автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Обработка пространственной информации об объектах речной сети для определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках

На правах рукописи ШАРАФУТДИНОВ Рашид Рустэмович

ОБРАБОТКА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ ОБ ОБЪЕКТАХ РЕЧНОЙ СЕТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДТОПЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ПРИ ПАВОДКАХ

Специальность 05.13.01 -Системный анализ, управление и обработка информации (в промышленности)

- 3 ЛЕН 2009

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2009

003486652

Работа выполнена на кафедре геоинформационных систем Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Научный руководитель д-р техн. наук, проф.

ПАВЛОВ Сергей Владимирович

Официальные оппоненты д-р техн. наук, проф. кафедры промышленной

электроники Уфимского государственного авиационного технического университета КРЫМСКИЙ Виктор Григорьевич

кацд. техн. наук, зав. лабораторией геоинформационных систем научно-исследовательского института безопасности жизнедеятельности Республики Башкортостан МИТАКОВИЧ Сергей Анатольевич

Ведущая организация Институт экологии Волжского бассейна РАН,

г. Тольятти

Защита состоится 16 декабря 2009 года в 10 - 00 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.03 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. КМаркса, 12

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, проф. /Ч ¡1/1 у. В.В. Миронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Регулярность весенних паводков, оказывающих негативное воздействие на объекты промышленности (предприятия нефтяной, газовой, угольной, металлургической промышленности, заводы, склады, транспортные средства и др.), является важнейшей особенностью мониторинга состояния окружающей среды (в том числе технического состояния промышленных объектов). В связи с этим планирование противопаводковых мероприятий для снижения вредного воздействия на объекты промышленности, зависит от достоверного определения характеристик зон подтопления: границ, площади, глубины подтопления и перечня промышленных объектов, попавших в неё.

Объекты речной сети и промышленности характеризуются большим объёмом разнородной пространственной и атрибутивной информации из различных источников (картографической, табличной, графической и др.), находящейся в компетенции различных государственных органов, заинтересованных в предотвращении или смягчении последствий паводков (строительство гидротехнических сооружений по регулированию стока, создание оградительных дамб и др.). Учёт взаимосвязи всего набора информации об объектах речной сети и промышленности приводит к необходимости в автоматизации процессов её структурированной обработки для последующего определения характеристик зон подтопления, что в свою очередь позволит реализовать информационную поддержку принятия решений по предотвращению нежелательного развития событий и преодолению последствий паводка, в частости снижению вредного воздействия, оказанного на промышленные объекты в зоне подтопления.

Существуют различные подходы для определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках, которые основываются на обработке пространственной информации о рельефе местности и анализе гидрогеологических и гидродинамических параметров состояния водных объектов. Геоинформационные технологии являются ключевыми при автоматизации процессов, связанных с определением характеристик подтопления, ввиду пространственной привязки объектов речной сети и промышленности. Различным аспектам разработки методов в данной области посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов, в частности работы С. Е. Беднарука, В. И. Васильева, В. Е. Гвоздева, Л. А. Гриневича, В. И. Данилова-Данильяна, Б. Г. Ильясова, В. Г. Крымского, Л. К. Левит-Гуревича, В. Г. Пряжинской, Р. 3. Хамитова, Д. М. Ярошевского, А. Бисваса, X. Кардуэлла, Д. Мэйдмента, В. Халла, М. Хатчинсона, М. Эбота, Д. Эгенхофера и др. Однако в данных трудах задаче определения характеристик зон подтопления на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети и промышленности в совокупности с методами анализа топографических и гидрологических данных, уделялось недостаточно внимания, в связи с чем, разработка методов и алгоритмов определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети и промышленности является актуальной как в теоретическом, так и в практическом плане.

Цель работы и задачи исследования

Целью работы является разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения для определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период на основе совместной обработки пространственной информации об объектах речной сети и промышленности для последующей поддержки принятия решений по снижению вредного воздействия, оказанного паводком на промышленные объекты.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1.На основе системного анализа процессов, связанных с прохождением паводка и оказывающих вредное воздействие на промышленные объекты, сформулировать требования к видам, формам и источникам информации, на основе которой будет осуществляться определение характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период.

2. Разработать метод совместного описания пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности для последующего определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период.

3. Разработать метод определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках (границ, площади, глубины подтопления, перечня промышленных объектов, оказавшихся в зоне подтопления) на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети, гидрологической сети контроля и дополнительной информации, привлеченной из различных источников (топографическая карта местности, продольный профиль рек и речная сеть).

4. Разработать информационную модель объектов речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности для определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период.

5. Разработать алгоритмы определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках и их программную реализацию для планирования противопаводковых мероприятий по предотвращению или смягчению последствий паводков на промышленные объекты.

Методика исследования

В работе использовались методы системного анализа сложных систем, структурного анализа и проектирования информационных систем (8М)Т), методология унифицированного процесса разработки программного обеспечения (ЯЦР), методология унифицированного языка моделирования (ЦМЬ), математического и геоинформационного моделирования, теория пространственных и реляционных баз данных и принципы объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в следующих результатах:

1. Метод совместного описания пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности предложен впервые и заключается в совместном описании

данных объектов на топографической карте местности, продольном профиле водных объектов и речной сети; применение метода позволяет отобразить взаимосвязь данных для последующего определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках.

2. Метод определения характеристик зон подтопления промышленных объектов в паводковый период, основанный на обработке пространственной информации об объектах речной сети, гидрологической сети контроля и дополнительной информации, привлеченной из различных документальных источников; метод позволяет количественно определить параметры подтопления (граница, площадь, глубина подтопления, перечень промышленных объектов, оказавшихся в зоне подтопления).

3. Информационная модель объектов речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности отличающаяся использованием пространственных данных из различных документальных источников и учитывающая их взаимосвязь, позволяет разработать алгоритмы обработки данной информации для автоматизации процесса определения характеристик зон подтопления промышленных объектов при паводках.

Практическая значимость

Практическую значимость работы представляют следующие результаты:

1. Метод определения характеристик зон подтопления промышленных объектов в паводковый период на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети, гидрологической сети контроля и дополнительной информации, привлеченной из различных документальных источников, позволяет определять характеристики подтопления для последующего снижения тяжести последствий для промышленных объектов в области подтопления.

2. Информационная модель объектов речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности, основанная на стандартной гидрологической модели данных и доработанная с учётом дополнительной информации, привлеченной из различных документальных источников позволяет разработать алгоритмы обработки пространственной информации для реализации программного обеспечения определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках.

3. Алгоритмы и программное обеспечение определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности позволяет осуществлять процессы поддержки принятия решений по проведению противопаводковых мероприятий, направленных на устранение последствий прошедшего и прогнозирование будущего паводков.

Основные результаты работы внедрены в Министерстве природопользования и экологии Республики Башкортостан (свид. об офиц. per. программы для ЭВМ № 2008614884 и №2008614885, от 10.10.2008 года).

На защиту выносятся:

1. Метод совместного описания пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности.

2. Метод определения характеристик зон подтопления в паводковый период (граница, площадь, глубина подтопления, перечень промышленных объектов, оказавшихся в зоне подтопления), на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети, гидрологической сети контроля и дополнительной информации, привлеченной из различных источников (топографическая карта местности, продольный профиль водных объектов и речная сеть).

3. Информационная модель объектов речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности.

4. Алгоритмы определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках и их программная реализация в масштабе информационной системы обработки пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности.

Апробация работы. Основные теоретические и практические результаты работы докладывались на следующих конференциях, форумах и семинарах: Европейской конференции пользователей программного обеспечения ESRI (Лондон, 2008), Международной конференции "Управление водно-ресурсными системами в экстремальных условиях" (Москва, 2008), ежегодной конференции пользователей программных продуктов ESRI и ERDAS (Голицьшо, 2008), Всероссийской конференции "Геоинформационные технологии в муниципальном управлении" (Уфа, 2009), "Компьютерные науки и информационные технологии" (С5/Г2007-2008), Региональной зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2007-2009), Всероссийской молодёжной научной конференции "Мавлютовские чтения" (Уфа, 2007-2008).

