выбрана правильно, В противном случае модель' сооружения корректируется или строится заново (рис. 6 б).

а б

Рис. 6. Моделирование подъема воды с учетом созданной оградительной дамбы

Одной из причин, приводящей к возникновению наводнений, является разрушение дамб и плотин. Мероприятия по предотвращению наводнений, связанных с прорывом оградительных дамб, заключаются, прежде всего, в хорошо организованном профилактическом ремонте этих сооружений. Однако ответственным лицам, техническому персоналу, отвечающему за состояние дамб, местным жителям необходимо четко знать, что делать в случае аварии. В этнх целях разработана технология моделирования комплекса защитных гидротехнических мероприятий по ликвидации негативных последствий при угрозе прорыва дамб. Специалисты, принимающие решения, с помощью этой технологии могут проигрывать различные сценарии управления при угрозе возникновения чрезвычайной ситуации, планировать и проводить соответствующие мероприятия по противопаводковой защите.

Этапы и алгоритмы моделирования показаны на примере событий, связанных с затоплением Хатукайской долины в результате прорыва дамб при катастрофическом летнем наводнении в 2002 году. Хатукайская долина находится в Республике Адыгея и является частью поймы р. Кубань, расположенной на низком левом берегу между местом впадения реки Лаба в Кубань и Краснодарским водохранилищем. Долина с трех сторон обвалована дамбами.

В результате катастрофических ливней в период 20-23 июня 2002 г. на р. Кубань сформировался экстремально высокий дождевой паводок. Паводочная волна в результате сильной фильтрации н перелива через тело Лабинской дамбы вызвала се разрушение с образованием прорана в теле дамбы шириной порядка 40 м и глубиной не менее 3 м. Расход воды через проран оценивался на месте специалистами величиной не менее 200 ь?/с. Прорыв плотины послужил причиной последующего катастрофического затопления долины на площади около 40 км2 слоем воды от 1,5 до б м. Основной проран на Лабинской дамбе удалось ликвидировать только через несколько суток после начала работ. После ликвидации основного прорана было принято решение

об устройстве временного аварийного водослива в теле Восточной дамбы для отвода воды из долины в Краснодарское водохранилище.

Для моделирования затопления Хатукайской долины прежде всего был рассчитан приблизительный максимальный расход воды через Лабинский проран. Расчет проводился по формуле водослива с широким порогом с учетом геометрических характеристики Лабинского прорана (глубина 3 м, ширина 40 м):

Q = 035x^2¡xbxfí3/2

где b - ширина прорана, H - глубина прорана. В результате расчета по этой формуле максимальный расход воды в проране получился равным 322 м^/сек.

Моделирование событий, имитирующих затопление Хатукайской долины, проводилось с использованием модулей Spatial Analyst и 3D Analyst ГИС Arc View , а также ряда оригинальных программ - специализированных ГИС-инструментов, разработанных с помощью языка программирования Avenue.

Этапы моделирования сводились к следующему. На цифровой модели рельефа выбралось ближайшее к месту прорана в Лабинской дамбе понижение рельефа, имеющее минимальную отметку высоты (35,5 м), и моделировалось постепенное заполнение водой, поступающей из прорана, этого локального понижения. При достижении отметки 35,81 м в данном месте создается напорный уровень и вода по линиям тока начинает растекаться по поверхности, заполняя в начале соседние понижения рельефа, а затем затапливая территорию долины до отметки 36,5 м, пока не был ликвидирован проран в Лабинской дамбе (рис.7).

С помощью инструментов анализа поверхностей модуля 3D Analyst были проведены расчеты динамики площади (рис. 8) и уровня затопления Хатукайской долины во времени, а также динамическая картина пространственного развития ситуации. Из рисунка видно, что площадь затопления увеличивалась весьма значительными темпами и за 3 часа достигла значения 10 млн. м2. Резкие перегибы на кривой площади затопления во времени отражают структуру рельефа затапливаемой территории.

Осушение Хатукайской долины осуществлялось через сооружение аварийного водослива в Восточной дамбе, максимальный расход воды через который оценивался специалистами, работающими на месте, в 130 м3/сек.

Моделирование мероприятий по осушению Хатукайской долины проводилось следующим образом. С использованием значения расхода воды через аварийный водослив были рассчитаны объемы и площади осушаемой территории, а также время, за которое уровень воды вблизи аварийного водослива понизится до отметки 32,8м. Данная отметка на 0,5 м выше отметки нормального подпорного уровня воды в Краснодарском водохранилище. Оставшаяся вода из Хатукайской долины откачивалась насосами через насосную станцию в теле Восточной дамбы, и насосами, установленными МЧС России в районе сопряжения Кубанской и Лабинской дамбы, а также испарялась естественным путем.

По результатам вычислений были составлены графики и динамические карты, характеризующие процесс осушения долины.

Для оценки степени достоверности результатов моделирования с помощью разработанной ШС-технологин они были сопоставлены с оценками специалистов, работавших на месте ликвидации последствий затопления Хатукайской долины (таблица 1).

Таблица 1

Характеристики затопления Хатукайской долины

Фактические данные Модельные значения

Объем воды накопившейся в долине, млн.мЗ околоЮО-130 100,7

Затопленная площадь, кв. км около 40 41,5

Слой воды, м 1,5 -6 До 4,5

Максимальный расход воды через проран в Лабинской дамбе, мЗ/сек не менее 200 322

Время затопления долины более 3 суток 3,6 суток

Время осушения долины 2-3 недели 8,6 суток

Из таблицы видно, что расчетные значения по многим показателям достаточно близко соответствуют данным, полученным при оценке ситуации на месте.

Таким образом, с помощью разработанной технологии можно имитировать, анализировать и оценивать опасность и риски от наводнений, вызванных разрушением защитных гидротехнических сооружений, а также мероприятия по ликвидации негативного воздействия вод.

В пятой главе описаны технологические приемы оценки зон затопления на основе космических снимков среднего и низкого разрешения. Применение космических снимков низкого и среднего пространственного разрешения позволяет:

Рассчитать площадь заснежен ности речного бассейна, динамику

границы снежного покрова, зоны интенсивного снеготаяния.

Проследить развитие ледовой обстановки.

Определить районы, где существует риск наводнений.

Определить границы и площади затопления при различных уровнях

воды.

Оценить последствия наводнения.Для решения задач связанных с разработкой технологии моделирования и оценки зон затопления в данной работе использовались космические снимки с американского спутника TERRA с пространственным разрешением 250 м, российского космического аппарата «Метеор-ЗМ» с пространственным разрешением 35 м и данные канадского спутника Radarsat с разрешением от 9 до 100 м.

Методика цифровой обработки космических снимков дня выявления и оценки зон затопления включает в себя выбор фрагмента космического изображения, импортирование изображения, трансформирование снимка в проекцию карты масштаба 1:200°000 или 1:1000°000, совмещение трансформированного изображения с картой, использование методов классификации (без обучения), выделение на классифицированном изображении класса, соответствующего водным объектам, определение территорий, подверженных затоплению и подсчет затопленных площадей.

Для обработки материалов дистанционного зондирования Земли было использовано программное обеспечение ERDAS Imagine Professional Для географической привязки снимков использовались имеющиеся векторные карты масштабов 1:200 ООО и 1:1000000. Геометрическое трансформирование снимков было выполнено как задача трансформирования плоскости. При использовании этого метода создавался список опорных точек, и оценивалось их качество для дальнейшего использования этих опорных точек при координатной привязке снимка к карте или одного снимка к другому.

В качестве модели геометрической трансформации было выбрано преобразование полиномом первого порвдка. Источником данных для получения координат опорных точек послужили векторные слои форматов ArcView и Arclnfo. В качестве набора контрольных точек для привязки выбирались характерные, хорошо опознаваемые точки на снимке и на карте, в частности, изгибы береговой линии водоемов.

Следующий этап обработки снимков включает как визуальное дешифрирование и интерпретацию, так и цифровой анализ с применением статистических методов обработки.

