Интегрированный Территориальный банк данных информационной поддержки сбалансированного развития региона
реклама
Интегрированный Территориальный банк данных информационной поддержки сбалансированного развития региона Т.П. Варшанина, О.А. Плисенко, С.Ф. Пикин В России каждый регион самостоятельно строит стратегию социально- экономического развития и территориальной организации. При этом в современных условиях возросли требования к быстроте и точности принятия стратегически важных решений в области жизнедеятельности территории на всех ее административных уровнях. Общепризнанным в мировой практике инструментом, обеспечивающим оперативность и результативность управления экономическими, социальными, экологическими и всеми другими аспектами деятельности субъекта являются автоматизированные геоинформационные системы. ГИС-технологии позволяют создать единое оптимально организованное информационное пространство региона, дают возможность производить эффективный обмен информацией между ее держателями, оперативное интегрирование информации в научных и практических целях социально-экономического развития по иерархии административных единиц территории. С позиций организации прогрессивного развития региона важна оценка стратегических ресурсов социально-экономического развития: структуры природноресурсного потенциала, демографических и трудовых ресурсов, экологического состояния, экономики и экономических связей территориальной системы. Держателями перечисленных категорий информации в регионах являются отраслевые ведомства, административные образования, частные компании. В соответствие с современными требованиями многие из них разрабатывают или приобретают специализированные информационные системы. Специализированные системы приспособлены к решению конкретных задач и не обеспечивают возможности комплексного регионального анализа. В то время как для решения широкого спектра экономических, организационных, территориально-планировочных, демографических, экологических и иных вопросов с учетом многообразия взаимосвязанных региональных процессов неоценимое значение имеет принцип комплексности, роль которого усиливается в рыночных условиях хозяйствования и управления. Возможность комплексного многовариантного адресного анализа территориальных процессов расширяют компетентность местных органов управления, призванных в пределах предоставленных им прав решать все вопросы социально-экономического развития территории. Эффективному обмену информацией между ее держателями в целях комплексного анализа препятствует разработка в регионе множества разнородных отраслевых баз данных. Как известно, связано это с 1 информационной несовместимостью отраслевых ГИС вследствие различий в системах управления базами данных, структурах данных, языках их описания. Кроме этого, возникают проблемы неэкономичного дублирования информации, сложности ее одновременного обновления, противоречивости сведений неизбежно возникающей в разных банках данных. Не вызывает сомнения необходимость разработки единого информационного банка данных региона, интегрирующего комплекс базовых сведений о местности и предоставляющего возможности решения разнообразных задач категориям пользователей, связанных с управлением территорией. Таким образом, наиболее приемлемый путь геоинформационного обеспечения территориального развития состоит не в создании множества специализированных территориальных информационных систем, а в создании распределенных специализированных информационных баз данных держателей информации на единой геоинформационной платформе Территориального банка данных. Эффективность функционирования территориальных социально-экономических систем определяется тем, насколько объективно оцениваются региональные условия и ресурсы, насколько адекватно пространственно-временное приспособление общественной системы природно-ресурсным условиям и насколько рационально их использование. Поэтому в процессе создания региональных ГИС первостепенное значение приобретает разработка географических (тематических) основ информационного построения сложных пространственно-временных объектов, предназначенных для реализации целей системы управления. Пространственно-временной анализ позволяет выявить территориальное распределение объектов географического пространства, их устойчивые сочетания, районировать, организации строить региона. и прогнозировать Система методов оптимальную модель территориальной пространственно-временного анализа обеспечивает комплексную оценку статики, динамики и прогноза развития региона в виде его пространственно-временных моделей, отображаемых в картах. Карты создают пространственный образ региона, моделируют территориальную дифференциацию природной и социально-экономической компонент, особенности