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 13 источниках, включающих 8 статей, 3 материала конференций и семинаров, 2 свидетельства о регистрации программ и баз данных. Результаты работы опубликованы в 1-м рецензируемом научном журнале из списка ВАК.

Структура и объем работы

Работа включает введение, 4 главы основного материала, заключение, библиографический список и приложения. Работа без библиографического списка и приложений изложена на 149 страницах машинописного текста. Библиографический список включает 138 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика работы - обосновывается актуальность диссертационной работы, формулируется цель и задачи исследования, перечисляются методы исследования, отмечается научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первая глава диссертации посвящена анализу проблем, связанных с обработкой пространственной информации об объектах речной сети и промышленности для определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках.

Анализ проблем, связанных с обработкой пространственной информации при мониторинге паводковой ситуации показал, что ввиду разнородности пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля

и промышленности, необходимо автоматизировать обработку информации, которая позволит интегрировать весь набор данных для определения характеристик зон подтопления промышленных объектов при паводках с целью дальнейшей информационной поддержки принятия решений при проведении противопаводковых мероприятий (ликвидации последствий паводковых разливов рек и прогнозирования масштабов разрушительных воздействий в привязке к местности).

Среди существующих систем автоматизированной обработки данных для определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках целесообразно использовать аналитико-вычислнтельные системы, ключевой особенностью которых является возможность получения на базе измерительных данных вторичной информации, которая используется как при решении задач оперативного, так и стратегического управления. Основу таких систем составляют распределенные базы данных измерительной информации, геоинформационные системы, программы численного моделирования и статистического анализа.

Существующие подходы определения характеристик подтопления делятся на три вида: геометрический, гидрологический и гидродинамический. Геометрический подход базируется на применении геоинформационных систем и математических расчетов зон затоплений при разливах рек. Гидрологический подход применяется для анализа на макроуровне, то есть для достаточно обширных территорий. Гидродинамический подход применяется для моделирования поведения воды на микроуровне и требует мощного аппаратного обеспечения для моделирования очень небольших потоков воды. В работе обосновывается выбор совместного использования геометрического и гидрологического подходов.

На основе проведенного анализа предметной области, существующих информационных систем и методик определения характеристик зон подтопления промышленных объектов при паводках, было предложено разработать алгоритмы и методы, основанные на математическом описании объектов речной сети, гидрологической сети контроля и промышленности с учётом привлечения дополнительной информации из различных документальных источников при учёте их взаимосвязи, где в качестве главного визуального компонента и инструментария будут использованы геоинформационные технологии.

Вторая глава посвящена разработке методов совместного описания пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля их параметров (гидрологической сети) и промышленности и определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период на основе геоинформационных технологий.

На рис. 1 показана схема использования определенных характеристик зон подтопления промышленных объектов на основе уровней поднятия воды на гидрологических постах наблюдения для принятия решений при проведении противопаводковых мероприятий по предотвращению или смягчению последствий паводков. Объектами управления являются объекты речной сети, инфраструктуры контроля состояния гидрологической сети и промышленности.

Рассмотрим промышленный регион с разветвленной сетью водных объектов (на примере Республики Башкортостан). На некоторых реках находятся по-

сты гидрологического контроля, на которых происходит измерение данных уровней поднятия воды, причём, НыВР, - уровень поднятия воды на ¡-том посту контроля (над уровнем моря), 1 = . В качестве входной информации также используются высотные отметки рельефа (НЬо1 - высота ¿-той изолинии, ¡ = 1...М, - высота /-той отметки высот, г = 1.1). Необходимо определить зону подтопления в виде полигона с площадью 5(2ГА), границей В(7?л) и глубиной й(^А), которая будет образована при заданных уровнях поднятия воды на постах контроля /Р,- с использованием высотных данных о рельефе местности Я1™-и Л""1,, если известен Н/Р1 - критический уровень поднятия воды на ¡-том посту (при котором река выходит на пойму), г =1..Л'(рис.2), и определить промышленные объекты Е, (/ = ¡...К), оказавшиеся в этой зоне.

Список промышленных объектов в ^ _ прогнозируемой зоне подтопления Баштидромет, космические снимки на заданную местность

Определенные характеристики подтопления ^ н промышленных объектов - площадь, граница, глубина подтопления, промышленные объекты в зоне подтопления

2 _ Сценарий проведения 4 _ Уровни поднятия воды

противопаводковых мероприятий на постах контроля

Рисунок 1 - Схема использования определенных характеристик зон подтопления промышленных объектов на основе уровней поднятия воды на гидрологических

постах наблюдения

Водный объект в пространстве характеризуется значениями трех координат:

х — х(1) - координата долготы, у = у(1) - координата широты, г = 2(1) - высота над уровнем моря, где / - непрерывная переменная, обозначающая длину участка водного объекта до точки с координатами (х, у, г) - (х(1), у(1), г(1)) от ее физического начала (истока). Тогда,

Г = Ш(х, у, 2, //= Ж(х(1), у(1), 2(1)) (1)

есть функция, описывающая положение водного объекта в пространстве.

Фактическое значение зависимостей х(1), уф, г(1) неизвестно, но для определения местоположения отдельных участков водных объектов предлагается использовать следующие источники данных, являющиеся моделями описания местности:

- топографическая карта местности, содержащая гидрографические данные (например, М 1:200 ООО);

- продольный профиль водных объектов;

- представление водных объектов в виде сетевой модели.

На топографической карте местности водный объект представлен в виде множеств линейных и полигональных объектов. Поскольку карта местности является моделью описания поверхности Земли, то и изображение водного объекта на карте местности является некоторой моделью его местоположения на местности и может быть обозначено следующим образом:

W5 = iftf, У) = ffVfU УШ (2)

где х, у - координаты, определяемые по карте.

При этом зависимость хпуот1 неявная и однозначно в любой точке карты (или для любого значения Г) не задана. Она задана только в конечном, небольшом числе точек (гидрологические посты наблюдения) для которых известно их местоположение на местности - координаты (хо, уд), картографические координаты (х'0, /о)и расстояние от начала реки 10-i — гидропост

"" урез воды

axiMt и

Щ2?л) -

граница зоны подтопления'

Р*а - псевдопост

i-полигональный водный объект

Р*,0

2РА_

зоны полтопления

Рисунок 2

1шм.1иш1ч<аал л: «*»-—

- Основные виды пространственной информации, используемые для определения характеристик зон подтопления

Карта местности выбранного масштаба представляет собой совокупность объектов, описанных выражением

М-М$„{х.у}}, (3)

где {5,} - набор объектов карты (водные объекты, гидрологические посты наблюдения, изолинии, отметки высот, промышленные объекты и др.) Множество объектов карты обозначим следующим образом:

3 = {8,}=<ЯГ°.Н',1,А,Е> (1 = 1...п). (4)

На продольном профиле водный объект представлен также в виде непрерывной линии, но уже в другой системе координат - (г, I). Причем зависимость высотной отметки г в каждой точке реки явно и однозначно зависит от / - удаленности этой точки реки от истока. Поэтому местоположение реки, изображенное на продольном профиле можно представить как функцию

Я? = Л? (г, I) = I), (5)

По аналогии с (3) пространственная информация на продольном профиле реки может быть представлена соотношением

1 = 1^.^}, (б) где - набор объектов продольного профиля (осевые линии водных объектов, поперечные створы, береговые линии и урезы воды).

Множество из набора объектов продольного профиля обозначим следующим образом:

Р = {р,}=сЛ*,С',С',$4> (] = 1..м). (7)

Множество створов являет собой набор перпендикуляров, проведенных к точкам, находящихся на осевой линии водного объекта с определенным шагом. Береговые линии образованы пересечением створа с ближайшей изолинией высот в двух направлениях. Урезы воды представляют собой пересечение створа с осевой линией водного объекта.

