Математическое моделирование геоэкологических объектов с применением геоинформационной технологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Математическое моделирование геоэкологических объектов с применением геоинформационной технологии

Особенности ГИС-технологий, используемых при математическом моделировании геоэкологических объектов, следует рассматривать в контексте комплексной проблемы автоматизации решения гидроэкологических задач.

Практика развития автоматизации информационного обеспечения геоэкологических, инженерно-геологических и ряда других задач, требующих количественного описания трехмерной динамической среды, параметры которой изменяются в пространстве и во времени, привела к необходимости интеграции нескольких типов баз данных:

- фактографических данных (БФД), которые содержат результаты измерений параметров, описывающих прошлое и настоящее состояние объекта, как правило, по точечным пунктам наблюдения;

- объектных (генерализованных) данных (БГД), которые содержат параметры, ге-нерализованные по объектам в целом или их структурным частям (например, водоносный горизонт, бассейн подземных вод, месторождение подземных вод, область загрязнения, административный район и т.д.);

- профильных данных (БПД), содержащих параметры, описывающие структуру и изменчивость свойств объекта по вертикальным сечениям его трехмерной толщи;

- картографических (БДК) данных - информация, описывающая геометрию и из-менчивость параметров объекта в плане;

- сеточных данных (БСД) - параметры, описывающие свойства трехмерного объекта по выбранному ансамблю опорных (узловых) точек;

- пространственных (трехмерных) данных (БТД) - параметры, описывающие свойства трехмерного гидрогеологического объекта.

Взаимодействие баз данных перечисленных типов осуществляется с помощью специальных двухсторонних интерфейсов. Основные назначение большинства интерфейсов интегрированной системы изучения и мониторинга геологической среды очевидно по их положению в этой системе.

Суть затронутой проблемы заключается в следующем: если при преобразовании форм представления данных уменьшается неопределенность информации, то эта операция не может быть полностью формализована без привлечения определенных априорных гипотез или дополнительных данных. К таким интерфейсам относится, в частности, интерфейс «объект-точка», в формальные функции которого может выступать предположение о равномерной нагрузке скважин водозабора и о постоянстве их дебита во времени и т.д.

Аналогичная ситуация возникает при разработке внутренних интерфейсов

баз сеточных, картографических и пространственных данных (интерфейсы «сетка-сетка», «карта-карта», «тело-тело») при изменении масштаба их отображения: переход от крупномасштабному полностью формализуем, так как в этом случае информативность данных уменьшается и всегда можно построить систему однозначных правил генерализации параметров. В отличие от этого укрупнение масштаба не может быть выполнено без эвристических гипотез или без привлечения новых данных иного формата.

С практической точки зрения в первую очередь следует разработать полностью формализуемые интерфейсы, связанные с генерализацией параметров по объектам изучения и мониторинга геологической среды («точка-объект», «профиль-объект», «сетка-объект» и т.п.) а также хорошо формализуемые интерфейсы, обеспечивающие преобразование и графическое отображение сеточных данных: «сетка-сетка меньшей разрешающей способности», «сетка-карта», «сетка-тело».

Вместе с тем наибольшим спросом пользуется интерфейсы, которые могут быть эффективно формализованы на основе эвристических гипотез, обобщающих многолетний практический опыт «ручной» обработки информации. К таким интерфейсам относятся программные средства автоматизации построения разрезов и карт на основе фактических данных, а также средства автоматической генерации массивов значений сеточных функций на основе баз картографических и пространственных данных. Именно на создание этих интерфейсов приходится центр тяжести работ по рассматриваемой проблеме.

Очевидно, что среди перечисленных типов информационных объектов для моделирования гидрологических и гидрогеологических процессов, в основе которого лежит численное решение краевых задач геофильтрации и геомиграции методом конечных разностей или методом конечных элементов, особое значение имеют базы сеточных данных, обеспечивающие уравнение многовариантной информации для комплексной системы разномасштабных математических моделей гидрологических и гидрогеологических процессов и динамический взаимный обмен данными между отдельными моделями этой системы. Поэтому ключевым звеном автоматизации информационного обеспечения математических моделей гидрологических и гидрогеологических объектов является разработка двухсторонних интерфейсов, связывающих базы сеточных данных с базами фактографических, генерализованных, профильных, картографических и пространственных данных.

Проблемно-ориентированные средства интеграции баз сеточных данных с внешними базами данных в настоящее время отсутствуют. Это существенно снижает эффективность и масштабы применения геоинформационных технологий для решения научных и прикладных задач изучения, использования, контроля состояния и охраны гидролитосферы. Некоторые задачи создания баз сеточных данных, которые могут быть использованы в геоинформационных системах, решены в рамках «электронных таблиц» и модулей инструментальных ГИС.

В связи с большой информационной емкостью сеточных модолей геоэкологических объектов наиболее эффективным способом снижения трудоемкости создания таких моделей является разработка «входных» интерфейсов баз сеточных данных, обеспечивающих параметризацию сеточных областей на основе фактографических данных по пунктам наблюдений.