взаимодействия природы и общества. Географические исследования сфокусированы на познание закономерностей пространственной организации природы и человеческой деятельности и выявление пространственных единиц однородных по показателям, лимитирующим социальноэкономическое развитие, для формирования различных кадастров и мониторинга. Без этих 2 знаний невозможно составить объективную картину окружающего мира и происходящих в нем процессов, проектировать траекторию регионального развития. В задачи районирования входит выявление иерархии объектов географических компонентов и систем, определение их параметрических и описательных характеристик, формирующих комплекс базовых данных и Базу знаний региона. Традиционный отраслевой подход формирования баз общеестественных пространственных данных региона определяется компонентной структурой природно-хозяйственных систем. К природной составляющей относят геологическое строение, рельеф, климат, природные воды, почвы, биоту, ландшафты; к общественной – отрасли хозяйства, состояние экономики, населения, расселения и качества жизни населения. В каждой предметной области сложилась своя методология и государственные стандарты обработки и представления данных. ГИС служат действенным инструментом интеграции методов частных наук при проведении географических исследований, комплексируя их в системные модели с применением методов математики и информатики. Разрабатываемая в ГИС-центре Адыгейского госуниверситета региональная ГИС на примере Республики Адыгея является многоцелевой. Это означает, что она служит инструментом, обеспечивающим как геоинформационную поддержку исследований географических закономерностей организации природы и человеческой деятельности, так и является банком территориальных данных для текущего управления и планирования стратегии социально-экономического развития. Построение информационной модели территориальных данных, отображающей комплексную систему «природа - общество» основано на системном подходе с применением объектно-ориентированной технологии, использованием теоретических основ математики в области геометрического моделирования и нейронных сетей, методов эколого-географической классификации рельефа, климата, гидрографической сети, почв, растительности, ландшафтов, социально-экономической сферы, методов картографии. В цели разработки входит: - организация фактологических пространственных данных, обеспечивающая накопление больших объемов информации и формализованные постановки прикладных задач; - создание электронной основы пространственных данных, приспособленной к задачам моделирования процессов в географическом пространстве; - разработка инструментальных средств, с возможностями гибкой модификации и поддержки распределенных баз данных с модульной структурой построения. 3 Применение объектно-ориентированной технологии придает системные свойства геоинформационной модели региона вследствие того, что объектно-ориентированная модель позволяет воссоздать естественную иерархию территориальных объектов и процессы взаимодействия между ними, обеспечивающие функционирование системы как единого целого. К существенным преимуществам метода объектно-ориентированного проектирования относятся и возможности: эволюционной, помодульной разработки системы; модификации в соответствие с развитием представлений в каждой предметной области; оптимального структурирования большого объема пространственных данных. ГИС создается на платформе СУОРБД Oracle 9i. Банк данных, поддерживающий общую концепцию системы, предназначен для хранения информации, организации ее обработки и основывается на системе взаимосвязанных геоинформационных моделей данных подсистем, представленных иерархией пространственных объектов, относительно которых происходит Картографическая накопление/мониторинг - реализация результатов тематической анализа информации. координированных данных осуществляется средствами ArcGIS 9.1. Ядром Территориального банка данных региона является информационный сервер, на платформе которого создаются банк полномасштабного ряда электронной картографической информации территории, банк базовых тематических данных по рельефу, гидрографии, почвам, климату, биоте, ландшафтами, общественно- хозяйственной сфере, и база знаний региона. Информационный сервер играет роль интегратора отраслевых ГИС на единой основе тематических и топографических материалов, что обеспечивает совместимость сведений, аккумулируемых в отраслевых базах данных. взаимодействие совмещенный Основная между анализ, задача данными а также такой платформы различных работу обеспечить тематических пользователей с блоков, данными эффективное комплексный в условиях разграниченного доступа. Обмен информацией между держателями распределенных баз данных регламентируется соответствующими инструкциями и осуществляется при возникающей необходимости. Для банка картографической информации в ГИС-центре АГУ разработаны электронные карты Адыгеи и прилегающих территорий масштабов 1:200000 и 1:50000, традиционно используемых в региональном анализе, и комплект карт масштабов 1:25000 и 1:10000. Оцифровка произведена средствами Easy Trace7.3 и Easy Trace Pro v.8.X. Банк электронных карт создан в среде ArcGIS 9.1. В общей сложности оцифровано 69 листов топографических карт в соответствие с принятыми ГОСТами и задачами ГИС-анализа. 