Нашли неточность, аошибку в тексте?

Выделите текст и нажмите
Ctrl + Enter и напишите вашу версию текста.
Спасибо.

Мы бесплатно разместим статьи, тексты, книги, публикации на Эко портале обращайтесь portaleco.ru@gmail.com

 Географические информационные системы
(3 голоса, среднее 5.00 из 5)
Статьи - Диффузное загрязнение водных экосистем

Географические информационные системы

Математическое моделирование, которое уже давно играет важную роль в изучении сложных экологических процессов, получило дополнительный импульс в своем развитии после широкого внедрения в практику научных исследований персональных компьютеров (ПК). Вычислительные мощности современных ПК и их новейшее математическое обеспечение предоставляют модельерам возможности не только по воспроизведению процессов во все более сложных системах, но и по мгновенному графическому представлению (визуализации) результатов расчетов, что помогает более оперативно обрабатывать результаты численных экспериментов.

Одним из наиболее мощных средств компьютерной обработки и представления пространственных (территориальных) данных являются географические информационные системы (ГИС). Первоначально ГИС рассматривались как средство, которое облегчает сбор и хранение пространственно-координированных данных, а также обеспечивает их обработку, оперативный доступ к ним и отображение в том или другом виде (на бумаге или дисплее).

1 СЕГГ - Centre of Eco-Information & Terminology, Ltd., Bratislava, Slovakia

В настоящее время, особенно в связи с развитием компьютерных сетей, геоинформационные системы стали широко использоваться в моделировании процессов в геосистемах.

По внутренней структуре различают две базовые конфигурации ГИС -растровую и векторную. Основные отличия названных конфигураций обусловлены алгоритмами связывания пространственных и непространственных данных. В растровых системах пространственные объекты представляются в виде совокупности ячеек растра, которым присвоены значения класса объекта. Растровое представление предполагает позиционирование объектов указанием их положения в соответствующей растру прямоугольной матрице, причем единообразно для всех типов пространственных объектов - точек, линий, многоугольников (полигонов) и поверхностей. Каждой точке растра - пикселю1 -соответствует определенная (используемым масштабом) площадь на поверхности Земли. Следовательно, каждому пикселю можно поставить в соответствие свойства (атрибуты), присущие этой области пространства.

В геоинформационных системах, в которых используется векторное представление пространственных данных, территория подразделяется на элементарные графические объекты - точки, линии, полигоны. Каждый из таких графических элементов может соответствовать какому-нибудь географическому объекту (вершина, дорога, поле). За исключением закодированных атрибутов, в ГИС хранятся только координаты точек и линий (полигон в векторных ГИС представляется замкнутой ломаной линией). Так, если требуется определить с помощью ГИС величину параметра Х,{Р), соответствующую точке Р(х, у, z), то прежде чем выдать информацию система с помощью алгоритма поиска проверяет, в пределах какого полигона или на какой линии лежит точка Р. Поскольку атрибутивные данные конкретного географического объекта, представленного внутри ГИС линией или полигоном, характеризуют сразу всю протяженную область, такой способ их соотнесения с пространственными составляющими объекта часто позволяет минимизировать объем хранимой информации.

Каждая из систем имеет свои преимущества. Растровые системы обычно допускают ббльшую дифференциацию параметров. К тому же, слои данных в них могут быть связаны напрямую, попиксельно. Поскольку в растровых ГИС не требуется проводить вычислений при соотнесении точек позиционирования и атрибутивных данных, приемлемая скорость обработки изображения достигается при работе с ними даже на ПК прежних поколений (АТ386/387, АТ486). Преимущества векторных ГИС - в более компактном способе хранения данных при заданной точности представления.

1 Пиксель (иногда пиксел) - от английского picture cell («элемент картинки») - наименьшая, неделимая часть изображения («картинки»), которая получается при его дискретизации. Прямоугольная форма и размеры пикселя определяют пространственное разрешение изображения.

Однако важность этого фактора постепенно утрачивается, так как довольно быстро падают цены на электронные устройства хранения информации при одновременном росте их емкости. Тем не менее, если с помощью ГИС обрабатывается малое число больших связанных областей, как это бывает при картографических работах, то выгодно использовать структуры географических данных векторного типа, поскольку в этом случае будет использоваться малое количество операций связывания. В противном случае, когда используется большое число мелких подобластей, каждую из которые необходимо характеризовать своим набором атрибутов, применение растровых ГИС может оказаться более рациональным.

Кроме того, некоторые данные, являющиеся базовыми для создания ГИС, доступны только в виде растра, в частности, данные дистанционного зондирования - аэрофотоснимки и изображения, получаемые с помощью искусственных спутников Земли. Для векторизации их исходных растровых форматов необходимо проводить специальную обработку снимков, которая пока еще не может быть полностью автоматизирована и, следовательно, требует усилий подготовленных специалистов'.

