Цифровое моделирование рельефа

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

КАЗАХСКИЙ АГРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ САКЕНА СЕЙФУЛЛЛИНА

РЕФЕРАТ

на тему: Цифровое моделирование рельефа (гидрология)

Выполнил:

Закумбаев Д.А.

Группа: 410

Проверила:

Мажренова Ш.К.

Нур-Султан, 2020 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Цифровые модели рельефа для гидрологических расчётов

1.1 Определение ЦМР, способы создания

1.2 Создание ЦМР для гидрологических приложений

2. Использование ЦМР для расчёта структурного деления и характеристик территории

3. Определение параметров для расчёта

3.1 Гидрографические параметры

3. Физико-географические параметры

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Рельеф, как один из компонентов природных комплексов, играет важную роль в формировании всех гидрологических процессов. Изучение речных бассейнов является неотъемлемой частью географических исследований, позволяющей решить многие задачи, связанные с анализом территориальных данных при планировании. В конце в конце 80-х годов XX века стало возможным представлять рельеф в форме цифровых моделей рельефа (ЦМР) для решения различных задач, в том числе гидрологических расчетов в связи с появлением геоинформационных систем. Целесообразно применение ЦМР для проведения структурного деления территории на используемые в гидрологии элементы и расчеты усредненных морфометрических, а также физико-географических характеристик этих элементов. Высокую степень востребованности имеют вычисления с помощью ЦМР характеристик зон затопления.

Создание технологий построения ЦМР, адаптированной к гидрологическим приложениям, являлось одной из точек приложения усилий зарубежных исследователей уже на заре возникновения ГИС. Начиная с фундаментальных работ Michael Hutchinson и соавторов, появился ряд решений в этой области, основанных на принципе интеграции данных по гидрографии и рельефу при создании ЦМР. С самого начала появления ГИС большое внимание уделялось способам построения ЦМР, обеспечивающей генерацию речной сети, согласованной с горизонталями.

Другим важным вопросом использования ЦМР в гидрологических расчетах остается исследование зависимости рассчитываемых гидрологических характеристик от свойств (в особенности дискретности) цифровой модели местности, оценка точности вычислений характеристик в ГИС.

цифровая модель рельеф гидрологические приложения

1. Цифровые модели рельефа для гидрологических расчётов

1.1 Определение ЦМР, способы создания

Цифровые модели рельефа -это растровое представление непрерывной поверхности, обычно ссылающееся на поверхность Земли. Точность этих данных определяется в первую очередь разрешением (расстояние между точками образца). Другие влияющие на точность факторы - это тип данных (целочисленные или с плавающей точкой) и фактической выборка поверхности при создании оригинальной ЦМР.

Сегодня существуют два подхода к ГИС моделированию гидрологических процессов. В первом подходе модель реализуется с помощью внешних программных средств (обычно С++ и FORTRAN), связываемых с существующими ГИС. Во втором подходе реализация алгоритмов проводится в стандартных ГИС-приложениях с использованием возможностей их внутреннего аппарата, примером которого служит встроенный язык программирования Avenue в ГИС ESRI Arc View. Данный подход поддерживается группой исследователей, возглавляемой D.R.Maidment, чьи разработки дали значительный толчок к внедрению гидрологических геоинформационных систем, позволили создать ряд технологий гидрологических вычислений с помощью ГИС. Базовым геоинформационным ПО, для которого адаптированы результаты работы этих исследователей, служит программные продукты фирмы ESRI (© ArcView, © Arc/Info), встроенные функции которых позволяют реализацию большинства задач инженерной гидрологии без привлечения дополнительного ПО.