Для оценки пространственного распределения,'' площади заснеженное™ и динамики границы снежного покрова в бассейнах рек и других водных объектов были использованы обзорные снимки с КА «Terra» за период с февраля по апрель 2003-2006 года. Дешифрирование снимков позволяет проследить отступание границы снега во время весеннего снеготаяния, зоны интенсивного снеготаяния, скорость отступания границы снежного покрова. Для сравнения точности определения границ снежного покрова и степени покрытия водосбора снегом по космоснимкам были использованы результаты построения полей снежного покрова по данным снегосъемок и расчетные поля снежного покрова с помощью модели ECOMAG. Необходимо отметить, что снегомерная съемка проводится 1 раз в 10 дней. Во время весеннего половодья данные о состоянии снежного покрова необходимы каждый день. Космические же снимки можно получать ежедневно. Поэтому по ним, в свою очередь, можно производить калибровку параметров модели ECOMAG, с помощью которой по метеорологическим характеристикам рассчитываются поля запасов воды в снежном покрове, основного фактора формирования весеннего половодья.

Для изучения ледовых явлений на водных объектах использовались снимки с КА «Метеор-ЗМ» с пространственным разрешением 35 м. Эти снимки позволяют количественно и качественно определять состояние ледового покрова на водных объектах, наличие ледовых заторов, их разрушение, очищение водных объектов ото льда и т.д. Такие проработки проводились на примере рек Северная Двина, Волга, акваториях Волгоградского, Иваньковского, Краснодарского и Куйбышевского водохранилищ.

Технология расчета площади зон затопления на основе космических снимков низкого пространственного разрешения была шработана на примере снимков с КА «Terra». С помощью функций ERDAS Imagine оценивалась площадь затопления долины Волги весной в периоды осуществления специализированного (рыбохозяйственного) попуска из Волгоградского водохранилища.

Технология оценки зон затопления состоит из нескольких этапов: выбора фрагмента космического изображения, разделения радиометрических каналов, выделения классов «паводковая вода» и «другие объекты», расчета площади затопленной территории.

Для оценки масштабов вредного воздействия высоких паводков и половодий, дальнейшего определения экономического ущерба дня сельхозугодий от этих стихийных бедствий важно выявить какие именно земли были подтоплены во время наводнеьия. Такая работа была проведена на основании дешифрирования космического снимка территории Краснодарского края, полученного с КА «Метеор-ЗМ» после прохождения катастрофического паводка 3 июля 2002 года. На основании автономной классификации были выделены зоны подвергавшиеся затоплению, участки в долинах рек Лаба н Кубань, где паводковые воды еще не успели сойти, переувлажненные участки территории и поля, подвергшиеся затоплению во время прохождения волны паводка.

Таким образом, разработанные технологии позволяют осуществлять гидрологический мониторинг на основе космических снимков низкого и среднего пространственного разрешения, начиная с оценки факторов формирования весенних половодий и паводков, фиксации развития наводнений и заканчивая оценкой их последствий.

• В заключении диссертации содержится концентрированное

изложение результатов исследования и решения задач, связанных с защищаемыми положениями и составляющих основное содержание работы:

1. Разработаны методы, алгоритмы, компьютерные программы и практические приемы автоматизированной обработки цифровой картографической и аэрокосмической информации для построения и анализа виртуальных трехмерных моделей местности;

2. Разработана методика моделирования и компьютерная технология для оценки зон затопления территорий населенных пунктов при

наводнениях на базе ГИС-технологий с использованием космических снимков высокого пространственного разрешения;

3. Выполнена адаптация компьютерной технологии для оценки зон затопления на тестовых участках в бассейне Волги и в районе г.Орск, расположенных в низинных частях долин рек или нижних бьефах водохранилищ, подверженных угрозе затопления . во время прохождения весеннего половодья, в периоды дождевых паводков или при форсированных сбросах воды из водохранилищ;

4. Валвдация результатов компьютерного моделирования зон затопления населенных пунктов проведена путем сопоставления с крупномасштабными аэроснимками этих территорий при экстремальных гидрологических условиях, с архивными данными и материалами экспедиционных обследований территорий, а также в ходе опытных испытаний при оперативном информационном обеспечении в рамках АИУС «Водные ресурсы»;

5. Разработана методика и компьютерная технология моделирования защитных противопаводочных гидротехнических сооружений, позволяющая проводить сценарные расчеты и «проигрывать» различные варианты сооружения противопаводочных гидротехнических сооружений для информационной поддержки принимающих решения лиц при выработке комплексов мероприятий по предупреждению и снижению негативных последствий наводнений;

6. Апробация компьютерной технологии для моделирования защитных противопаводочных гидротехнических сооружений выполнена по материалам натурных обследований во время прохождения катастрофического паводка в бассейне р.Кубань, вызвавшего разрушение защитных дамб и затопление Хатухайской долины.

7. Разработаны методики и технологические приемы для гидрологического мониторинга крупных территорий (оценки зон затопления речных долин, факторов, влияющих на формирование высоких половодий, последствий наводнений при прохождении дождевых паводков) на основе ГИС-технолошй и космических снимков среднего и низкого пространственного разрешения. Основные вопросы, рассмотренные в диссертации, освещены в

следующих опубликованных работах:

1. Вишневская И.А. Технология оценки зон затопления при паводках на основе космических снимков высокого разрешения/УПроблемы гелиогеофизики и охраны окружающей среды. Труды ИПГ,- 2004.-Вып. 82.-с.18б-191.

2. Вишневская И.А. Компьютерная технология моделирования защитных противопаводковых сооруженийШроблемы прикладной'экологии и гелиогеофизики. Труды ГИПЭ. - 2005 - с.47-52.

3. Вишневская И.А. Компьютерная технология оценки и прогноза зон затопления при наводнениях: Сборник выступлений Китайско-Российского форума молодых ученых. - г.Ченду (КНР), 2005 -с.169-174,

4. Вишневская И.А. Компьютерная технология оценки зон затопления на основе космических снимков среднего и низкого пространственного разрешения: Тезисы докладов второй конференции молодых ученых национальных гидрометслужб государств-участников СНГ. - М., 2006 -с.85.

5. Вишневская И.А. Адаптация технологии моделирования зон затопления на примере катастрофического наводнения в Хатукайской долине//50 лет-института прикладной геофизики имени академика Е.К, Федорова. Труды ИПГ. - 2006, - Вып.85. - стр. 124-132 (подписан в печать 29 сентября 2006 года)

6. Вишневская И,А. Геоинформационное моделирование противопаводочных гидротехнических сооружений при угрозе наводнений//Использование и охрана природных ресурсов в России, Информационно-аналитический бюллетень. - М.: НИА-Природа. - 2006.- №6 (в печати)

7. Вишневская И.А., Герасимов C.B., Синькевич М.Е. Моделирование затопления территории при наводнениях на основе космических снимков высокого разрешения: Тез. докл. Всероссийский конгресс работников водного хозяйства. - М., 2003. - с. 198-199.

8. Вишневская И.А., Мастрюкова A.B. Компьютерная технология моделирования зон затопления и защитных гидротехнических мероприятий при угрозе прорыва дамб: Тез. докл. Седьмой Международный конгресс «Вода: экология и технология» ЭКВАТЕК, ч.1. -М., 2006.-c.366.

9. Vishnevskaya I.A. Computer technology for an estimation of flooding zones It Geophysical Research Abstracts. - Volume 7 2005, General Assembly EGS, 2005 (http://www,cosis.net/abstracts/EGU05/08973/EGU05-J-08973 .pdf)

10. Vishnevskaya I.A., Mastryukova A.V. Computer technology for modeling flood protective waterworks // Geophysical Research Abstracts. - Vol. 8 2006 Genera) Assembly EGS, 2006 (http://www.cosis.net/abstracts/EGU06/00688/EGU06-A-00688.pdf)

Отпечатано в копицентре « СТ ПРИНТ » Москва, Ленинские горы, МГУ, I Гуманитарный корпус. www.storint.ru e-mail: zakaz@stprint.ru тел.: 939-33-38 Тираж 100 экз. Подписано в печать 23.11.2006 г.