Третий источник информации представляет водные объекты в виде объектно-ориентированного графа, где рёбрами являются сегменты рек, расположенные между устьями последовательных притоков, а вершинами - истоки и устья рек, а направленность ребер совпадает с действительным направлением течения реки. В случае если объекты вершин заданы в виде входных данных, стоит отметить зависимость модели описания водных объектов как речной сети от координат (х,у), при этом для вершин существует также однозначная зависимость их расположения от I - взаимного местоположения рёбер:

(Vй = у, с) = Я*(х(1), у(1), с). (8)

По аналогии с (3) пространственная информация объектов речной сети может быть представлена соотношением

* = у,с}}, (9)

где } - набор объектов речной сети (рёбра - осевые линии водных объектов, вершины - посты наблюдения).

Множество объектов речной сети обозначим следующим образом:

Л = (к = 1...р). (10)

Множество объектов постов наблюдения 5 представлено множеством гидрологических постов наблюдения Н* и условных постов наблюдения, характеризующих места притоков, истоков и устьев водных объектов (псевдопостов) Р* -

Зависимость с в выражении (8) стоит понимать как наличие связности д ля вершин речной сети, описанной следующим выражением: с(5) - <А*1, й; Ах2, А*з, й>. Физический смысл этой зависимости означает то, что любая вершина имеет три максимально возможных прилегающих ребра, соответственно для неё в памяти хранятся сведения о трёх прилегающих рёбрах (Ах/-А'13) и смежных с ними вершинах

Таким образом, совместное описание объектов речной сети и инфраструктуры контроля их параметров (гидрологической сети контроля) и промышленности на местности задается совокупностью информации из топографической карты местности, продольных профилей водных объектов и речной сети:

УР м-1-и (11)

или

1Г = ]1Р!(х.у)[ЛУг(2.1)\ЛГк(х,у,с)}. (12)

Множество гидрологических постов наблюдения Я1 содержит данные по абсолютной высоте рельефа дна (нуль гидрологического поста), уровням выхода реки на пойму и текущим уровням поднятия воды над нулём поста

н={н',}<={нъ1р.щв',нм>гр(13) Этот перечень данных фигурирует в качестве набора входной атрибутивной информации. Выражение (13) можно переписать таким же образом для множества псевдопостов, створов, береговых линий и урезов воды, с той лишь разницей, что на начальный момент, сведения о Ну; для этих множеств неизвестны и частная задача определения характеристик подтопления сводится к расчёту этих данных.

Таким образом, можно установить условие образования зоны подтопления на некоторой территории с гидрологическим постами наблюдения Я5: |УЯ*, еН' ЭНм/гр1>Н/1гр(^>8"А,(х,у) = 1,

Опишем основные положения метода определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период:

1) Построение поперечных створов, береговых линий и урезов воды. Для выполнения процедуры построения створов, необходимо разбить осевую линию на N сегментов. Каждый сегмент осевой линии описывается уравнением прямой у; = Ц + Ъ, по которому определяются коэффициенты:

£ = ——= -кхг Коэффициенты прямой, перпендикулярной отрезку (х;-У1-хм'Ум) в точке (х„у,), рассчитываются по выражениям у. =к'х, +Ь',к' =——,6* =у, -к'х.. По вычисленным коэффициентам прямых

у, =к'х; +Ь' вычисляются координаты точек концов створа фиксированной длины Ь\(х^у{):х,'=х, + Ь*соз(агс1%(к')),у/= к'х/+Ь'. По данным координатам строится набор створов к осевой линии реки. Множество объектов береговых линий (пересечений полигональных водных объектов со створами) и урезов воды (пересечений осевых линий водных объектов со створами) можно записать в следующем виде:

2) Определение замкнутого контура речной сети (необходимого набора данных для определения характеристик подтопления).

Необходимость определения замкнутого контура речной сети обусловлена возможностью выбора территории в соответствии с иерархическим делением (административный район, населенный пункт, водный объект). Задача сводится к определению необходимого и достаточного количества входных данных для определения характеристик подтопления - обратная задаче нахождения кратчайшего пути из корня орграфа к его вершинам. Критерий необходимых данных заключается в наличии на выбранной местности хотя бы одного гидрологического поста наблюдения с данными по уровням поднятия воды. Если поста на территории нет, предлагается осуществлять поиск по рёбрам графа до нахождения вершины, которая будет удовлетворять заданному условию. Для удобства перебора рёбер было использовано понятие ранга реки. Каждая река имеет ранг, старшинство которого определяется признаком отношения данной реки в качестве притока по отношению к другим рекам. Река, не впадающая ни в одну из рек, является наиболее старшей и имеет ранг 1, река впадающая в реку с рангом 1, является притоком по отношению к ней и имеет ранг 2 и т. д.

Тогда верно будет, что орграф 0 = ((АХ!,А'2 )...(Л\-,,А\)) и 0 = {й- },1 = 1-..Ь, где Ь - количество рёбер. Дня орграфа б всегда будет существовать подграф С, т.е б з (7, причём, для которого будут верны следующие утверждения: ¿й/кО,, Сг\Н' *{0}

3) Интерполяция (экстраполяция) данных по уровням поднятия воды.

В ситуации, когда осевая линия ограничена двумя гидропостами, значения уровней поднятия воды для N псевдоотметок (створов, урезов воды) предлагается рассчитывать по следующей формуле:

Щ'=Нч/+(-——)*1. (16)

Значительно чаще встречаются ситуации, когда осевая линия замкнута одним гидропостом А и псевдопостом С, значения уровней поднятия воды для N псевдоотметок (створов, урезов воды) рассчитываются по следующей формуле:

Гиил\

N-1 ' ' ' (17)

4) Построение ЦМР, поверхности гидрологического уклона и определение характеристик подтопления.

Для определения характеристик зоны подтопления предлагается строить ЦМР на основе изолиний, отметок высот и абсолютной высоты дна водных объектов и поверхность гидрологического уклона на основе уровней поднятия воды на створах и урезах воды. Представив полученные поверхности рельефа и гидрологического уклона в виде матриц Л = и <?=|г,| (1 = 1-т;/ = 1...л) соответственно, осуществим вычитание высотных значений матрицы гидрологического ук-

гг , гт а «Яи^-ЯмЛ „ с „ л АНЬ Ну/МН-М +(-—)*/, НУГ = Ны * -;

лона из высотных значений матрицы цифровой модели местности 1> = Д-0 или поэлементно:

¿и ¿п - ¿ы ¿21 ¿22 -¿2.

,, ... (1„

711 Ш2 т

Г,, Г„ ... г.

?•>■> 9.

м/ 'т2

••■ Г.

Я;; 8 12 — 8ы

&21 822 •■• §2ч

8т1 8т2 8т

(18)

Условием подтопления территории будет наличие хотя бы одного неположительного элемента в результирующей матрице глубин напротив,

если же все элементы матрицы положительны, территория подтоплена не будет: если %,]0 : е Б , ¿^ <0то ) > 0 (19)

Границы полученной поверхности являют собой границы зоны подтопления В(2ГЛ). Промышленные объекты, попавшие в зону подтопления, определяются соотношением ¿ = которое отражает полигональный тип данных, представляющих промышленные объекты и зону подтопления на карте местности.

В третьей главе описана разработка функциональной модели определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках и информационной модели объектов речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности, а также алгоритмов обработки пространственной информации, позволяющих автоматизировать процесс определения характеристик зон подтопления.

Водные объекты

Код водного объекта

Название объекта

Створы

Прогнозные данные

Код створа

Код осевой пинии (РК) Код водного объекта (РК)

Уровень абсолютной высоты Уровень поймы Уровень воды

ь Код записи

> Код поста (РК)

> Код осевой линии (РК)

ь Код водного объекта (РК)

Год наблюдения Ожидаемый минимум Ожидаемый максимум Код поста наблюдения

7Т

тт

Урезы воды

Осевые линии рек

^ Код осевой линии

Код водного объекта (РК)

Гидропост слева Гцдропост справа Ранг водного объекта

^ Код уреза воды ^ Код створа (РК)

Код осевой линии (РК) ^ Код водного объекта (РК)

Уровень абсолютной высоты Уровень поймы Уровень воды

Кед поста ^ Код осевой линии (РК) Код водного объекта (РК) Код записи ^ Код поста (РК) Код осевой линии (РК) ^ Код водного объекта (РК)

Название поста Тип поста Нуль гидропоста Уровень поймы Уровень воды

Дата наблюдения Уровень воды Код поста наблюдения

Береговые линии

Код береговой линии Код осевой линии (РК) Код водного объекта (РК)

Уровень абсолютной высоты Уровень поймы Уровень воды

Рисунок 3 - Фрагмент информационной модели совместного описания объектов речной сети и гидрологической сети контроля

Информационная модель описывает необходимые данные по объектам речной сети (ручьи, реки, озёра, водохранилища), инфраструктуры контроля (гидрологические посты наблюдения на реках и водохранилищах) и промышленности с привлечением дополнительной информации (осевые линии водных объектов, поперечные створы, береговые линии, реальные и искусственные урезы воды, нули гидрологических постов и др.), а также связи между ними (рис. 3).