Основные трудности реализации таких интерфейсов обусловлены следующими особенностями математических моделей геоэкологических объектов:

- параметры моделей в общем случае относятся к классу кусочно-непрерывных функций координат, заданных на не односвязной области;

высокой себестоимости гидрогеологических данных, т.к. количество пунктов наблюдения, как правило, на два порядка меньше количества расчетных узлов се

точной области;

- большинство параметров модели, задаваемых в узловую точку сеточной области, относится к так называемым эффективным значениям, и должны интегрально характеризовать неоднородной линейный, площадной или пространственный фрагмент моделируемой области, отнесенный к этой точке. При этом следует учитывать, что не все параметры модели аддитивны и могут быть получены путем простого усреднения по площади или по объему.

В связи с этим обычные методы интерполяции и экстраполяции результатов и для описания сеточных областей приходится использовать плохо формализуемых закономерности пространственной изменчивости параметров моделируемой среды. Многолетняя практика решения гидрологических и геоэкологических задач показывает, что наиболее приемлемым способом параметризации сеточных областей является последовательное выполнение следующих операций:

- построение серии схематизированных параметризованных разрезов моделируемой области на основе фактографических данных (интерфейс «точка-профиль»);

- построение карт районирования или карт изолиний параметров на основе профильных и фактографических данных (интерфейсы «точка-карта» и «профиль-карта»);

- генерация данных для линейных и площадных элементов дискретизации сеточной области на основе картографических данных (интерфейс «карта-сетка»).

Следующим резервом снижения трудоемкости технологии математического моделирования геоэкологических процессов является разработка мощного редактора сеточных данных, обеспечивающего эффективный анализ и модификацию параметров моделей в среде инструментальной ГИС.

Редактор сеточных функций должен обеспечивать выполнение следующих операций: ввод постоянного или изменяющегося от точки к точке параметра для выбранного на карте линейного или площадного фрагмента слоя сеточной области; условные алгебраические операции типа «массив-число» и «массив-массив» над значениями параметра в пределах фрагмента слоя сеточной области; интерполяция сеточной функции по ее значениям, заданным в отдельных узловых точках (несколько способов); сглаживание значений сеточной функции; расчет средних и экспериментальных значений сеточной функции в пределах указанного фрагмента слоя сеточной области; генерация сеточной функции при изменении дискретизации области; сборка сеточной функции по ее значениям для смежных фрагментных моделей; формирование сеточной функции на основе массива параметров граничных условий.

Часть перечисленных функций редактора сеточной информации в той или иной мере уже реализована в рамках средств управления атрибутивными данными инструментальных ГИС. Определенное неудобство работы с сеточными данными вызывает используемая структура представления данных, когда строка таблицы соответствует одной узловой точке, а каждый редактируемый параметр располагается в отдельной колонке таблицы. Для сеточных данных более естественным является отображение значений параметров в виде таблицы, строки и столбцы которой соответствуют строкам и столбцам сеточной области. Такой подход требует, однако, стандартизации способов идентификации элементов дискретизации моделируемой области, отображаемых на электронных картах.

Отображение сеточных данных на электронных картах принципиальных затруднений не вызывает и может быть полностью автоматизировано. Следует отметить, что моделирование геоэкологических объектов всегда сопряжено с много вариантными расчетами. Поэтому желательно, чтобы в число стандартных функций инструментальных ГИС входило:

- построение карт изолиний в виде линейных и полигональных слоев,

- отображение векторных полей, построение графиков изменения сеточной функции вдоль указанного профиля,

- визуализация динамики изменения сеточных функций во времени и в виде графиков,

- относящихся к отдельным узловым точкам и в виде слайд-фильмов с динамической сменой атрибутивных данных.

В заключение можно констатировать, что современные инструментальные ГИС уже сейчас обеспечивают возможность их использования при моделировании гидрологических и геоэкологических объектов и прежде всего для визуализации сеточных моделей на электронных картах. Основным направлением повышения эффективности использования ГИС-технологий для автоматизации информационного обеспечения гидрологических и геоэкологических задач является разработка проблемно-ориентированных средств автоматизации подготовки и редактирования сеточных данных, описывающих моделируемые объекты и развивающиеся в них процессы изменения динамики и качества вод.

Литература

геоэкологический математический моделирование

Е.А. Польшков Особенности ГИС-технологий при математическом моделировании. Изд-во СПбГТУ, 2004, №2.

С.С. Бачурина и др. Использование материалов дистанционного зондирования в целях мониторинга территории. Изд-во СПбГТУ, 2004, №4.

3. Н.В. Арефьев и др. Концептуальные основы комплексной социально-экономической оценки природно-ресурсного потенциала территории с учетом экологических факторов. Изд-во СПбГТУ, 2004, №2.

Размещено на Allbest.ru