Введение

1. Возможности геоннформационных систем для решения задач 8 оценки наводнении

1.4. Основные виды программного обеспечения, используемого для 18 обработки данных дистанционного зондирования

1.5. Опыт применения геоипформационных технологий для задач 22 моделирования и прогнозирования чрезвычайных ситуаций

2. Методика обработки исходных данных для моделирования зон 30 затопления

2.1, Характеристика экспериментальных участков для адаптации 30 компьютерной технологии оценки зон затопления

2.2. Технология обработки космических снимков высокого 35 пространственного разрешения

2.3 Цифровые крупномасштабные карты

2.4. Цифровая модель рельефа

2.5. Информация об уровепном режиме водных объектов

3. Компьютерная технология для оценки зон затопления

3.1 Моделирование затопления при помощи модуля Virtual GIS ERDAS 62 Imagine

3.2 Моделирование затопления при помощи модуля 3D Analyst ГИС 71 ArcView

4. Технология моделирования защитных гидротехнических 86 сооружений па основе цифровых моделей рельефа

4.1. Моделирование паводкового подъема воды

4.2. Моделирование защитных гидротехнических сооружений 89 (оградительных дамб)

4.3. Контроль моделирования гидротехнических сооружений

4.4. Технология моделирования комплекса защитных гидротехнических 92 мероприятий по ликвидации негативных последствий при угрозе прорыва дамб

1.1. Определение геоииформационной системы

1.2. Обзор развития геоинформационных систем

1.3. Выбор базовой ГИС

5. Технология оцепкн зон затопления па осповс космических снимков 103 среднего и ппзкого разрешения

5.1. Характеристики систем дистанционного зондирования Земли среднего 105 и низкого пространственного разрешения

5.2. Этапы компьютерной обработки космических снимков

5.3. Ландшафтное дешифрирование космических снимков

5.4. Методика и технология обработки космических снимков для решения 123 задач оценки зон затоплеиия

Актуальность работы. Из стихийных природных бедствий наводнения (затопление водой местности и населенных пунктов) по повторяемости явления, площади распространения и ежегодному материальному ущербу занимают первое место. Более того, в последние годы в мире отмечается рост числа и масштабов наводнений и связанных с ними социальных и экономических потерь. По оценкам МЧС России и МПР России в настоящее время ежегодный ущерб от наводнений достигает 50 млрд. рублей [Трутнев, 2006]. Как в настоящее время, так и в обозримом будущем, наводнения как стихийное бедствие не могут быть целиком предотвращены везде и всюду, их можно только ослабить, локализовать и при своевременном предупреждении свети к минимуму материальный ущерб.

Основными методами борьбы с наводнениями являются осуществление комплекса мер по предотвращению или смягчению последствий наводнений (строительство гидротехнических сооружений по регулированию стока, создание оградительных дамб и т.д.) и своевременное оповещение о возможности и масштабах наводнения.

Для управления действиями по предотвращению нежелательного развития событий и преодолению последствий наводнений необходимо привлечение больших объемов разнородных данных, поступающих из различных источников (картографическая, аэрокосмическая, гидрологическая информация), оперативная обработка и анализ этой информации, и представление ее в виде, обеспечивающем принятие решений в ограниченных временных рамках.

На современном этапе развитие программно-математических средств и информационных технологий сбора, обработки, анализа и отображения пространственных данных создаст предпосылки для создания новых технологий по прогнозированию и оценке масштабов наводнений, определению зон затопления для своевременного проведения комплекса неотложных мероприятий, направленных на снижение опасности наводнений и уменьшение негативного их воздействия на условия проживания населения и функционирование хозяйственных объектов. В России такие технологии объединены в рамках автоматизированной информационно-управляющей системы (АИУС) «Водные ресурсы», которая создается и функционирует в Федеральном агентстве водных ресурсов Министерства природных ресурсов Российской Федерации в целях информационного обеспечения федеральных и региональных подразделений для поддержки принятия решений по экологически безопасному управлению водными ресурсами речных бассейнов [Мотовилов и др., 2003]. Одним из элементов АИУС «Водные ресурсы» является компьютерная технология для оценки зон затопления при наводнениях на базе ГИС-техиологий.

Основная цель диссертационной работы состоит в разработке методических основ и компьютерных технологий для оценки зон затопления при наводнениях с использованием цифровых моделей рельефа, данных дистанционного зондирования Земли, цифровой картографической информации и оперативной и прогностической информации о режиме водных объектов.

Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Выполнить анализ возможностей геоипформационных систем для решения задач, связанных с оценкой негативного воздействия вод при наводнениях,

2. Разработать методические и технологические приемы автоматизированной обработки комплекса разнородных данных из различных источников, необходимых для создания технологии моделирования зон затопления,

3. Разработать методику моделирования и компьютерную технологию для оценки зон затопления при наводнениях на базе ГИС-технологий с использованием космических снимков высокого пространственного разрешения,

4. Провести апробацию компьютерной технологии для оценки зон затопления на тестовых участках по архивным и оперативным данным,

5. Разработать методику и компьютерную технологию моделирования защитных противопаводочных гидротехнических сооружений,

6. Провести апробацию компьютерной технологии для моделирования защитных противопаводочных гидротехнических сооружений на тестовом участке по архивным данным,

7. Разработать технологические приемы оценки зон затопления, а также факторов, влияющих на формирование высоких половодий и дождевых паводков, на основе космических снимков среднего и низкого разрешения.

Исходные материалы и методы исследований. При проведении исследований в качестве исходных данных использовались цифровые изображения материалов панхроматической и спектрозоналыюй космической съемки высокого, среднего и низкого пространственного разрешения, электронные топографические карты различных масштабов начиная от детальных планов поселков; цифровые модели рельефа различного пространственного разрешения, архивная, оперативная и прогностическая информация об уровенном режиме водных объектов.

При обработке, анализе и подготовке данных, а также для разработки компьютерных технологий моделирования зон затопления и противопаводочных гидротехнических сооружений использовались развитые функциональные и технологические возможности профессиональных ГИС - ARC/INFO, ArcView, ERDAS Imagine, а также специальное программирование в тех случаях, когда стандартные средства анализа, представляемые ГИС-техиологиями, оказывались недостаточными для решения поставленных задач.

Практическая значимость работы. Разработанные компьютерные технологии предназначены для оперативного моделирования и оценки зон затопления населенных пунктов при угрозе наводнений, обусловленных как естественными факторами формирования стока, так и вызванных разрушением защитных гидротехнических сооружений. Результаты, полученные с помощью разработанных компьютерных технологий, могут служить информационной поддержкой принимающих решения лиц при выработке комплексов тех или иных мероприятий по предупреждению и снижению негативных последствий наводнений.

Исследования по разработке компьютерных технологий проводились при информационной и технологической поддержке в рамках создания и внедрения в оперативную практику Федерального агентства водных ресурсов АИУС «Водные ресурсы» (тема базового проекта ВН-05 МПР России «Разработать методическую и нормативную базы для применения автоматизированной информационно-управляющей системы (АИУС) при решении задач ситуационного управления водными ресурсами на федеральном и бассейновом уровнях»). Результаты оперативных расчетов и моделирования затопления ряда населенных пунктов в бассейне Волги с использованием компьютерной технологии оценки зон затопления использовались Федеральным агентством водных ресурсов в рамках заседаний Межведомственной оперативной группы (МОГ) по регулированию режимов работы Волжско-Камского каскада водохранилищ в периоды весеннего половодья 2004-2006 г. (справка о внедрении от 31.10.2006 г.).

Научна» новизна работы заключается в:

• в новом современном подходе к решению водохозяйственных задач, выразившемся в создании компьютерных технологий моделирования зон затопления при наводнениях и защитных противопаводочных гидротехнических сооружений на основе анализа виртуальных трехмерных поверхностей средствами ГИС-технологий,

• обобщении опыта, систематизации результатов применения ГИС-технологий и разработке методики построения виртуальных трехмерных моделей местности с использованием растровой и векторной картографической информации, а также данных дистанционного зондирования Земли высокого разрешения, • разработке технологической цепи, позволяющей выполнять оперативные расчеты зон затопления, проигрывать различные сценарии сооружения противопаводочных гидротехнических сооружений с использованием всех имеющихся информационных ресурсов АИУС «Водные ресурсы» для информационной поддержки принимающих решения лиц при выработке комплексов мероприятий по предупреждению и снижению негативных последствий наводнений.