На основе предложенных во 2-й главе методов разработаны алгоритмы определения границ, площади, глубины подтопления и перечня промышленных объектов, попавших в зону подтопления. На рис. 4 приведен общий алгоритм определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках.

Рисунок 4 - Блок-схема алгоритма обработки данных для определения характеристик подтопления

В четвертой главе приведена разработка программного обеспечения для определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках на основе предложенных методов и алгоритмов (рис. 5) и оценка их эффективности.

Рисунок 5 - Результаты определения характеристик зон подтопления промышленных объектов в паводковый период

Программное обеспечение разработано в интегрированной среде разработки программного обеспечения Microsoft Visual Studio 2005 на языке объектно-ориентированного программирования С# версии 2.0 в качестве исполняемой библиотеки в клиентском приложении ArcGIS Desktop 9.1 в составе модулей:

- Замещения данных (возможность использования альтернативных источников данных по уровням поднятия воды).

- Построения вспомогательных слоёв (поперечных створов, береговых линий и урезов воды).

- Определения замкнутого контура речной сети.

- Комплексной интерполяции данных по уровням поднятия воды на постах контроля.

- Построения цифровой модели рельефа, модели гидрологического уклона и зоны подтопления.

- Определения статистики населенных пунктов (в том числе промышленных объектов), попавших в зону подтопления.

Экспериментальная эффективность предложенных методов и алгоритмов определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках определяется следующими факторами:

- признанием адекватности разработанных методов и алгоритмов специалистами Министерства природопользования и экологии РБ при опытной эксплуатации программного обеспечения определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период;

- согласованностью рассчитанных характеристик зоны подтопления с результатами обработки данных космической съёмки.

Выполнено сравнение рассчитанных характеристик зоны подтопления с характеристиками зоны подтопления, полученных с космических снимков -совпадете по площади зоны подтопления имеет значение 93,79%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе системного анализа процессов, связанных с прохождением паводка и оказывающих вредное воздействие на промышленные объекты, сформулированы требования к видам, формам и источникам информации, на основе которой будет осуществляться определение характеристик подтопления промышленных объектов при паводках. Предложено использовать три вида представления пространственной информации: топографическая карта местности, продольный профиль водных объектов и речная сеть.

2. Разработан метод совместного описания пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности, позволяющий совместное описание данных объектов на топографической карте местности, продольном профиле водных объектов и речной сети для последующего определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период.

3. Разработан метод определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках на основе обработки пространствешюй информации об объектах речной сети, гидрологической сети контроля и дополнительной информации, привлеченной из различных источников. Данный метод позволяет определять площадь, границу, глубину подтопления и перечень промышленных объектов, оказавшихся в зоне подтопления, а также производить анализ полученных результатов для последующего снижения тяжести последствий для промышленных объектов в области подтопления.

4. Разработана информационная модель объектов речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности для определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период, основанная на использовании пространственных данных из различных документальных источников, учитывающая их взаимосвязь, и позволяющая раз-

работать алгоритмы обработки данной информации для автоматизации процесса определения характеристик подтопления.

5. Разработаны алгоритмы определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности, которые были внедрены в составе автоматизированной системы поддержки принятия решений по управлению природными ресурсами и охраной окружающей среды на основе комплексного мониторинга и ГИС технологий в Министерстве природопользования и экологии Республики Башкортостан. Анализ эффективности разработанных алгоритмов показал, что совпадение площадных характеристик определенной зоны подтопления и полученной с космоснимка составило 93,79%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ В рецензируемых журналах из списка ВАК

1. Разработка геоинформационной модели речной сети с учётом картографической, гидрологической и морфометрической информации для определения границ зон подтопления при изменении уровня воды в водных объектах / С. В. Павлов, О. И. Христодуло, Р. Р. Шарафутдинов // Вестник УГАТУ : научный журнал Уфимского государственного авиационного технического университета. Серия Управление, вычислительная техника и информатика. 2008. Т.11, №1 (28). С. 18-27.

В других изданиях

2. Расчёт зон затоплений на основе цифровой модели рельефа и данных об уровнях поднятия воды на гидрологических постах наблюдения / С. В. Павлов, О. И. Христодуло, Р. Р. Шарафутдинов // 21-ая Европейская конференция для пользователей ЕБШ, Лондон, Великобритания 28-30 октября 2008 г.

3. Автоматизированная система информационного обеспечения контроля развития паводковой ситуации в Республике Башкортостан / й. Н. Заитов, О. И. Христодуло, Р. Р. Шарафутдинов // Управление водно-ресурсными системами в экстремальных условиях: материалы конференции, Москва, З-б июня 2008г.-с. 219.

4. Подсистема расчёта и прогнозирования зон затоплений на территории Республики Башкортостан в составе ГИС "Паводок" / И. Н. Заитов, С. В. Павлов, О. И. Христодуло, Р. Р. Шарафутдинов // Компьютерные науки и информационные технологии (С31Т'2007): матер. 9-го Междунар. науч. сем. Уфа-Красноусольск, Россия, 2007. Т. 1. С. 163-168. (на англ. яз.)

5. Разработка геоинформационной модели речной сети с учётом картографической, гидрологической и морфометрической информации для расчёта зон затоплений при разливах рек (на примере республики Башкортостан) / И. Н. Заитов, О. И. Христодуло, Р. Р. Шарафутдинов // Компьютерные науки и информационные технологии (С81Т'2008): матер. 10-го Междунар. науч. сем. Анталия, Турция, 2008. Т. 1. С. 112-121. (на англ. яз.)

6. Применение гидрогеометрического подхода для разработки подсистемы расчёта и прогнозирования зон затопления при разливах рек на территории РБ / Р. Р. Шарафутдинов // Интеллектуальные системы обработки информации и

управления. Том 1.: Сборник статей 3-ой региональной зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых, 20-23 февраля 2008. - Уфа: Издательство «Диалог», 2008. - С. 446-456.

7. Интеграция картографической, профильной и сетевой моделей данных для определения границ зон затоплений при изменении уровня поднятия воды в водных объектах / Р. Р. Шарафугдинов II Информатика, управление и компьютерные науки. Том 1.: Сборник статей 4-ой всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых, 19-21 февраля 2009. - Уфа: Издательство «Диалог», 2009. -С. 561-565.

8. Подсистема расчёта и прогнозирования зон затоплений при разливах рек на основе данных гидрологических постов наблюдения и цифровых карт на территории республики Башкортостан / Р. Р. Шарафутдинов // Всероссийская молодёжная научная конференция "Мавлютовские чтения". Автоматизированные системы обработки информации и управления: матер, конф. Уфа, УГАТУ, 2007 Т.З, С.69-70.

9. Использование картографической и гидрологической информации для определения границ зон затоплений при разливах рек на территории Республики Башкортостан / Р. Р. Шарафутдинов // Всероссийская молодёжная научная конференция "Мавлютовские чтения". Автоматизированные системы обработки информации и управления: матер, конф. Уфа: УГАТУ, 2008 Т.З, С.98-100.

10. Использование геоинформационных технологий при разработке подсистемы расчета и прогнозирования зон затоплений при паводках / И. Н. Заитов, О. И. Христодуло, Р. Р.Шарафугдинов // Геоинформационные технологии в проектировании и создании корпоративных информационных систем: Межвузовский научный сборник. Уфа: УГАТУ, 2007. С.77-84

11. Использование комбинированного алгоритма при расчёте и построении зон затопления при разливах рек на территории РБ / О. И. Христодуло, Р. Р. Шарафутдинов // Геоинформационные технологии в проектировании и создании корпоративных информационных систем: Межвузовский научный сборник. Уфа: УГАТУ, 2008. С.181-189.