4 Эффективность информационных аналитической системах в обработки значительной данных степени зависит в географических от возможностей, обеспечиваемых цифровой моделью рельефа. На данный момент в современных ГИС пакетах используются несколько типов ЦМР в зависимости от формы представления данных: с регулярным расположением точек на прямоугольных, треугольных и гексагональных сетках; с нерегулярным представлением точек; с изолинейным (уровенным) заданием точек, расположенных равномерно на изолиниях, либо с учетом их кривизны. Для построения трехмерных моделей рельефа используются следующие методы: интерполяция на основе триангуляции Делоне; кригинг; минимальной кривизны; ближайшего окружения; регрессии; сферических сплайнов; Шеппарда и т.д. Наиболее распространенным векторным методом интерполяции рельефа является триангуляция Делоне, при применении которой к реальным данным часто возникают различные виды артефактов. Кроме того, вычисление геоморфологических характеристик поверхности, представленной триангуляцией Делоне, затруднено из-за невозможности получения производных различных порядков. Триангуляция Делоне не обеспечивает также выделение геоморфологических конкретных форм ЗП параметров. Другие с использованием перечисленные методы комплексных не обладают недостатками триангуляции Делоне, однако представляют только континуальные свойства рельефа. Кроме того, при восстановлении поля высот в современных ГИС пакетах, используются формальные математические методы, не учитывающие физическую природу рельефообразующих процессов. Большинство исследований по визуализации рельефа направлено на решение этой проблемы, а также на увеличение скорости пространственной обработки данных. Современные исследования в данной области развиваются с использованием перечисленных распространенных моделей ЦМР (John P. Wilson, H. Mitasova, D. J. Wright, 2000; M. Garland, P.S. Heckbert, 1995; H. Mitasova, J. Hofierka, 1993; M. McAllister, 1999; А.В. Поздняков, И.Г. Черванев, 1990; Б.А. Новаковский, С.В. Прасолов, А.И. Прасолова, 2003 и многие др.). Таким образом, все перечисленные методы обладают одним и тем же главным недостатком – они не выделяют естественные объекты ЗП и соответственно не позволяют рассматривать цифровую модель рельефа как модель сложной структурно-неоднородной и иерархической природной системы. Выделение форм ЗП различного типа и уровня иерархии на основе комплекса показателей на таких моделях также невозможно. Мощной цифровой основой для комплексирования и интегрирования тематической информации территории, разработки математических моделей процессов в 5 географическом пространстве служит создаваемая госуниверситета физико-математическая модель, в ГИС-центре описывающая Адыгейского реальную земную поверхность, обеспечивающая дискретное и континуальное представление и анализ рельефа и динамическое моделирование в трехмерном геоинформационном пространстве. Создаваемая на этой базе цифровая модель местности выступает в качестве универсальной информационно-математической возможности структурирования, основы, совмещенного предоставляющей анализа различных новые данных и моделирования процессов в географическом пространстве. Физико-математическая модель рельефа создается в результате интеграции двух инновационных моделей, разрабатываемых впервые: 1) векторного дискретно- континуального представления поверхности рельефа на основе метода сферической квадроангуляции (Плисенко, 2004, 2005); 2) растровой физической модели гравитационного переноса (Пикин, 2005). Метод описание сферической рельефа квадроангуляции наиболее приближенное позволяет к создавать реальной математическое действительности и идентифицировать известные типы поверхностей и структурных линий. Базовой единицей описания является математическая модель элементарной поверхности, выделяемая по геоморфологическим параметрам, являющимся непосредственными геометрическими характеристиками криволинейных объектов. Это позволяет определять границы элементарных поверхностей в виде структурных кривых, соответствующих структурным линиям рельефа. Характеристики структурных линий используются для классификации поверхности рельефа по