Достоверность результатов. Достоверность выполненных разработок подтверждена путем сопоставления результатов компьютерного моделирования зон затопления населенных пунктов с крупномасштабными аэроснимками этих зон, с архивными данными и материалами экспедиционных обследований, а также в ходе опытных испытаний при оперативном информационном обеспечении в рамках АИУС «Водные ресурсы».

Основные положения, выносимые па защиту:

1. методы, алгоритмы, компьютерные программы и практические приемы автоматизированной обработки цифровой картографической и аэрокосмической информации для построения и анализа виртуальных трехмерных моделей местности,

2. методы использования геоинформационных систем в качестве инструментария для моделирования и построения компьютерной технологии для оценки зон затопления при наводнениях,

3. методы использования геоинформационных систем в качестве инструментария для моделирования защитных противопаводочных гидротехнических сооружений. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всероссийском конгрессе работников водного хозяйства (Москва, 9-10 декабря 2003 года), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы исследований водохранилищ» (Пермь, 24-26 мая 2005 года), на Китайско-Российском форуме молодых ученых (КНР, Чепду, октябрь 2005 года), па 7 Международном конгрессе «Экватэк-2006» (Москва, 30 мая-2 июня 2006 года), Второй конференции молодых ученых национальных гидрометеорологических служб государств-участников СНГ (Москва, 2-3 октября 2006 года), на конференциях молодых ученых Института прикладной геофизики им. акад. Е.К. Федорова (2003) и Государственного института прикладной экологии (2004). Кроме того, результаты работы были представлены на Генеральных ассамблеях европейской ассоциации геофизических наук (General Assembly EGS) в 2005 и 2006 г. По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ.

1. ВОЗМОЖНОСТИ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОЦЕНКИ НАВОДНЕНИЙ

Несмотря на принимаемые меры, проблема прогнозирования и моделирования природных и техногенных катастроф в настоящее время является одной из самых важных и актуальных. В частности, опасность возникновеиия чрезвычайных ситуаций, связанных с затоплением территорий, остается очень высокой, продолжает увеличиваться количество пострадавших и экономический ущерб от наводнений.

В настоящее время без средств автоматизации не достичь высокого качества и скорости выполнения работ по моделированию и прогнозированию природных процессов и явлений, а также связанных с ними чрезвычайных ситуаций. В связи с развитием информационных технологий наступил период, когда нужно решать комплексные задачи по управлению половодьями и паводками для защиты населения и объектов экономики от наводнений с интеграцией разнородных информационных ресурсов из различных источников на основе общего, системного принципа. Идеально отвечают такой потребности геоипформациопные системы (ГИС). ГИС, с одной стороны, родственны системам управления базами данных (СУБД), а с другой - графическим пакетам, прежде всего системам автоматизированного проектирования (САПР). Они позволяют привязывать базы данных к графическим объектам, то есть данные к пространственному положению объектов. А задачи, связанные с прогнозированием и оценкой последствий чрезвычайных ситуаций, требуют именно такого подхода [Jackson, et al., 1980] Многие ГИС-аналитики утверждают, что до 80% информации, связанной с деятельностью человека, имеет пространственное распределение и, следовательно, лежит в области компетенции ГИС [Данилепко, 2006].

ГИС-технологии развиваются довольно давно, накоплен значительный опыт их использования. Однако вплоть до сравнительно недавнего времени их применение было возможно лишь на основе мощных и дорогих ЭВМ. Совершенствование вычислительной техники привело к тому, что все более широкие возможности ГИС-техпологий становятся доступны пользователям обычных персональных компьютеров.

1.1. Определение геоинформациоппой системы

Определение что такое геоинформационная система неоднозначно и дать его достаточно сложно.

До настоящего времени нет ГОСТа «Географические информационные системы. Термины и определения». При участии специалистов Государственного паучновнедренческого центра геоинформационных систем (Госгисцентра) и Института географии Российской Академии Наук (ИГ РАН) разработан лишь проект национального стандарта, в котором геоинформационная система определена как «информационная система, оперирующая пространственными данными» [http://www.gisa.ru]

В Толковом словаре по геоинформатике под редакцией А.М.Берлянта и А.В.Кошкарева дано следующее определение ГИС. «Географическая информационная система (gcographic(al) information system, GIS, spatial information system) - син. геоинформационная система, ГИС - информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно-координированных данных (пространственных данных). ГИС содержит данные о пространственных объектах в форме их цифровых представлений (векторных, растровых, квадротомическмх и иных), включает соответствующий задачам набор функциональных возможностей, в которых реализуются операции геоинформационных технологий, поддерживается программным, аппаратным, информационным, нормативно-правовым, кадровым и организационным обеспечением.» [Берлянт, Кошкарев, 1997; Геоинформатика.,1999].

А.В. Кошкарев дает и такое определение ГИС: это «аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных географических задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества» [Кошкарев, 1990].

Определение же B.C. Тикунова звучит следующим образом: «ГИС это интерактивные системы, способные реализовать сбор, систематизацию, хранение, обработку, оценку, отображение и распространение данных и как средство получения на их основе повой информации и знаний о пространственно-временных явлениях» Современные средства исследования системы «общество - природная среда» [Тикунов, 1989].

В литературе можно встретить следующие определения ГИС: это «реализованное с помощью автоматических средств (ЭВМ) хранилище системы знаний о территориальном аспекте взаимодействия природы и общества, а также программного обеспечения, моделирующего функции поиска, ввода, моделирования и др.» [Трофимов, Панасюк, 1984]

Географическая информационная система (Геоинформациопная система, ГИС) -информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно-координированных данных (пространственных данных). ГИС предназначены для решения научных и прикладных задач инвентаризации, анализа, оценки, прогноза и управления окружающей средой и территориальной организацией общества. Основу ГИС составляют автоматизированные картографические системы, а главными источниками информации служат различные геоизображепия» flntp://\v\v\v.glossary.ni].

Эксперты «ДАТА+» - международного дистрибьютора в России и странах СНГ фирм ESRI и Leica Geosystems дают свое определение географической информационной системы: «ГИС - это современная компьютерная технология для картирования и анализа объектов реального мира, а также событий, происходящих на пашей планете. Эта технология объединяет традиционные операции работы с базами данных, такими как запрос и статистачсский анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач, связанных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением главных факторов и причин, а также их возможных последствий, с планированием стратегических решений и текущих последствий предпринимаемых действий» [http://dataplus.ru].

1.2 Обзор развития геоинформационных систем

Геоинформационпые системы - явление повое, хотя сбор пространственных данных занятие столь же старое, как и занятие картографией. Можно сказать, что каждый атлас представляет собой одну из форм ГИС, т.к. содержит в себе множество разнообразных данных из разных источников. В 50-е годы прошлого века возникла практическая возможность создания эффективных ГИС благодаря появлению ЭВМ. Внедрение ЭВМ в повседневную практику позволило ускорить и сделать более гибким процесс сбора, отображения и анализа данных, а также обеспечило создание средств автоматического картографирования. [Coppock, Anderson, 1987]

Считается, что первая реально работающая ГИС (КГИС) появилась в Канаде более 40 лет назад, в начале 1960-х годов. Эта крупномасштабная ГИС развивается и поддерживается и в настоящее время. Она стала результатом осознанной потребности, когда политические деятели поняли ее способность связывать различные виды информации и осознали медлительность ручной обработки. Назначение ГИС Канады состояло в анализе многочисленных данных, накопленных Канадской службой земельного учета (Canada Land Inventory), которые бы использовались при разработке планов землеустройства больших площадей сельхозназначения. [Трифонова и др., 2005]

Существует и альтернативная версия, согласно которой, следы первой геоинформационной системы теряются в недрах Министерства обороны США, сотрудники которого использовали ГИС для точности попадания ракет. Так или иначе, но уже в начале 1970-х годов ГИС начали использоваться для вывода координатно-привязанных данных на экран монитора и для печати карт на бумаге.

Первые гсоипформациоппые системы позволили усовершенствовать процессы инвентаризации и анализа карт, благодаря первым ГИС появилась возможность хранения большого количества тематической и географической информации [Coppock, Anderson, 1987].