12. Программное обеспечение статистической обработки и картографической интерпретации состояния паводковой ситуации / С. В. Павлов, Р. Р. Заги-дуллин, Т. Ф. Кудашев, О. И. Христодуло, Р. Р. Шарафутдинов // №2008614885 от 10 октября 2008 г.

13. Программное обеспечение для расчёта и визуального отображения зон затоплений при изменении уровня воды в водных объектах // С. В. Павлов, Т. Ф. Кудашев, О. И. Христодуло, Р. Р. Шарафугдинов II №2008614884 от 10 октября 2008 г.

Диссертант

Р.Р. Шарафутдинов

ШАРАФУТДИНОВ Рашид Рустэмович

ОБРАБОТКА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ ОБ ОБЪЕКТАХ РЕЧНОЙ СЕТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДТОПЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ПРИ ПАВОДКАХ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 12.11.09. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр.-отт. 1,0. Уч.-изд. л. 0,8. Тираж 100 экз. Заказ Ха 566

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии УГАТУ 450000, Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ, СВЯЗАННЫХ С ОБРАБОТКОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ ОБ ОБЪЕКТАХ РЕЧНОЙ 14 СЕТИ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ В ПЕРИОД ПАВОДКОВ

1.1 Анализ проблем, связанных с обработкой пространственной 14 информации при мониторинге паводковой ситуации

1.2 Анализ подходов к автоматизации информационного обеспечения 19 управления природными ресурсами в паводковый период

1.3 Анализ моделей и методов определения характеристик 29 подтопления промышленных объектов при паводках

1.4 Анализ информационных систем определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках Выводы по 1-й главе

Глава 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДТОПЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ В ПЕРИОД ПАВОДКОВ НА ОСНОВЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ 69 ТЕХНОЛОГИЙ

2.1 Постановка задачи определения характеристик подтопления 69 промышленных объектов при паводках

2.2 Разработка метода совместного описания пространственной 73 информации об объектах речной сети, инфраструктуры системы контроля (гидрологической сети) и промышленности

2.3 Разработка метода определения характеристик подтопления 88 промышленных объектов в паводковый период

Выводы по 2-й главе

Глава 3. РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ХАРАКТЕРИСТИК ПОДТОПЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ

ОБЪЕКТОВ В ПЕРИОД ПАВОДКОВ

3.1 Разработка функциональной модели определения характеристик 104 подтопления промышленных объектов при паводках

3.2 Разработка информационной модели объектов речной сети, 107 инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности

3.3 Разработка алгоритмов определения характеристик подтопления 114 промышленных объектов при паводках

Выводы по 3-й главе

Глава 4. ВНЕДРЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДТОПЛЕНИЯ

ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ПРИ ПАВОДКАХ В 134 АВТОМАТИЗИРОВАННУЮ СИСТЕМУ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО УПРАВЛЕНИЮ ПРИРОДНЫМИ РЕСУРСАМИ И ОХРАНОЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО МОНИТОРИНГА И ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И'АНАЛИЗ ЕЁ ЭФФЕКТИВНОСТИ 4.1 Анализ организационной структуры и деятельности Министерства природопользования и экологии РБ 4.2. Основные требования к информационной системе определения 136 характеристик подтопления промышленных объектов в весенний паводок

4.3 Основные результаты внедрения информационной системы 141 определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках

4.4 Анализ эффективности внедрения информационной системы 145 определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период в Министерстве природопользования и экологии РБ

Выводы по 4-й главе

АКТУАЛЬНОСТЬ

Регулярность весенних паводков, оказывающих негативное воздействие на объекты промышленности (предприятия нефтяной, газовой, угольной, металлургической промышленности, заводы, склады, транспортные средства и др.), является важнейшей особенностью мониторинга состояния окружающей среды (в том числе технического состояния промышленных объектов). В связи с этим планирование противопаводковых мероприятий для снижения вредного воздействия на объекты промышленности, зависит от достоверного определения характеристик зон подтопления: границ, площади, глубины подтопления и перечня промышленных объектов, попавших в неё [40].

Объекты речной сети и промышленности характеризуются большим объёмом разнородной пространственной и атрибутивной информации из различных источников (картографической, табличной, графической и др.), находящейся в компетенции различных государственных органов, заинтересованных в предотвращении или смягчении последствий паводков (строительство гидротехнических сооружений по регулированию стока, создание оградительных дамб и др.). Учёт взаимосвязи всего набора информации об объектах речной сети и промышленности приводит к необходимости в автоматизации процессов её структурированной обработки для последующего определения характеристик зон подтопления, что в свою очередь позволит реализовать информационную поддержку принятия решений по предотвращению нежелательного развития событий и преодолению последствий паводка, в частности снижению вредного воздействия, оказанного на промышленные объекты в зоне подтопления [65].

Существуют различные подходы для определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках, которые основываются на обработке пространственной информации о рельефе местности и анализе гидрогеологических и гидродинамических параметров состояния водных объектов [90]. Геоинформационные технологии являются ключевыми при автоматизации процессов, связанных с определением характеристик подтопления, ввиду пространственной привязки объектов речной сети и промышленности. Различным аспектам разработки методов в данной области посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов, в частности работы С. Е. Беднарука, В. И. Васильева, В. Е. Гвоздева, JI. А. Гриневича, В. И. Данилова-Данильяна, Б. Г. Ильясова, В. Г. Крымского, Л. К. Левит-Гуревича, В. Г. Пряжинской, Р. 3. Хамитова, Д. М. Ярошевского, А. Бисваса, X. Кардуэлла, Д. Мэйдмента, В. Халла, М. Хатчинсона, М. Эбота, Д. Эгенхофера и др. Однако в данных трудах задаче определения характеристик зон подтопления на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети и промышленности в совокупности с методами анализа топографических и гидрологических данных, уделялось недостаточно внимания, в связи с чем, разработка методов и алгоритмов определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети и промышленности является актуальной как в теоретическом, так и в практическом плане.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью работы является разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения для определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период на основе совместной обработки пространственной информации об объектах речной сети и промышленности для последующей поддержки принятия решений по снижению вредного воздействия, оказанного паводком на промышленные объекты.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1. На основе системного анализа процессов, связанных с прохождением паводка и оказывающих вредное воздействие на промышленные объекты, сформулировать требования к видам, формам и источникам информации, на основе которой будет осуществляться определение характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период.

2. Разработать метод совместного описания пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности для последующего определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период.

3. Разработать метод определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках (границ, площади, глубины подтопления, перечня промышленных объектов, оказавшихся в зоне подтопления) на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети, гидрологической сети контроля и дополнительной информации, привлеченной из различных источников (топографическая карта местности, продольный профиль рек и речная сеть).

4. Разработать информационную модель объектов речной сети, инфраструктуры-контроля (гидрологической сети контроля)? и» промышленности для определения характеристик подтопления промышленных объектов, в паводковый период.

5. Разработать алгоритмы определения, характеристик подтопления промышленных объектов при паводках и их программную реализацию для планирования противопаводковых мероприятий по предотвращению или смягчению последствий паводков на промышленные объекты.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В работе использовались методы системного анализа сложных систем, структурного анализа и проектирования информационных систем (SADT), методология унифицированного процесса разработки программного обеспечения (RUP), методология унифицированного языка моделирования (UML), математического и геоинформационного моделирования, теория пространственных и реляционных баз данных и принципы объектно-ориентированного программирования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Метод совместного описания пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности предложен впервые и заключается в совместном описании данных объектов на топографической карте местности, продольном профиле водных объектов и речной сети; применение метода позволяет отобразить взаимосвязь данных для последующего определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках.

2. Метод определения характеристик зон подтопления промышленных объектов в паводковый период, основанный на обработке пространственной информации об объектах речной сети, гидрологической сети контроля и дополнительной информации, привлеченной из различных документальных источников; метод позволяет количественно определить параметры подтопления (граница, площадь, глубина подтопления, перечень промышленных объектов, оказавшихся в зоне подтопления).