1.2 Создание ЦМР для гидрологических приложений

Использование ЦМР в качестве исходного материала для гидрологических расчетов предъявляет к ней специальные требования гидрологической согласованности, выполнение которых позволяет гарантировать корректное расположение расчетных водораздельных линий и линий тальвегов. Уже на ранних этапах возникновения ГИС появились работы, предлагающие методику построения ЦМР именно для гидрологических исследований. Обобщая эти работы, можно сформулировать следующее понятие гидрологической согласованности ЦМР. Во-первых, в такой ЦМР должны отсутствовать фиктивные точки стока. Под фиктивными точками понимаются ячейки, высота которых меньше, чем у всех ближайших соседних. Наличие таких точек возможно в реальном рельефе только в бессточных областях или на дренажной сети у границы расчетной области. Во-вторых, потоковые линии (линии наискорейшего спуска), проведенные по ЦМР, должны совпадать (в пределах точности расчетов) с соответствующими отрезками исходной речной сети. Последнее понятие можно переформулировать в следующем виде: для двух произвольных точек, взятых на линии исходной речной сети, должна существовать потоковая линия, рассчитанная по ЦМР, соединяющая две эти точки. Как правило, потоковые линии, рассчитанные по ЦМР, созданной без учета речной сети, совпадают с ней только в точках пересечения речной сети с горизонталями (при условии самосогласованности первичных данных), или в точках, несущих информацию об урезе воды.

Это происходит, во-первых, из-за несовершенства механизмов интерполяции, и из-за особенностей рельефа вблизи речной сети. В связи с этим, необходим обязательный учет речной сети при создании ЦМР. ЦМР, удовлетворяющая выше изложенным требованиям, позволяет получить правильные водораздельные линии, линии тальвегов и водосборное деление территории.

2. Использование ЦМР для расчёта структурного деления и характеристик территории

Помимо гидрологической согласованности для решения ряда гидрологических задач (прежде всего оценки затопления территории) цифровая модель рельефа должна отражать особенности поверхности поймы, которые обозначены на топографической карте в виде структурных линий (обрывы и дамбы). Все реализованные алгоритмы построения ЦМР для гидрологических целей (модуль TopoGrid, Hydrologing Modeling), используя только основные картографические данные, не задействуют значительную часть слоев, следствием чего является плохая гидрологическая согласованность ЦМР для многих нестандартных ситуаций. В данной работе предлагаются алгоритмы корректного учета дополнительной информации, снимаемой с ЦКМ, для построения гидрологически - согласованной ЦМР и их реализация с использованием стандартных возможностей ГИС. Поскольку растровая модель рельефа является исходным материалом для большинства гидрологических расчетов, основные работы с целью создания гидрологически согласованной ЦМР проводятся именно с этим форматом. Необходимо подробнее остановиться на уже достигнутых результатах в этом направлении. Одним из базовых понятий при работе с ЦМР для гидрологических задач является понятие дренажа. В растровой модели рельефа понятие речной сети (дренаж) включает некоторую связную совокупность ячеек. Ширина реки всюду равна одной ячейке. При этом речная сеть представляет собой связное дерево, т.е. отсутствуют структуры островного типа. Это означает, что реальная речная сеть заменяется однопроточной, с единичной шириной протоков. В целом такое рассмотрение более чем достаточно для моделирования и прогноза стока рек. Подходы к расчету дренажа Большинство гидрологических расчетов по ЦМР требуют корректного построения русловой сети. Простая растеризация первоначальной речной сети приводит, как правило, к неверным результатам. Дело в том, что расчетная дренажная сеть часто не совпадает с реальной сетью, отклоняясь от нее на расстояние до нескольких ячеек (со стороной а). В основном такие несовпадения возникают из-за огрубления при растеризации, несогласованности начальных данных в горизонталях и речной сети, а также несовершенства механизмов интерполяции.

3. Определение параметров расчёта

3.1 Гидрографические параметры

3.2 Физико-географические параметры

При моделировании процессов формирования стока одним из необходимых шагов является вычисление усредненных морфометрических и физико-географических характеристик элементов деления территории (как правило, водосборов). Ряд этих характеристик используется при оценке экстремального стока, при моделировании русловой трансформации, при расчете распределений гидрометеоэлементов на территории. Проводится оценка зависимости погрешности расчета характеристик территории от параметров ЦМР, предлагаются подходы к расчету характеристик при неполноте данных (в частности отсутствии цифровых карт необходимого масштаба). Список гидрографических характеристик водосборного бассейна, которые могут быть рассчитаны с помощью современных ГИС технологий с использованием цифровых моделей рельефа (ЦМР), весьма обширен и может включать в себя, в частности следующие характеристики:

1. Рассчитываемые по гидрографической сети характеристики водосбора: а) длина речной сети (густота речной сети); б) извилистость речной сети.