Позже стало разрабатываться специальное программное обеспечение для решения различных геоипформационных задач. В середине 1980-х гг. были созданы программные продукты для систем автоматизированного проектирования (САПР). С их помощью производилось автоматизированное составление карт.

В начале 1990-х годов появились интегрированные программные продукты и информационные системы, позволяющие осуществлять интеграцию различных видов информации. Начался новый этап в развитии ГИС как автоматизированной интегрироваиной информационной системы [Де Мерс, 1999; Кузнецов, Никитин, 1992]

Таким образом, в истории развития геоинформационных систем можно выделить четыре периода:

1. 1950-е - начало 1970-х годов - период исследования, первых крупных проектов и теоретической работы

2. начало 1970-х - начало 1980-х - период формирования государственных институтов в области ГИС, развития крупных проектов, поддерживаемых государством

3. начало 1980-х - середина 1990-х - развитие рынка ГИС, появление и развитие настольных ГИС, появление сетевых приложений, а также значительного числа непрофессиональных пользователей

4. конец 1980-х - настоящее время - начало формирования мировой геоипформациоппой инфраструктуры, повышается конкуренция среди производителей ГИС, начинают проводится конференции пользователей.

В нашей стране исследования в области ГИС начались двумя десятилетиями позже, чем на западе и до сих пор работы зачастую связаны с адаптацией зарубежного опыта.

Впервые в СССР ГИС обсуждались на научной конференции «Проблемы геоипформатики», проведенной Тартусским университетом в начале 1980-х годов. [Атрощенко, Толкач, 2003] Существенную роль в развитии геоинформатики в СССР сыграла Всесоюзная конференция «Автоматизация в тематической картографии», проведенная в МГУ в январе 1985 года.

1.3. Выбор базовой ГИС

В настоящее время ГИС - это индустрия, в которую вовлечены миллионы людей во всем мире. По ряду оценок в 2000 году общие продажи программного ГИС обеспечения превысили 1 млрд. долл. США, а с учетом сопутствующих программных и аппаратных средств рынок ГИС приближается к 10 млрд. [Основы геоинформатики., 2004]

Бурное распространение геоинформационных технологий привело к тому, что сегодня на российском рынке действует уже более 150 организаций и фирм, распространяющих программное обеспечение для ГИС-проектов [Родионов, Коровин, 2003].

Все ГИС можно разделить на пять основных классов:

1. Инструментальные ГИС. Такие ГИС предназначены для организации ввода информации (как картографической, так и атрибутивной), ее хранения, отработки сложных информационных запросов, решения пространственных аналитических задач, построения производных карт и схем и, наконец, для подготовки к выводу на твердый носитель оригинал-макетов картографической и схематической продукции. Как правило, инструментальные ГИС поддерживают работу, как с растровыми, так и с векторными изображениями, имеют встроенную базу данных для цифровой основы и атрибутивной информации или поддерживают для хранения атрибутивной информации одну из распространенных баз данных: Paradox, Access, Oracle и др.

2. ГИС-выоверы. Это программные продукты, обеспечивающие пользование созданными с помощью инструментальных ГИС базами данных. Как правило, ГИС-выоверы предоставляют пользователю крайне ограниченные возможности пополнения баз данных. Во все ГИС-выоверы включается инструментарий запросов к базам данных, которые выполняют операции позицирования и зуммирования картографических изображений.

3. Справочные картографические системы. Они сочетают в себе хранение и большинство возможных видов визуализации пространственно распределенной информации, содержат механизмы запросов по картографической и атрибутивной информации, но при этом существенно ограничивают возможности пользователя по дополнению встроенных баз данных.

4. Средства пространственного моделирования. Их задача - моделировать пространственное распределение различных параметров. Типичным является наличие инструментария, позволяющего проводить самые разнообразные вычисления над пространственными данными (сложение, умножение, вычисление производных и другие операции).

5. Специальные средства обработки и дешифрирования данных зондирования Земли. Сюда относятся пакеты обработки изображений, снабженные различным математическим аппаратом, позволяющим проводить операции со сканированными или записанными в цифровой форме снимками поверхности земли.

Выбор ГИС зависит от решаемых с их помощью задач. Для создания технологии по оценке зон затопления при наводнениях необходимо было выбрать наиболее развитую, универсальную и распространенную ГИС, сочетающую в себе все возможности вышеперечисленных классов геоинформационных систем. Т.е. система выбиралась по принципу «все в одном». Кроме того, была учтена возможность хорошей технической поддержки от производителя. В настоящее время на российском рынке функционируют около 20 ГИС, которые можно отнести к разряду полпофункциональных. Среди них -системы западного производства - MapInfo(CIIIA), WinGIS (Австрия), ArcGIS Arclnfo, ArcGIS ArcView(CUIA), AutodeskMap, GeoMedia(CLIJA) и другие, а также порядка десяти отечественных разработок, среди которых наиболее заметны GeoDraw/GeoGraph (ЦГИ ИГ АН), ГрафИп (НПО «Сибгеоинформатика»), «ИнГео» (ЦСИ «Интегро», Уфа), GeoLink (АОЗТ «СП «Гсолиик») [Скатерщиков, 1994; Программное обеспечение ESRI., 2002; Орлов, 2003]

При выборе базовой ГИС были изучены возможности таких ведущих геоинформационных систем как Arclnfo, ArcVievv, Maplnfo, WinGis, ERDAS Imagine, a также российские продукты GeoDraw/ГеоГраф и «Панорама». Сравнение возможностей данных ГИС и их цены позволили сделать следующие выводы.

Систему "GeoDravv/ГсоГраф" можно назвать самой популярной отечественной ГИС. Она разрабатывается с 1992 г. и имеет около 3000 инсталляций. Однако система имеет такие недостатки как медленная работа с растрами, разброс функций по вариантам программы (редактор - в одном, просмотр - в другом), отсутствие возможностей «что вижу, то печатаю» [http://igras.geonet.ru/igras/depart/cgi/vid.htm].

ГИС «Панорама» создана специалистами топографической службы ВС РФ. Система относится к разряду средних по уровню распространенности в России ГИС. Она включает в себя профессиональную ГИС «Карта 2005», векторизатор электронных карт, инструментальные средства разработки ГИС приложений для различных платформ, конверторы для обмена данными с другими ГИС и специализированные приложения [http://www.gisinfo.ru/]. Но при всех достоинствах данной системы необходимо отметить, что техническую поддержку к ней получить весьма сложно, а назвать открытой можно лишь с оговорками.

Система Maplnfo -универсальное и одно из наиболее распространенных средств для создания ГИС, обеспечения компьютерного картографирования и оперативного принятия решений. Одна из лучших геоипформационных программ по отношению возможности/цепа. Среди многих географических информационных систем Maplnfo отличается хорошо продуманным интерфейсом, оптимизированным набором функций для пользователя, удобной и понятной концепцией работы, как с картографическими, так и с семантическими данными. Язык MapBasic позволяет каждому пользователю построить свою ГИС, ориентированную па решение конкретных прикладных задач [http://www.esti-map.ru].

Среди недостатков системы - работа только с одиночными растрами без возможности трансформирования (трансформируется только вектор к растру), создать сплошное покрытие крайне трудно, а многослойное - невозможно.

WinGis простая п одновременно мощная, инструментальная система для картографирования, апатиза пространственных данных, создания производственных ГИС-проектов. Программа имеет в своем наборе широкие функциональные возможности для создания карт, для интеграции и обмена данными, для редактирования карт, для формирования запросов, а также инструментарий для высококачественного представления результатов [Мартыпенко и др., 1995]. Недостатки же системы считаются весьма существенными. Среди них невозможность подключить дигитайзер, отсутствие возможности импорта/экспорта данных некоторых форматов.

В результате изучения п сопоставления преимуществ и недостатков различных ГИС, выяснилось, что безусловным лидером на рынке геоинформатики является компания ESRI (Environmental System Research Institute , Институт исследований систем окружающей среды США) - разработчик и поставщик программного обеспечения ГИС ARC/INFO и Arc View. По всему миру используется более 500 ООО копий ArcView, и этот факт говорит о том, что этот программный продукт стал наиболее популярной в мире системой настольного картографирования и ГИС [Малышев, 1995].