3. Информационная модель объектов речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности, отличающаяся использованием пространственных данных из различных документальных источников и учитывающая их взаимосвязь, позволяет разработать алгоритмы обработки данной информации для автоматизации процесса определения характеристик зон подтопления промышленных объектов при паводках.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

1. Метод определения характеристик зон подтопления промышленных объектов в паводковый период на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети, гидрологической сети контроля и дополнительной информации, привлеченной из различных документальных источников, позволяет определять характеристики подтопления для последующего снижения тяжести последствий для промышленных объектов в области подтопления. и

2. Информационная модель объектов речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности, основанная на стандартной гидрологической модели данных и доработанная с учётом дополнительной информации, привлеченной из различных документальных источников позволяет разработать алгоритмы обработки пространственной информации для реализации программного обеспечения определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках.

3. Алгоритмы и программное обеспечение определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности позволяет осуществлять процессы поддержки принятия решений по проведению противопаводковых мероприятий, направленных на устранение последствий прошедшего и прогнозирование будущего паводков.

Основные результаты работы внедрены в Министерстве природопользования и экологии Республики Башкортостан (свид. об офиц. per. программы для ЭВМ № 2008614884 и №2008614885, от 10.10.2008 года).

СВЯЗЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ С НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ

Работа выполнена в период 2007-2009 г.г. на кафедре геоинформационных систем Уфимского государственного авиационного технического университета в рамках государственных контрактов №027-2007 "Развитие автоматизированной системы поддержки принятия решений по управлению природными ресурсами и охраной окружающей среды на основе комплексного мониторинга и ГИС технологий", №70-2008 "Расширение функциональных возможностей автоматизированной системы поддержки принятия решений по управлению природными ресурсами и охраной окружающей среды на основе комплексного мониторинга и ГИС технологий", №12-2009 "Доработка базы данных и разработка дополнительных функций автоматизированной системы поддержки принятия решений по управлению природными ресурсами и охраной окружающей среды на основе комплексного мониторинга и ГИС технологий".

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ

1. Метод совместного описания пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности.

2. Метод определения характеристик зон подтопления в паводковый период (граница, площадь, глубина подтопления, перечень промышленных объектов, оказавшихся в зоне подтопления), на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети, гидрологической сети контроля и дополнительной информации, привлеченной из различных источников (топографическая карта местности, продольный профиль водных объектов и речная сеть).

3. Информационная модель объектов речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности.

4. Алгоритмы определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках и их программная реализация в масштабе информационной системы обработки пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные теоретические и практические результаты работы докладывались на следующих конференциях, форумах и семинарах: Европейской конференции пользователей программного обеспечения ESRI (Лондон, 2008), Международной конференции "Управление водно-ресурсными системами в экстремальных условиях" (Москва, 2008), ежегодной конференции пользователей программных продуктов ESRI и ERDAS (Голицыно, 2008), Всероссийской конференции "Геоинформационные технологии в муниципальном управлении"

Уфа, 2009), "Компьютерные науки и информационные технологии" {CSIT2007-2008), Региональной зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2007-2009), Всероссийской молодёжной научной конференции "Мавлютовские чтения" (Уфа, 2007-2008).

ПУБЛИКАЦИИ

Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 28 источниках, включающих 22 статьи, 6 материалов конференций и семинаров и два свидетельства о регистрации программ и баз данных. Результаты работы опубликованы в 1-м издании, входящем в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ.

СТРУКТУРА И ОБЪЁМ РАБОТЫ

Работа включает введение, 4 главы основного материала, заключение, библиографический список и приложения.

Работа без библиографического списка и приложений изложена на 149 страницах машинописного текста. Библиографический список включает 138 наименований.

Выводы по 4-й главе

1. Внедрение методов и алгоритмов определения характеристик зон подтопления промышленных объектов в паводковый период на территории РБ в составе ГИС в отделе информационных технологий Минэкологии РБ и её опытная эксплуатация показали адекватность разработанных в диссертации моделей данных, а также методов и алгоритмов их использования, что обусловлено заключением специалистов отдела информационных технологий Минэкологии РБ.

2. Реализованные методы и алгоритмы применены в ИС определения характеристик зон подтопления промышленных объектов в паводковый период. Использование пространственных данных с определенной методикой их обработки позволяет расширить функциональность информационного обеспечения процессов поддержки принятия решений в период весеннего паводка.

3. Анализ эффективности использования разработанных методов и алгоритмов определения характеристик зон подтопления показал, что в результате индексации полей сущностей базы геоданных удалось добиться повышения скорости работы системы в среднем на 19,37%. Совпадение площадных характеристик определенной зоны подтопления и полученной с космоснимка составило 93,79%

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе решена актуальная задача определения характеристик подтопления промышленных объектов в период паводков на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети для последующей поддержки принятия решений по снижению вредного воздействия, оказанного паводком на промышленные объекты. Актуальность была выражена в разработке метода описания пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности и метода определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках (границ, площади, глубины, перечня промышленных объектов, оказавшихся в зоне подтопления). Использование разработанных методов позволяет достичь поставленной цели за счет повышения достоверности пространственных данных и использования комбинированной методики при определении характеристик подтопления.

При решении этой задачи получены следующие научные и практические результаты:

1. На основе системного анализа процессов, связанных с прохождением паводка и оказывающих вредное воздействие на промышленные объекты, сформулированы требования к видам, формам и источникам информации, на основе которой будет осуществляться определение характеристик подтопления промышленных объектов при паводках. Предложено использовать три вида представления пространственной информации: топографическая карта местности, продольный профиль водных объектов и речная сеть.

2. Разработан метод совместного описания пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности, позволяющий совместное описание данных объектов на топографической карте местности, продольном профиле водных объектов и речной сети для последующего определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период.

3. Разработан метод определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети, гидрологической сети контроля и дополнительной информации, привлеченной из различных источников. Данный метод позволяет определять площадь, границу, глубину подтопления и перечень промышленных объектов, оказавшихся в зоне подтопления, а также производить анализ полученных результатов для последующего снижения тяжести последствий для промышленных объектов в области подтопления.

4. Разработана информационная модель объектов речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности для определения характеристик подтопления промышленных объектов в паводковый период, основанная на использовании пространственных данных из различных документальных источников, учитывающая их взаимосвязь, и позволяющая разработать алгоритмы, обработки данной информации для автоматизации процесса определения характеристик подтопления.

5: Разработаны алгоритмы определения характеристик подтопления промышленных объектов при паводках на основе обработки пространственной информации об объектах речной сети, инфраструктуры контроля (гидрологической сети контроля) и промышленности, которые были внедрены в составе автоматизированной системы поддержки принятия решений по управлению природными ресурсами и охраной окружающей среды на основе комплексного мониторинга и ГИС технологий в отделе информационных ресурсов и мониторинга Министерства природопользования и экологии Республики Башкортостан. Анализ эффективности разработанных алгоритмов показал, что совпадение площадных характеристик определенной зоны подтопления и полученной с космоснимка составило 93,79%.

150

1. Автоматизированное проектирование информационно-управляющих систем. Системное моделирование предметной области: Учебное пособие/ Г.Г.Куликов, А.Н.Набатов, А.В.Речкалов.; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа, 1998.-204 с.

2. Андрианов, В. Тенденции развития ПО ГИС на примере продуктов ESRJ // ArcReview «Современные геоинформационные технологии» 2006. - №2(37). -С. 2.

3. Анфилатов B.C. и др. системный анализ в управлении. Финансы и статистика, 2002 368с.н. ун-т. - Уфа, 1999. - 223 с.

4. Атнабаев А.Ф., Бахтизин Р.Н., Павлов С.В., Сайфутдинова Г.М. Оценка последствий аварийных разливов нефти на магистральных нефтепроводах // Нефтегазовое дело: Научно-технический журнал. 2006. — №4. - С. 317-321.

5. Барзилович Е.Ю. Модели технического обслуживания сложных систем. М.: Высшая школа, 1982. — 231с.

6. Берлянт A.M. Картографический метод исследования. — М.: МГУ, 1988.252 с.