Доступ и манипулирование данными в геоинформационных системах зависит

Доступ и манипулирование данными в геоинформационных системах зависит также от типа модели, которая используется для дискретизации пространственных координат. Простейший подход состоит в разбиении территории на одинаковые квадратные (или прямоугольные) ячейки, упорядоченные в ряды и колонки (regular grid*). Другим распространенным способом цифрового представления рельефа является модель, основанная на треугольной нерегулярной сетке (triangle irregular network, TIN), которая аппроксимирует рельеф многогранной поверхностью с высотными отметками (отметками глубин) в узлах треугольной сетки. В первом случае говорят о цифровой модели рельефа (ЦМР) на сетке' (подразумевая регулярную прямоугольную), а во втором — о TIN-модели.

Выбор сеточной модели удобен при численных расчетах стока, основанных на методах конечных разностей, в то время как TIN-модель является более подходящей для применения метода конечных элементов. Дополнительные сложности, которые возникают при реализации численных расчетов в последнем случае, компенсируются экономией памяти вычислительных систем, так как размер ячеек треугольной сетки не фиксирован и может быть подобран к локальным характеристикам рельефа. Напротив, разностные методы, основанные на сеточной модели, хотя и предъявляют повышенные требования к объему памяти, зато являются более простыми, и п^и наличии вычислительных ресурсов обеспечивают ббльшую «автоматизацию» расчетного алгоритма.

1 Обратный процесс преобразования из векторного формата в растровый почти тривиален и используется всегда при формировании изображений на дисплее или бумаге.

2 Регулярная сетка (англ.).

3 На «гриде» (жарг.).

В частности, сеточный подход используется в растровой геоинформационной системе GRASS (разработка U. S. Army Corps of Engineers), а также в широко применяемой системе Arc/Info-GRID (разработка Environmental Systems Research Institute, Inc., Redlands, CA, USA). Эти системы, как часть своих возможностей, включают гидрологические функции, позволяющие на основе ЦМР определить в любом месте территории направление стока и его область, построить русловую сеть, водоразделы и т. п. Некоторые вопросы применения ГИС для гидрологического моделирования рассматриваются в обзорной работе [DeVantier and Feldman, 1993].

Связь между ГИС и гидрологическими детерминированными моделями с самого начала представлялась довольно естественной, поскольку моделирование стока с водосбора предполагает использование пространственно распределенных параметров территории. Развитием применения геоинформационных систем в экологическом моделировании стало их использование для оценок нагрузки от неточечных источников. Так, в работе [Vieux, 1991] представлен обзор по моделированию стока и качества воды с использованием ГИС. J. Benaman et al. [1996] использовали ГИС совместно с моделью качества воды WASP5' для моделирования содержания растворенного кислорода в канале. ГИС применялась здесь для генерации набора данных, необходимых для работы модели качества воды, а также для обработки и визуализации результатов расчетов.

С. Adamus and M. Bergman [1993], используя ГИС, разработали простую модель для предварительных оценок рассредоточенной нагрузки с водосбора. Модель учитывала 10 видов землепользования и 4 вида почв (в соответствии с методом Службы охраны почв для расчета слоя поверхностного стока [Mockus, 1972; Виссмен и др., 1979]), характерных для исследованной водосборной территории, и позволяла оценивать годовую нагрузку с водосбора по элементам-биогенам, взвешенным веществам и двум тяжелым металлам -свинцу и цинку. Стандартные функции ГИС использовались здесь для выделения участков водосборов, которые характеризовались одним видом почв и одним видом хозяйственного использования.

Применение растровой геоинформационной системы GRASS для оценки нагрузки от неточечных источников на мезомасштабных водосборах описано в цикле работ Krysanova et al. [1995, 1998-2000]. На основе цифровой модели высот с помощью функции выделения водосборов очерчивались подбассейны, в которых задавались элементарные области загрязнения с учетом типов почв и видов землепользования. Для последних рассчитывались водный баланс и нагрузка по биогенным элементам. Полученные данные по таким элементарным областям суммировались для оценки нагрузки с территории подбассейна;

1 WASPS - одна из новейших версий семейства компьютерных моделей WASP, разработанных US EPA для воспроизведения параметров качества воды в руслах [Ambrose etal., 1991].

при этом времена добегания и потери веществ при транспорте в расчет не принимались. Лишь на уровне всего водосбора в целом нагрузка от рассредоточенных источников рассчитывалась с учетом переноса взвешенных и биогенных веществ по русловой сети. Данная модель, как считают авторы, может использоваться, в частности, для уточнения такой интегральной характеристики водосбора, как модуль химического стока (Unit Area Load).