Спектр возможных решений такими продуктами как ARC/INFO и ArcView покрывает потребности как отдельных (индивидуальных) пользователей, которым требуется быстро решим, относительно простые, стандартные ГИС задачи, так и нужды крупных организаций и целых отраслей при создании многопользовательских корпоративных систем.

Продукты компании ESRI - постоянно развивающиеся открытые программные средства, позволяющие развивать собственные приложения, способные наиболее эффективно решать иосктленные задачи, с использованием встроенных языков программирования. Программное обеспечение компании ESRI и форматы ARC/INFO и ArcView являются своеобразными международными эталонами ГИС (подобно продуктам Windows фирмы Microsoft среди других операционных сред). В настоящее время сотни организаций в России в системах Минприроды, МЧС, Минатома, РАН, РКА и других ведомств, а также региональные органы и коммерческие организации являются пользователями продукции компании ESRI.

Учитывая вышеперечисленные обстоятельства, в качестве основной среды для разработки компьютерной технологии оценки зон затопления был выбран ГИС-продукт ArcView версии 3.2.а.

1.3.1. ГИС ArcView

Это самый популярный и распространенный программный продукт ESRI. ArcView легок в освоении и может использоваться в различных сферах деятельности для визуализации, запроса и анализа любой пространственной информации. ArcView объединяет векторные, растровые, табличные данные в единую аналитическую систему. С помощью этого программного продукта можно создать и поддерживать собственную географическую базу данных: использовать данные других организаций, в том числе обращаться к серверным базам данных посредством SQL-запросов; проводить анализ и моделирование пространственных объектов и явлений; использовать растровые данные для анализа и отображения; связывать документы в режиме горячей связи; управлять картографическими проекциями, создавать высококачественные карты (интерактивные и печатные); настраивать функциональность системы под решение собственных задач с помощью встроенного языка программирования Avenue [ArcView GIS. Руководство пользователя].

Структура пакета состоит из базовой оболочки и набора внутренних и внешних модулей. Модули могут добавляться по мере необходимости, расширяя функциональность основного ядра. В стандартный комплект ArcView включены различные модули, среди которых можно выделить такие как Report Writer (Генератор отчетов). Gcoproccssing (Пространственные операции), Grid and Graticules (Координатная сетка), Legend Tool (Конструктор легенды), CAD Reader (поддержка для файлов AutoCAD (DWG, DXF) и MicroStalion (DGN)), Image Reader (поддерживает форматы IMAGINE, JPEG, MrSID, NITF, TIFF 6.0), Digitizer (позволяет производить ввод данных с дигитайзера), Projection Utility (дает возможность изменения параметров картографических проекции).

В базовый комплект включены средства программирования и создания своих приложений в среде Avenue. Avenue является средой пользовательской настройки и разработки программного обеспечения для ArcView [Avenue, 1997]. При помощи Avenue можно сделать более удобным практически любой аспект ArcView - от добавления новой кнопки и интерфейсе для запуска программ до создания больших специальных приложений.

В дополнение к базовому комплекту ArcView ГИС имеется широкий спектр дополнительных модулей, способных решать сложные аналитические задачи. При разработке технологии оценки зон затопления были использованы три дополнительных модуля: Spatial Analyst, 3D Analyst, Imagine Analyst [Кишипская, Лебедева, 2001].

Модуль Spatial Analyst предоставляет дополнительные возможности создания, отображения и анализа растроиых данных [МакКой, Джонстон, 2002]. При подключении этого модуля в ArcView G1S появляется возможность преобразовывать любую из векторных тем ArcView в растровый формат грид-темы, а затем использовать все доступные аналитические возможности грид-тем. Специальные функции позволяют моделировать поверхность по отдельным точечным данным, интерполируя изолинии, рассчитывая уклоны п экспозицию склонов полученной поверхности. В модуль включены функции статистического анализа грид-тем. Для сравнения нескольких гридов предоставляются функции их сравнения для определения минимума, максимума, среднего значения, преобладающего значения и т.п. Можно получить гистограммы распределения значений по ячейкам как по всей теме, так и в пределах произвольно обозначенного на карте района. Например, можно подсчитать количество ячеек зоны затопления (или их общую площадь) попадающих в различные виды землепользования (селитебная зона, сельскохозяйственные угодья и т.д.).

Функции математического анализа позволяют производить расчеты значений ячеек по одной или нескольким грпд-темам. Математические операторы включают четыре группы: арифметические, логические, сравнительные, бинарные действия. Кроме того доступны логарифмические, специальные математические, тригонометрические и степенные функции.

Функкин анализа соседства позволяют производить анализ окружения каждой ячейки по -'аданному числу соседей или в пределах определенного радиуса или зоны. С помощью vroi'i функции можно определить направление потока, например, воды, попадающей в ячейку. Гидрологические функции позволяют на основе грида поверхности рельефа выделить гидрологические водосборы и построить дренажную сеть разной подробное; н, оцепив порядок притоков, а также установить зоны одинаковой длины водных л; токов. Эти функции полезны, например, при оценке распространения загрязненп;: вод, оценки запасов вод, опасности наводнений.

Mo()v.v-> расширения ArcView 3D Analyst делает доступными многие функции трехмерного и перспективного отображения, моделирования и анализа поверхностей. Модуль вчлючаст в себя возможности создания и работы с триангуляционными нерегулярными сетями (TIN). TIN - это специфическая векторная топологическая модель данных, наиболее подходящая для отображения и моделирования поверхностей. В среде 3D Analys; имеются функции для создания и редактирования моделей TIN из существующих векторных тем ArcView. Модуль включает полностью интегрированные функции имализа данных грнд, а также создания трехмерных моделей, интерполируя координат;. Z с данных поверхностей. Особенно удобно использовать данный модуль для перспективного и трехмерного просмотра территории. С помощью специальных инструмент ов можно вращать, а также просматривать поверхность "в полете" над ней.

3D Analyst предоставляет широкий набор функциональных возможностей: построение TIN и грнд- поверхностей, построение трехмерных объектов, представление двухмерных изображений в виде трехмерных, наложение космоспимков па поверхность, интерактивные запросы к трехмерным изображениям, перспективное изображение поверхности, шенп-фанлов и снимков, интерполяция высот и построение профилей, построение изолиний, вычисление уклонов поверхностей и экспозиции склонов, расчет зон видимости, вычисление площадей и объемов выемок и многие другие функции [Введение ;; 3D Analyst, 2002].

Moo v. •■ ArcView limine Analysis разработай в результате сотрудничества ESRI и ERDAS [AreVicw Imagine Analyst. Руководство пользователя, 1996]. Модуль разработан специально для работы с данными дистанционного зондирования, которые сегодня являются одним из главных источников пополнения новой информацией пространен ;:енпых баз данных в геоипформациоппых системах. В модуле Image Analysis предусмотрены многочисленные функции обработки изображения, улучшающие его интерпретируемость. В частности, есть три уровня корректировки контраста, начиная от простейшего управления яркостью и контрастом до средств произвольного преобразования гистограммы яркостей изображения в каждом канале съемки независимо.

Еще одной особенностью модуля Image Analysis служит инструмент привязки (Align). Этот инструмент дает возможность привязать "сырое" изображение к базовой карте и при необходимости геометрически трансформировать его.

Для того чтобы извлечь важную картографическую и ресурсную информацию из изображений и се эффективно использовать, в Image Analysis введен ряд функций для выполнения основных видов анализа изображений: автоматическое дешифрирование объектов, автоматизированная классификация многозональных изображений, обнаружение изменений во времени.

Использование этого модуля расширяет возможности по использованию целого ряда общепринятых для данных дистанционного зондирования форматов, таких как Landsat, SPOT, 1RS-1C, Geo 111 F, а также форматов ERDAS Imagine *.IMG и ARC GRID. Таким образом, возникают возможности взаимообмена данными в этих форматах в модуле ArcView Image Analysis, а также между ArcView Spatial Analyst и ERDAS Iimagine.