7. Берлянт A.M., Мусин О.Р., Свентэк Ю.В. Геоинформационные технологии и их использование в эколого-географических исследованиях // География. М.: Изд-во МГУ, 1993. - 47 с.

8. Богомолов С.В., Захаров Е.В., Зеркаль С.В. Моделирование волн на мелкой воде методом частиц. Математическое моделирование, 2002, Т. 14, №3, 103-116.

9. Бугаевский Л.М., Цветков В.Я. Геонформационное пособие для вузов. -М.: 2000.-222 с.

10. Введение в системы баз данных. 8-е издание. / К. Дж. Дейт // ISBN 58459-0788-8, Вильяме, 2005.

11. Вендров A.M. CASE-технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем. — М.: Финансы и статистика, 1998. -176 с.

12. Википедия Электронный ресурс.: свободная энциклопедия Электрон, дан. Режим доступа: http://en.wikipedia.org/wiki/, свободный.

13. Водный кодекс РФ от 3 июня 2006 г. № 74-ФЗ (Собрание законодательства Российской Федерации, 2006, № 23, ст. 2381);.

14. Воды России (состояние, использование, охрана). 2004. -Екатеринбург: Издательство РосНИИВХ, 2006.

15. Вон К. Технология объектно-ориентированных баз данных. // Открытые системы. 1994. Вып. 4 (8). Осень. Р.14.

16. Гареев A.M. Реки и озера Башкортостана. Уфа, изд-во Китап, 2001 г.

17. Гвоздев В.Е., Павлов С.В, Ямалов И.У. Информационное обеспечение контроля и управления состоянием природно-технических систем: Учеб. пособие/ Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Уфа, 2002. - 138 с.

18. Геоинформатика. Толковый словарь основных терминов. М.: ГИС-Ассоциация, 1999. - 204 с.

19. Гиг Дж. Ван. Прикладная общая теория систем. М.: Мир, 1981. -Кн. 1.-341 е., Кн. 2-730 с.

20. Голубков Е.П. Системный анализ как методологическая основа принятия решений // Менеджмент в России и за рубежом. — Б.м — 2003. — N3. — С.95-115.

21. Горячев В. С., Определение границ зон возможного затопления паводками 1 % обеспеченности на реке Белой Отчет о работе, 2005 г.

22. ГОСТ 17.1.1.01-77 Охрана природы. Гидросфера. Использование и охрана вод. Основные термины и определения.

23. ГОСТ 28441-99 Картография цифровая. Термины и определения.

24. ГОСТ Р 51608-2000 Карты цифровые топографические. Требования к качеству.

25. ГОСТ Р 1.11.394-1.003.07 Данные пространственные базовые, общие требования.

26. ГОСТ Р 52438-2005 Географические информационные системы. Термины и определения.

27. ГОСТ Р 52571-2006 Географические информационные системы. Совместимость пространственных данных. Общие требования.

28. ГОСТ Р 52573-2006 Географическая информация. Метаданные.

29. ГОСТ Р ИСО 19113-2003 Географическая информация. Принципы оценки качества.

30. Государственный доклад по итогам работы отдела водных ресуров по Республике Башкортостан Камского бассейнового водного управления за 2007 год.

31. Губанов В.А., Захаров В.В., Коваленко А.Н. Введение в системный анализ. Л.: Изд-во ЛГУ, 1988. - 232 с

32. Данджермонд Дж. Перспективы Национальной геоинформационной системы / http://www.dataplus.ru/Info/MapNET.html.

33. Демерс М. Географические информационные системы. Основы. М.: Изд-во Дата+, 1999. - 478 с.

34. Джексон Питер Введение в экспертные системы. — 3-е изд. М.: «Вильяме», 2001. - С. 624.

35. Евстегнеев Н.М. Конечно-объемная TVD-схема для решения 2D эволюционных уравнений мелкой воды. Вычислительные методы и программирование. 2006, т.7, 108 — 112.

36. Жуков В.Т., Сербенюк С. Н., Тикунов В. С. Математико-картографическое моделирование в географии. М.: Мысль, 1980.-223 с.

37. Замулин А.В. Типы данных в языках программирования и базах данных// Отв. ред. В.Е. Котов. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-е, 1987. - 147с.

38. Ильясов Б.Г. Моделирование производственно-рыночных систем.-Уфа: УГАТУ, 1995.-321с.

39. Ильясов Б.Г., Исмагилова Л.А. и др. Методология моделирования и анализа устойчивости функционирования региональных систем // Проблемы управления в сложных системах. М., 2000. - С. 310.

40. Павлов С.В., Плеханов С.В., Бахтизин Р. Н. Интеграция геоинформационных систем с информационными системами трубопроводного предприятия на основе многомерных моделей данных. // Вестник УГАТУ, Том 8, № 1 (17), 2006.-С.39-42.

41. Клир Дж. Системология. Автоматизация решения системных задач. М.: Радио и связь., 1990. 280 с.

42. Коваленко В.В. Моделирование гидрологических процессов. СПб: Гидрометеоиздат, 1993.

43. Концепция создания и развития инфраструктуры пространственных данных Российской Федерации, одобренная распоряжением Правительства Российской Федерации от 21 августа 2006 г. № 1157-р.

44. Кошкарев А.В., Каракин В.П. Региональные геоинформационные системы. М.: Наука, 1987. - 126 с.

45. Крымский В.Г., Павлов С.В., Хамитов Р.З. Построение системы стратегического управления безопасностью населения субъекта Российской Федерации (опыт Республики Башкортостан). Уфа: Экология, 1999. - 109 с.

46. Лебедева, Н. Единая модель данных для цифровых топографических карт и планов, или как нам обустроить ЦММ // ArcReview «Современные геоинформационные технологии». 2006. — №2(37).

47. Марка Д.А., МакГоуэн К. Методология структурного анализа и проектирования: Пер. с англ. М.: МетаТехнология, 1993. - 240 е.: ил.

48. Мартин Дж. Организация баз данных в вычислительных системах. -М.: Мир, 1980.-662с.

49. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука, 1982, 564 с.

50. Мейер Д. Теория реляционных баз данных. М.: Мир,1987.-608 с.

51. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем / Пер. с англ. М.: Мир, 1973. — 316 с.

52. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа, М.: Наука,1981.

53. Нагао М., Катаяма Т.,Уэмура С. Структура и базы данных. М.: Мир, 1986. - 198с.

54. Норенков И.П. Автоматизированное проектирование. — М.: Мир, 2000. -126 с.

55. Орлов В.Г., Трушевский В Л. Экологические аспекты водопользования /Научно-методическое пособие. — СПб.: Ун-та, 1999. - 183 с.

56. Павлов С.В. ГИС — основа современного информационного обеспечения при управлении территориально-распределенными системами. // Научные проблемы топливно-энергетического комплекса РБ: Уфа, 1997. - С. 63-70.

57. Павлов С.В., Хамитов Р.З., Никитин А.Б. Структура разнородной территориально-распределенной пространственной информации при создании единой геоинформационной системы Росводресурсов // Вестник УГАТУ, 2007. -Т. 9, №4(22).-С. 3-10.

58. Перегудов Ф.И., Трасенко Ф.П. Введение в системный анализ: Учебное пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1989. - 367 с.

59. Положение о Камском бассейновом водном управлении Федерального агентства водных ресурсов. Утверждено Приказом № 21 Федерального агентства водных ресурсов от 02.02.2007г.

60. Постановление Правительства Российской Федерации от 10 апреля 2007г. №219.

61. Постановление Правительства Российской Федерации от 16 июня 2004 г. № 282 «Положение о Федеральном агентстве водных ресурсов» (в ред. Постановлений Правительства РФ от 30.07.2004 N 401, от 06.06.2006 N 354).

62. Постановление Правительства Российской Федерации от 28 апреля 2007г. №253 «О порядке ведения государственного водного реестра».

63. Приказ МПР России от 27.01.2003 № 48 "О Фонде информации по водным ресурсам МПР России".

64. Приказ МПР России от 02.04.2003 № 269 "Об основных положениях концепции создании Единой информационно-аналитической системы природопользования и охраны окружающей среды".