профилю. Элементарные поверхности генерируют иерархию поверхностей более высоких уровней, из которых конструируется трехмерная модель рельефа. Построенная таким образом поверхность представляет собой нерегулярную сетку, узлы которой соответствуют характеристическим точкам, определяющим границы элементарных поверхностей. Для построения трехмерного изображения рельефа используется локальная интерполяция NURBS кривыми, обеспечивающая возможности: 1) построения и редактирования поверхности на локальном уровне; 2) применения рекурсивного алгоритма построения, не требующего больших вычислительных ресурсов; 3) управляемой интерполяции. Для трехмерных кривых выбрана модель NURBS кривых (неоднородный рациональный фундаментальный сплайн). Рациональная параметрическая кривая на основе B-сплайнов Ni,m(t), построенная по вершинам pi(I=1,2… n nm) с весами wi , может быть описана в каждой своей точке единственным образом с помощью радиус – вектора 6 n r (t ) N i 1 n i ,m N i 1 (t ) wi pi , где t min i ,m t t max (t ) wi NURBS - кривые обладают рядом особенностей, которые позволяют широко использовать их в компьютерном моделировании трехмерных кривых. NURBS – кривая обладает достаточной гибкостью. Ее можно легко редактировать путем изменения положения вершин. Совокупность B-сплайнов порядка m представляет собой базу, на основе которой можно построить интерполяционные кривые. Кроме того, NURBS кривая второго порядка совпадает со своей характеристической линией, т.е. первоначальным представлением кривой (рис.1). Цифрова матр. рельефа Эл. поверхность первого уровня строится на основе / описывает имеет / описывает геометрия, топол.отношения Граница имеет / определяет Характеристические точки Имеет / Существуют на Экспозиция Имеет / описывает Крутизна+ имеет / описывает Нормальная кривизна имеет / описывает Горизонтальная кривизна имеет / описывает Рис 1. Объект «элементарная топографическая поверхность» Свойства линейных элементов/структурных линий и их взаимодействие с другими элементами рельефа определяются свойствами прилегающих элементарных поверхностей. Необходимые морфометрические характеристики вычисляются с помощью первой и второй квадратичных форм поверхности, что не требует большого количества вычислений при использовании рекуррентных соотношений для радиус-вектора поверхности. 7 При проектировании класса элементарной поверхности определяются свойства и методы взаимодействия данного объекта с другими объектами системы. На этом уровне геометрическая и геоморфологическая концепции элементарной поверхности дополняются концепцией интеллектуального объекта. В рамках этой концепции для реализации механизма наследования планируется применение математической модели динамического нейрона, которая позволяет реализовать сразу несколько математических операций для решения различных картографических и геоинформационных задач в рамках этой модели. Такая модель позволяет динамически определять свойства объектовнаследников в зависимости от различных форм поверхностей рельефа. На основе нейронов строится нейронная сеть с различными свойствами, обеспечивающая построение экспертного классификатора иерархии объектов поверхности рельефа. Предлагаемая ЦМР не только представляет иерархию естественных объектов поверхности рельефа, но и позволяет получать производные морфометрические или иные данные, включая вычисление углов наклона и экспозиции склонов; анализ видимости/невидимости; построение трехмерных изображений; профилей поперечного сечения; оценку формы склонов через кривизну их поперечного и продольного сечения, измеряемую радиусом кривизны главного нормального сечения или ее знаком, т.е. выпуклостью/вогнутостью; вычисление положительных и отрицательных объемов; генерацию линий сети тальвегов и водоразделов, образующих каркасную сеть рельефа, его структурных линий, и иных особых точек и линий рельефа: локальных минимумов, или впадин и локальных максимумов, или вершин, седловин, бровок, линий обрывов и иных нарушений "гладкости" поверхности, плоских поверхностей с нулевой крутизной; интерполяцию высот; автоматизацию аналитической отмывки рельефа путем расчета относительных освещенностей склонов при вертикальном, боковом или комбинированном освещении от одного или более источника. При определении структуры классов объектов гидрографической сети используются древовидные модели представления линейных объектов, основным преимуществом которых является возможность применения рекурсивных алгоритмов обработки данных. Элементарным классом гидрологической сети является естественный водоток, связанный с классом, представляющим элементарный бассейн. Положение естественного водотока совпадает со структурной килевой линией образующего бассейна и находится на стыке двух элементарных поверхностей. Эта связь представляет зависимость «один-кодному», иллюстрирующую соответствие каждому естественному водотоку элементарного бассейна. 