2. Рассчитываемые по рельефу (морфометрические) характеристики водосбора: а) площадь водосбора, длина водораздельной линии; б) график нарастания водосборной площади вдоль течения реки; в) график изменения ширины водосбора вдоль течения реки; г) ареаграфическая кривая или кривая добегания; д) коэффициент асимметрии водосбора; е) гипсографическая кривая (доля площади водосбора с высотами больше заданной); ж) средний уклон водосбора; з) средний уклон склонов; и) средний уклон русла; к) средняя длина склонов; л) средняя длина добегания; м) продольный профиль русла.

Рассчитываемые с использованием прочих картографических данных (физико-географические) характеристики водосбора: а) коэффициент залесенности; б) коэффициент озерности; в) коэффициент заболоченности; г) гидрографическая кривая (доля расхода водосбора, формируемого высотами, больше заданной). Также бывает необходимым проведение расчетов гидрографических характеристик речной сети, проведение анализа порядковой зависимости гидрографических величин. При выделении области расчета, в которую входит рассматриваемая единица территории, используется грид деления территории.

Надо отметить, что при выделении расчетной территории крайне желательно одновременное изменение экстента расчета и экстента анализа на период расчета (в Spatyal Analyst это производится функциями SetAnalysisExtent и SetAnalysisMask), в соответствии с экстентом расчетного участка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современные геоинформационные технологии являются мощным инструментом для решения задач, возникающих в науках о земле, в том числе и гидрологии. Возникновение средств создания и анализа цифровых моделей рельефа глобальным образом изменило ситуацию, позволило автоматизировать вычисления и, тем самым, дало новый толчок для развития гидрологических исследований. Возможности современных ГИС позволили значительно увеличить точность и качество представления информации о подстилающей поверхности водосбора, облегчили анализ этой информации, а также автоматизировали многие гидрологические расчеты. Обеспечение точности вычисляемых по цифровым картам параметров потребовало от исследователя жесткого контроля внутренней согласованности цифровых карт, минимизации ошибок на каждом этапе расчетов. Ограниченность инструментария даже в самых современных ГИС очень часто требует проявления изобретательности и умения провести корректный "перевод" расчетной задачи на "язык" ГИС - картографическую алгебру и её реализации.

Таким образом, разработка ГИС-моделей рельефа для гидрологических приложений и алгоритмов их использования в гидрологических расчетах является актуальной проблемой, имеющей большое научное и практическое значение.

Использованные источники

1. Андреев B.J1. Использование ГИС для оценки ущерба затопления в Приморском крае, http://dataplus.ru/Industries/2MVD/FloodKr.htm

2. Бельчиков В.А., Борщ С.В., Вознесенский В.Ю., Гаврилов В.И., Лебедев В.В., Мухин В.М., Куприянова Е.И., Харитонов В.А. Опыт применения геоинформационных технологий для прогнозирования стока половодья. -Метеорология и гидрология, 2001, №10, с.62-70.

3. Введение в ARC/INFO версии 7.1.1. (с) ESRI, Калифорния, США, 1998, с. 14-7.

4. Вишневская Е.А., Елобогоев А.В., Высоцкий Е.М., Добрецов Н.Н. Пространственное моделирование рельефа средствами ГИС для морфотектонического анализа.//Материалы межд. конференции "Интеркарто-6" г. Апатиты, 22-24 августа 2000 г.- С.52-61.

5. Воробьев К.В., Постнова И.С., Широкова С.Л., Яковченко С.Г., Разработка информационно-моделирующей системы для оценки загрязненности атмосферы территорий Алтайского края, Вычислительные технологии. -2000,- Т. 5. С.117-127.

6. Географический энциклопедический словарь. Понятия и термины. М. "Советская энциклопедия", 1988,432 с.

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

8. Калинин В.Г., Пьянков С.В., Использование гидрографических характеристик рек и их бассейнов в гидрологических расчетах. -Метеорология и гидрология, 2002, № 11, С. 75-80.

9. Калинин В.Г., Пьянков С.В., К вопросу о влиянии рельефа на сток рек Боткинского водохранилища. Метеорология и гидрология, 2004, № 3, С. 98-104.

10. Характеристики сенсора Aster, http://www.sovzond.ru/products/aster.htm

11. Яковченко С.Г., Постнова И.С., Жоров В.А., "Технология создания гидрологически корректных моделей рельефа"// Материалы Международной конференции "ГИС для устойчивого развития территорий", 28 мая -1 июня 2002 г., Санкт-Петербург, С.137-142.