65. Приказ МПР России от 15.07.2003 № 606 "О совершенствовании работы в области формирования единого информационного пространства".

66. Закон РБ №73-з от 24 мая 2000 г. "Об экологическом мониторинге".

67. Постановление Кабинета Министров Республики Башкортостан от 19.06.2001 г. № 134 "Об утверждении республиканской программы "Создание единой государственной информационной системы экологического мониторинга" на 2001-2005 годы".

68. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980

69. Свами М., Тхуласираман К. Графы, сети и алгоритмы. М.: Мир, 1984 —444 с.

70. Скворцов А.В. Триангуляция Делоне и её применение. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002. — 128 е.

71. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1985.-271 с.

72. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов / И.Н. Бронштейн, К. А. Семендяев — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981. 720 с.

73. Таратунин А. А. Наводнения на территории Российской Федерации / Под ред. А. М. Черняева; РосНИИВХ. Екатеринбург, 2000. - 376 с.

74. Томлинсон, Роджер Ф. Думая о ГИС. Планирование географических информационных систем: руководство для менеджеров. Пер. с англ. М. Дата+, 2004. - 325 с.

75. Хамитов Р.З., Павлов С.В., Гвоздев В.Е., Васильев А.Н., Иванов И.Г. Создание геоинформационной модели Республики- Башкортостан //Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес: Всероссийский форум. — Москва, 1995. — С. 26-27.

76. Хамитов Р.З., Павлов С.В., Никитин А.Б. Создание геоинформационной системы Федерального агентства водных ресурсов // ArcReview «Современные геоинформационные технологии», М.: 2005г. с.6-7

77. Хомяков Д.М., Хомяков П.М. Основы системного анализа М.: МГУ. 1996- 108 с.

78. Что такое ArcGIS: описание программных продуктов семейства ArcGIS // Copyright 2001-2002 ESRI. 45 с.

79. Шахов И.С. Водные ресурсы и их рациональное использование. -Екатеринбург: Изд-во "АКВА-ПРЕСС" 2000. - 289 с.

80. Шахраманьян М.А. ГИС для прогнозирования чрезвычайных ситуации//Компьютера — М.: Новые технологии, 2001. — №47. С. 23-26.

81. Шаши Шекхар, Санжей Чаула. Основы пространственных баз данных. /Пер. с англ. М. КУДИЦ-ОБРАЗ, 2004. - 336 с.

82. Яковченко С.Г. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 25.00.35 Геоинформатика. Создание геоинформационных систем в инженерной гидрологии. 2007г.

83. ArcGIS, правила топологии базы геоданных // Copyright 2004, ESRI.

84. ArcGIS, руководство пользователя Geostatistical Analyst // Copyright 2005, ESRI.

85. ArcGIS, руководство пользователя Spatial Analyst // Copyright 2005,1. ESRI.

86. ArcGIS: Working With Geodatabase Topology. An ESRI White Paper, May, 2003 // Copyright 2003, ESRI.

87. Arc View GIS.The Geographic Information System for Everyone. ESRI, Inc. USA, 1996.-350 p.

88. Arctur D., Zeiler M. Designing Geodatabases: Case Studies in GIS Data Modeling. ESRI, Inc., 2004. 250p.

89. Chen Y. GIS and Remote Sensing in Hydrology, Water Resources and Environment. IAHS, 2004. 432p.

90. Crosier S. Getting Started With Arcgis: ArcGIS 9. ESRI, 2004. 265p.

91. Date С J. Moving Forward with Relational Interview. // DBMS, 1994. V.7, № 10 (October)

92. David M. Mark and Max J. Egenhofer. An evaluation of the 9-intersection for region-line relations. In GIS/LIS Conference, San Jose, CA, November 1992.

93. David W. S. Wong, , Jay Lee. Statistical Analysis of Geographic Information with Arc View GIS And ArcGIS. John Wiley & Sons, 2005. 464 p.

94. DeBarry P.A., Quimpo R.G. Gis Modules and Distributed Models of the Watershed: Report. ASCE Publications, 1999. 120p.

95. Egenhofer, J. M. & Franzosa, R. D. (1991), Point-set topological spatial relations. International Journal of Geographical Information Systems, Vol. 5, No. 2, pp. 161-174.

96. Egenhofer, J. M. & Herring, J. R. (1991), Categorizing binary topological relations between regions, lines and points in geographic databases. Technical report, Department of surveying Engineering, University of Maine, Orono.

97. Eliseo Clementini and Paolino Di Felice. An object calculus for geographic databases. In A CM Symposium on Applied Computing, pages 302-308, Indianapolis, February 1993.

98. Guarro S.B. Risk Analysis and Risk Management Models for Information Systems Security Applications // Reliabfllity Engineering and System Safety, 1989, v.25. —pp. 109-130

99. John L. Kelley. General Topology. Springer-Verlag, New York, 1955.

100. Halpin Т. Using object Role Modeling to Design Relational Databases. Interview. // DBMS, 1995. V.8, № 9 (September). P.38

101. Kang-Tsung Chang. Introduction to Geographic Information Systems. McGraw-Hill Higher Education, 2006. 450 p.

102. K. Bennis et al. GeoGraph: A topological storage model for extensible GIS. In Auto-Carto 10, pages 349-367, March 1991.

103. Kovar K., Nachtnebel H. P. Application of Geographic Information Systems in Hydrology and Water Resources Management. International Association of Hydrological Sciences, 1996. 724p.

104. Lyon J G. GIS for Water Resources and Watershed Management. CRC Press, 2003.

105. Maidment D.R. Arc Hydro: GIS for Water Resources. ESRI, Inc, 2002.220p.

106. Max J. Egenhofer and John R. Herring. Categorizing binary topological relationships be tween regions, lines, and points in geographic databases. Technical report, Department of Surveying Engineering, University of Maine, Orono, ME, 1992.

107. Michael Stonebraker, Lawrence A. Rowe, and Michael Itirohama. The implementation of Postgres. IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering, 2(1): 125-142, March 1990.

108. Muller J.C. "Generalization of Spatial databases" in "Geographical Information Systems" Volume 1: Principles edited by Maquire D.J., Goodchild M.F., Rhind D.W., Longmans, 1991, p. 75-457.

109. Nick Roussopoulos, Christos Faloutsos, and Timos Sellis. An efficient pictorial database system for PSQL. IEEE Transactions on Software Engineering, 14(5):639-650, May 1988.

110. Ormsby T. Getting to Know ArcGIS Desktop: Basics of ArcView, ArcEditor, and Arclnfo. ESRI, 2004. 588p.

111. Peng Z-R. Tsou M-H. Internet GIS: Distributed Geographic Information Services for the Internet and Wireless Networks. John Wiley and Sons, 2003. 720p.

112. Price M.H. Mastering Arcgis. McGraw-Hill, 2006.

113. Raza, A., Object-oriented temporal GIS for urban applications. PhD Thesis, ITC Publication Number 79, 2001.

114. Ronald F. Abler. The national science foundation national center for geographic information and analysis. International Journal of Geographical Information Systems, l(4):303-326, 1987.

115. Singh Vijay P., Fiorentino M. Geographical Information Systems in Hydrology. Springer, 1996. 443p.

116. Sudhakar Menon and Terence R. Smith. A declarative spatial query processor for Geographic Information Systems. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 55(11):1593-1600, November 1989.

117. Sylvia de Hoop and Peter van Oosterom. Storage and, manipulation of topology in Postgres. In Third European Conference on Geographical Information Systems, pages 1324-1336, Munich, March 1992.

118. Tom Vijlbrief and Peter van Oosterom. The GEO system: An extensible GIS. In Proceedings of the 5th International Symposium on Spatial Data Handling, pages 40-50, Charleston, South Carolina, August 1992. International Geographical Union IGU.

119. Understanding ArcSDE: ArcGIS 9. ESRI Press, 2004. -60 p.

120. Understanding GIS. The ARC/INFO Method. Environmental Systems Research Institute, Inc. USA, 1995. 610 p.

121. Ward Andrew D., Elliot William J. Environmental hydrology. Boca Raton, Fla. : Lewis Publishers, 1995.

122. Zeiler, M., Modelling our world. USA: Environmental Systems Research Institute, Inc., 1999