Таким образом, в моделировании гидрологических процессов и диффузного загрязнения водных объектов геоинформационные системы находят применение, чаще всего, в двух случаях. Во-первых, ГИС используются как инструмент выделения в изучаемых гидрологических системах естественных подсистем - частных водосборов, а также однотипных (в природном и хозяйственном отношении) участков. Для каждого такого участка, принимая предположение о его однородности, отдельно рассчитывается сток (водный, твердый или химический), а затем находится сток со всего водосбора. Второе направление применения ГИС в моделях неточечных источников - это развитие ГИС-интер-фейса к известным компьютерным программам, который позволял бы генерировать для них файлы входных данных, используя цифровую модель местности и заложенные в ГИС параметры территории (почв, растительности и т. п.).

В последнее десятилетие появились работы, в которых численное моделирование гидрологических процессов и сопутствующих процессов формирования гидрохимического стока производится только средствами самих геоинформационных систем, с помощью внутреннего языка запросов и управления данными, реализованного в некоторых стандартных ГИС. Поскольку в задачах моделирования важным моментом является анализ чувствительности используемых численных алгоритмов к изменению параметров дискретизации расчетной схемы, вопросы по проведению таких исследований стали подниматься в литературе и относительно вычислительных возможностей ГИС. Например, в работе [Vieux, 1993] обсуждалось влияние размера ячеек сетки ЦМР на величину уклонов и длин склонов, рассчитываемых с помощью ГИС. и, как следствие, на вычисляемые объемы поверхностного стока. В другой работе В. Vieux and S. Needham [1993] показали, что укрупнение сетки ведет к тому, что рассчитываемая с помощью ГИС длина водотоков становится меньше, а вынос взвешенных веществ с водосбора увеличивается.

Центр по изучению водных ресурсов

С 1997 г. Центр по изучению водных ресурсов (CRWR)1 при Техасском университете (Остин, США) выпускает элекгронные сборники «GIS Hydro» [1997-1999], в которых публикуются материалы семинаров «ГИС и гидрология», проводимых CRWR совместно с Environmental Systems Research Institute (ESRI)2 в преддверии ежегодных конференций пользователей программных

1 CRWR - Center for Research in Water Resources, University of Texas at Austin.

2 Environmental Systems Research Institute, Inc. (Redlands, CA, USA) - один из ведущих мировых разработчиков геоинформационного программного обеспечения, держатель прав на распространение таких популярных систем, как Arc/Info и Arc View.

продуктов ESRI. Идея выпуска материалов на компакт-дисках (CD-ROM), принадлежащая, по всей видимости, руководителю CRWR профессору Д. Р. Мейдменту, оказалась очень удачной. Круг участников семинара с каждым годом расширяется, все большее число научно-исследовательских организаций используют электронные выпуски «GIS Hydro» для публикации результатов своих работ по изучению водных ресурсов с применением ГИС. Так, в выпуске 1999 г. свои разработки представили, кроме самих организаторов семинара, такие известные институты и лаборатории, как Гидрологический инженерный центр (Hydrologic Engineering Center, НЕС) Корпуса инженеров армии США, Датский институт гидравлики (Danish Hydraulic Institute, DHI), Отдел воды Агентства по охране окружающей среды США (Office of Water, U. S. Environmental Protection Agency), исследовательские лаборатории двух университетов штата Юта (Environmental Modeling Research Laboratory, Brigham Young University; Utah Water Research Laboratory, Utah State University).

Выпуски «GIS Hydro» включают материалы' самого разного содержания, которые могут быть полезны как для студентов, так и для исследователей, работающих в области гидрологического моделирования. Большинство работ, опубликованных в этих сборниках, представляют несомненный интерес и с позиции приложения к задачам моделирования рассредоточенных источников. К таким работам можно отнести, в частности, Цифровой атлас водного баланса Земли [Maidment et al., 1998], созданный CRWR при поддержке ряда национальных и международных фондов (программ)2. В работе [Romanek etal., 1999] авторский коллектив из CRWR предлагает расширение ArcView - модуль СОС Transport, который позволяет производить расчет гидрохимического стока с учетом особенностей рельефа водосбора и пространственного распределения осадков (ЦМР и данные об осадках используются как входные данные). Датский институт гидравлики представил цикл докладов по ГИС-расширениям для своих компьютерных моделей: MIKE 11 (модели паводков), MIKE SHE (модели гидрологического цикла), MIKE BASIN (модели водосборов), MOUSE (модели стока с городских территорий). Кроме того, в выпусках «GIS Hydro» опубликованы результаты ряда исследований по формированию нагрузки на урбанизированных и сельскохозяйственных водосборах и ее влиянию на качество воды в приемных водных объектах, а также материалы справочного характера, в том числе адреса сайтов, посвященных водно-ресурсным исследованиям и ГИС.


Похожие статьи:

Добавить статью в закладки

 
Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Полное или частичное копирование материалов сайта разрешается только при указании активной ссылки на экологический портал!
Материалы размещены и подготовлены для образовательных и некоммерческих целей.
ООО "Новая Экология" © 2010 - 2017