Основные результаты исследования и решения задач, связанных с защищаемыми положениями и составляющих основное содержание работы, заключаются в следующем:

1. Разработаны методы, алгоритмы, компьютерные программы и практические приемы автоматизированной обработки цифровой картографической и аэрокосмической информации для построения и анализа виртуальных трехмерных моделей местности,

2. Разработана методика моделирования и компьютерная технология для оценки зон затопления территорий населенных пунктов при наводнениях на базе ГИС-технологий с использованием космических снимков высокого пространственного разрешения,

3. Выполнена адаптация компьютерной технологии для оценки зон затопления на тестовых участках в бассейне Волги и в районе г.Орск, расположенных в низинных частях долин рек или нижних бьефах водохранилищ, подверженных угрозе затопления во время прохождения весеннего половодья, в периоды дождевых паводков или при форсированных сбросах воды из водохранилищ,

4. Валидация результатов компьютерного моделирования зон затопления населенных пунктов проведена путем сопоставления с крупномасштабными аэроснимками этих территорий при экстремальных гидрологических условиях, с архивными данными и материалами экспедиционных обследований территорий, а также в ходе опытных испытаний при оперативном информационном обеспечении в рамках АИУС «Водные ресурсы»,

5. Разработана методика и компьютерная технология моделирования защитных противопаводочных гидротехнических сооружений, позволяющая проводить сценарные расчеты и «проигрывать» различные варианты сооружения противопаводочных гидротехнических сооружений для информационной поддержки принимающих решения лиц при выработке комплексов мероприятий по предупреждению и снижению негативных последствий наводнений.

6. Апробация компьютерной технологии для моделирования защитных противопаводочных гидротехнических сооружений выполнена по материалам натурных обследований во время прохождения катастрофического паводка в бассейне р.Кубапь, вызвавшего разрушение защитных дамб и затопление Хатукайской долины.

7. Разработаны методики и технологические приемы для гидрологического мониторинга крупных территорий (оценки зон затопления речных долин, факторов, влияющих на формирование высоких половодий, последствий наводнений при прохождении дождевых паводков) па основе ГИС-технологий и космических снимков среднего и низкого пространственного разрешения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Андреев В. Использование ГИС для оценки ущерба от затоплений в Приморском крае. Статья опубликована по адресу hUp://\vw\v.dataplus.ru/1.dustries/2MVD/FloodKr.htrn

2. Атрощепко О.А., Толкач И.В. Дистанционные методы зондирования лесов и геоинформационные системы в лесном хозяйстве. Минск. БГТУ, 2003

3. Аэрокосмические методы в социально-экономической географии. М.: Изд-во МГУ, 1989

4. Барышников Н.Б., Самусева Е.А. Системный подход к оценке сопротивлений речных русел. СПб.: РГГМИ. 1992. 79 с.

5. Беляков А.А. О принципах борьбы с наводнениями // Труды Академии проблем водохозяйственных наук. Вып. 9. Проблемы русловедения. М. 2003. С. 23-30

6. Берляпт A.M. Виртуальные геоизображения. М.: Научный мир, 2001. - 56с.

7. Биденко С.И. Геоинформационные системы поддержки принятия решений: Учебн. пособие. СПб.:ЛЭТИ, 2004: Изд-во ЛЭТИ- 35с.

8. Васильченко Г.В., Гриневич Л.Н. Опыт борьбы с наводнениями в СССР и задачи инженерной защиты от затоплений сельхозугодий в пойме р.Припяти. Проблемы Полесья. - Мн.: Наука и техника, 1984, Вып.9, с.20

9. Введение в 3D Analyst ESRI, 2002

10. Виноградов Б.В. Аэрокосмический мониторинг экосистем.- М.: Наука, 1984

11. Воробьев Ю.Л. Гражданская защита: эпцикл. слов. М.: ДЭКС-Пресс, 2005

12. Гендельман М.М. Опыт применения гидролого-морфологического анализа руслового процесса к размещению дамб обвалования на р. Дунае // Труды ГГИ. Вып. 216. 1974. С. 94-110.

13. Географические информационные системы. Обработка и анализ растровых изображений. М.: Дата+, 2002.- 112с.

14. Геоинформатика. Толковый словарь основных терминов / Под. ред. A.M. Берляпта и А.В. Кошкарева. М.: ГИС-Ассоциация, 1999

15. Гершензон В.Е. и др. Информационные технологии в управлении качеством среды обитания: Учебн. пособие для студ. Высш. Пед. Учеб. Заведен. М.: Издат. Центр «Академия», 2003. - 288с.

16. Гинко С.С. Катастрофы на берегах рек. Л.: Гидрометеоиздат. 1977. 128 с

17. Глотко А.В. Построение цифровой модели рельефа на участке Чебоксарского водохранилища между Нижегородским гидроузлом и Нижним Новгородом//

18. Природообустройство и рационалыюе природопользование необходимые условия социально-экономического развития России- Сборник научных трудов МГУП, Т.1, М, 2005

19. Гомозов О. А. Методы и технологии геометрической обработки космической видеоинформации от оптико-электронных систем высокого пространственного разрешения : Дне. канд. техн. наук : 05.13.01 Рязань , 2005

20. Гомолзин В.В., Щербенко Е.В., Епихин А.В., Бондарекв Д.А., Иванов В.В. Использование ERDAS IMAGINE в МЧС Роении для мониторинга паводковой обстановки в 1998 г. Статья опубликована по адресу http://www.dataplus.ru/industries/2MVD/ERDASMCHS.htm

21. Гохман В. Турция развивает Национальную систему быстрого реагирования // ArcReview № 2(37). М.:Дата+, 2006

22. Гречихцев А.В., Кузнецов О.В. Применение российских космических снимков высокого разрешения для изучения Земли и в геоинформатике //Геодезия и картография №4 2002, с.23-29

23. Де Мерс, Майкл Н. Географические информационные системы. Основы.: Пер. с английского.-М., Дата+, 1999

24. Джилл МакКой, Кевин Джонстон ArcGIS Spatial Analyst. Руководство пользователя -М.: Изд-во Дата+, 2002 216 с.

25. Зверев А.Т. Тематическое дешифрирование космических изображений //Геодезия и картография №4 2004, с.27-30

26. Иванов В. Три измерения ГИС. "Компьютерра" №46 (423) от 05 декабря 2001 года

27. Изображения Земли из космоса: примеры и применения: Научно-популярное издание М.: ИТЦ «СканЭкс», 2005.- 100 е.: илл. ISBN 5-9900 182-2-3 http://\\a\av.scanex.ni/ru/Jata/Applications Scannx-2005.pdF

28. Интернет-статья Даниленко А. Применение на предприятиях нефтегазовой отрасли геоинформационных систем с использованием данных ДЗЗ и технологии GPS. Статья опубликована по адресу http://www.priniet>ronp.ru/docs/ups.doc

29. Ищук А., Карпенко С. Роль ГИС в системе по чрезвычайным ситуациям Украины // ArcReview № 3 (26) М.: Дата+, 2003

30. Калинин Г.П., Курилова Ю.В. Космические методы в гидрологии.- JL, 1977.- 183с

31. Калинин В.Г., Пьянков С.В., Некоторые аспекты применения геоинформационных технологий в гидрологии // Метеорология и гидрология №2, 2000

32. Капралов Е.Г. и др Основы геоипформатики: Учебн. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности 013100 «Экология». В 2 кн. Кн.1. м.: Академия, 2004.- 346с.

33. Киенко Ю.П., Лукашевич Е.Л. Перспективные космические средства детального дистанционного зондирования Земли // Геодезия и картография №1 2002, с.3-5

34. Кишинская И., Лебедева Н. Дополнительные модули к настольным продуктам ArcGIS //ArcReview № 4(19). М.: Дата+, 2001

35. Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И. Аэрокосмические исследования динамики географических явлений. М., Изд-во Моск. ун-та, 1991.- 206 с.

36. Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И., Тутубалина О.В. Аэрокосмические методы географических исследований: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений/ М.: Изд. центр «Академия», 2004. - 336 с.

37. Королев Ю.К. Общая геоииформатика. -М.: СП "Дата+", 1998. -118 с

38. Кошкарев А.В. Картография и геоинформатика: пути взаимодействия. Изв. АН СССР, сер. геогр., 1990, N 1, с. 32

39. Краснощекое А.Н., Трифонова Т.А., Мищенко Н.В. Геоинформациопиые системы в экологии: Учебн. пособие / Владим. гос. уи-т. Владимир, 2004. 152 с.

40. Кряжев В.В. создание трехмерных моделей местности в среде ГИС ArcView Томск: Изд-во Томского университета, 2003 - 77с.

41. Куприянов В.В., Прокачева В.Г., Усачев В.Ф. Спутниковая информация в решении задач гидрологии суши// Аэрокосмические методы в исследовании окружающей среды. Сборник научных трудов. Л., изд. ГО СССР, 1980. -стр.3-16

42. Лабутина И.А. Дешифрирование аэрокосмических снимков: Учеб. пособие для студентов вузов. М.: Аспект Пресс, 2004. - 184 с.

43. Лукьянчикова О.Г., Васильчиков Ф.Ю., Ульянкииа Л.К. Геоинформационная система гидрологического назначения Самарской области // ArcReview № 1(36) М.: Дата+, 2006

44. Лурье И.К., Косиков А.Г. Теория и практика цифровой обработки изображений. Дистанционное зондирование и географические информационные системы: Учебн. пособие. -М.: Научный мир, 2003.- 168с

45. Малышев С.В. ГИС-технологии компании ESRI // Муниципальные геоинформационные системы: Матер, конф.- Обнинск. 1995. -С. 15-16

46. Мартыненко А.И., Бугаевский Ю.А., Шибалов С.И., Фадеев В.А. Основы ГИС: теория и практика. WINGIS руководство пользователя. Изд. 2-е./ М.: Изд-во Инженерная экология, 1995

47. Миропчик В.М., Саечников В.А. Прогноз уровня затопления и экономического ущерба в пойме рек на основе ArcView // ArcReview №1 (20) М.:Дата+, 2002

48. Мотовилов Ю.Г. Информационно-моделирующий комплекс ECOMAG для моделирования речных баасейпов. VI Всероссийский гидрологический съезд. Тезисы докладов. Секция 5. СП., Гидрометеоиздат, 2004

49. Мотовилов Ю.Г., Дмитриев Е.С., Беднарук С.Е., Герасимов С.В., Егоров В.М. Автоматизированная информационно-управляющая система (АИУС) «Водные ресурсы»//Водные ресурсы. Проблемы и пути их решения. Материалы «Круглого стола» Йошкар-Ола, 2003. - с. 17-40

50. Наумов С.В. Виртуальные миры ERDAS Imagine: перспектива и перспективы. ArcReview, №3 (34). М.: Дата+, 2005.

51. Основы геоинформатики: В 2 кн. Учебное пособие для студ вузов/ Е.Г. Капралов, А.В. Кошкарев, B.C. Тикунов и др.; Под ред. B.C. Тикунова. М.: Издательский центр «Академия», 2004

52. Павлов С.В., Багмапов В.Х., Васильев А.Н., Гвоздев В.Е., Хамитов Р.З, Ямалов И.У. Геоинформационная система оценки, моделирования и прогнозирования чрезвычайных ситуаций в Республике Башкортостан // ArcReview № 4(15) М.: Дата+, 2000

53. Пермитина Л.И., Куревлева Т.Г., Степанов И.В., Емельянов К.С., Коршунов А.П Оперативный спутниковый мониторинг состояния окружающей среды и землепользоваиия//Агс11еу1е\у №3 (24)2005

54. Петров В.Я. Гис для контроля за техногенным воздействием на окружающую среду Свердловской области. Статья опубликована по адресу http://www.dataplus.ru/Industries/13Ecolog/gissver.htm

55. Программное обеспечение ESRI: Взгляд вперед. По статье в ArcNews, зима 2001-2002г.г. (http://www.esri.com/arconline)

56. Романкевич Г.Н., Резепов И.О., Черногорский А. Синтезирование материалов многозональной космической съемки для целей тематического картографирования. Геодезия и картография, 1985, №4, с. 28-36.

57. Савинпых В.П., Бугаевский Л.М., Малинников В.А. Преобразование космических снимков в заданную картографическую проекцию //Геодезия и картография №4 2004, с.30-32

58. Савиных В.П., Цветков В.Я. Интеграция ГИС и систем дистанционного зондирования // Исследование Земли из космоса, 2000 №2, с.83-86

59. Сборник упражнений по работе с ERDAS IMAGINE М.: Дата+, 2000

60. Скворцов А.В. Триангуляция Делоне и ее применение.- Томск.: Томский гос. ун-т.-2002

61. Создание цифровых моделей рельефа (ЦМР) для выделенных районов Волжского бассейна. Отчет по НИР М.: НПФ «ИнфоСистем-35», 2004. -63с.

62. Трифонова Т.А., Мищенко Н.В., Краснощеков А.Н. Геоииформациоипые системы и дистанционное зондирование в экологических исследованиях: Учебн. пособие для вузов. М.: Академический проект, 2005. -325с.

63. Трофимов A.M., Панасюк М.В. Геоинформационные системы и проблемы управления окружающей средой. Казань, изд-во Казанского ун-та, 1984, 142 с.

64. Трутпев Ю.П. Доклад на заседании правительства РФ 12 октября 2006г. -http://www.abnews.ru/index.php?newsid=41769&rub=40&page=l

65. Фрумкин Ю.М. Первый спутник разведчик - журнал «Авиация и космонавтика» №3,1993 г., с.41-42.

66. Цветков В.Я. Координатные системы в геоинформатике. Справ, пособие. Гос. научно-исслед. Ин-т информационных образовательных технологий. М.: МАКСПресс, 2005

67. Чугаев P.P. Гидравлика. Л.: Энергия, 1971. -552с.

68. Шахраманьян М.А. Новые информационные технологии в задачах обеспечения национальной безопасности России (природно-техногенные аспекты). Монография.-М.: ФЦ ВНИИ ГОЧС, 2003. 398с.

69. Щербаков А.О., Талызов А.А. Румянцев И.С., Пручкин С.И., Бубер A.JI. Совершенствование управления каскадом Волжских водохранилищ на основе гидродинамических моделей и ГИС-технологий//Мелиорация и водное хозяйство №2, 2002, стр. 8-12

70. ARC News, vol.19, No.4, стр.14,2002

71. ArcView GIS. Руководство пользователя. ESRI Inc., 1996

72. ArcView Imagine Analyst. Руководство пользователя. ESRI Inc., 1996

73. Avenue. Customization and application development for ArcView. GIS ESRI Inc. NY, 1997-280 p.

74. H. Bach, U. Dierschke, F. Appel, K. Fellah b, P. de Fraipont Использование спутниковых данных для мониторинга наводнений М.: ООО ИТЦ СканЭкс, 2004

75. Copporck J.T., Anderson Е.К. Editorial review.- "International Journal Geographical Informatin Systems", 1987, vol. №1, p.3-11

76. Dueker Kenneth J. Geographic information systems and Computer-aidedmapping. -«Journal American Planning Association», 1987, 53, №3. p. 383-390

77. ERDAS Imagine // ГИС Обозрение - 1994.- №1,- с. 30 - 32.

78. ERDAS IMAGINE Tour Guides. ERDAS, Inc. Atlanta, Georgia, 1999

79. ERDAS IMAGINE Field Guide. ERDAS, Inc. Atlanta, Georgia, 1999

80. Goodchild M.F. Geographic information systems. «Progr. Hum. Geogr.». №4, p.560-566

81. Jackson M.J., James W.J., Stevens A. The design of environmental geographic information systems. "Phil. Trans Roy Society". London, 1980, A324, №1579

82. Li R. Data structures and application issues in 3-D geographic information systems // Geomatica. -1994.18, N 3. P. 209- 224.

83. Motovilov Yu.G., L.Gottschalk, K.Engeland and A.Belokurov. ECOMAG regional model of hydrological cycle. Application to the NOPEX region. Department of Geophysics, University of Oslo, Institute Report Series no. 105, May 1999.

84. Rhine Flood Hazard Mitigated With the Help of GIS // ArcNews, Fall 2002

85. Spence C., Dalton A., Kite G. GIS Supports Hydrological Modeling//GIS World. 1995. -N 1. - P. 62-66.