8 Класс представляющий объект «речная сеть» содержит коллекцию объектов «река». Объект «речная сеть» имеет разветвленную древовидную структуру, характеризующуюся множеством узлов, происходящих от начального узла. При формировании иерархии объектов речной сети высокого порядка применяется рекурсивный принцип организации структуры данных. К преимуществам рекурсивной структуры данных относятся: - способность изменять размер, в связи с чем, появляется возможность вводить потенциально бесконечные и циклические структуры данных, указывать принадлежность некоторой подструктуры нескольким разным структурам; - наличие эффективных алгоритмов обработки, называемых алгоритмами прохождения. Так как, каждый объект «естественный водоток» связан с элементарным бассейном (имеет ссылку на объект «элементарный бассейн»), то на базе объекта «река» строится класс «бассейн реки», который также представляет древовидную структуру с узлами, соответствующими бассейнам притоков. Такая модель данных позволяет определять модели взаимосвязей между водотоками и физико-географическими характеристиками их бассейнов и хранить/вычислять морфометрические параметры речной сети и ее бассейна. В структуре классов, описывающей гидрологическую сеть, определяется класс представляющий объект «гидрологический пост». Этот объект содержит сведения по данным гидрологического наблюдения. Так как этот объект привязан к объекту «естественный водоток», то, используя древовидную модель реки и алгоритмы обхода, можно выполнить перерасчет гидрологических параметров для любой точки гидрологической сети. Предлагаемая объектная модель дискретно-континуального представления рельефа обеспечивает соответствие с одной стороны между элементами и формами, выделяемыми морфологически, с другой стороны между структурно-содержательной организацией, генезисом, возрастом рельефа, характером динамики современных рельефообразующих процессов, дает возможность построения моделей развития рельефа. Метод сферической квадроангуляции позволяет: - автоматизировано типизировать структурные линии рельефа; - разработать математическую модель поверхности каждого конкретного элементарного объекта рельефа по комплексу показателей; - определять параметрические характеристики взаимосвязей элементарных объектов поверхности; 9 - определять параметрические характеристики взаимосвязей иерархии элементарных поверхностей и гидрологической сети, геокомпонентов, ландшафтов; - обеспечить детальный морфодинамический анализ; - поддерживать дискретное и континуальное представление рельефа. Классификация поверхностей рельефа и его структурных линий по природноэкологическим свойствам (Ласточкин, 2003) позволяет выполнить детальное районирование территории по экологическим особенностям рельефа, строить адекватные математические модели перераспределения в рельефе природных и антропогенных вещественно-энергетических потоков. Так как базовым свойством модели является органичное единство структурных линий рельефа и гидрографической сети, то на основе разработанной ЦММ обеспечивается высокий уровень детальности и точности ландшафтно-гидрологического анализа и перерасчета параметров стока. Полученные классы линейных и точечных элементов представляют собой структурный каркас рельефа и являются базой для построения гравитационнодинамической модели рельефа. При построении модели каркас рельефа воспроизводится точно, что гарантирует совпадение модели с гидрографической сетью и контрольными отметками высот. С физической точки зрения процесс гравитационного переноса, наряду с теплопроводностью и диффузией, может быть отнесен к процессам градиентного переноса, которые подчиняются уравнению: t n xi D , xi где переносимая величина, D D( x1 , ..., xn ) коэффициент переноса в данной точке пространства. Из дифференциального уравнения видно, что такая модель позволяет учесть не только геометрическую составляющую данных о рельефе, но и его свойства в каждой точке пространства. Более того, её применение дает возможность проследить изменение поверхности рельефа с течением времени. Для модели гравитационного переноса в поверхностном слое земной коры имеет смысл плотности потенциальной энергии, а D характеристика, описывающая подвижность в слое гипергенеза. В частности, на скалистых участках коэффициент переноса – существенно меньше, чем на песчаных осыпях, а в лесу меньше чем на безлесных участках. В применении к построению гравитационно-динамической модели по данным топографических карт, элементы, прямо или косвенно содержащие информацию о высотах местности могут быть интерпретированы как источники 10 потенциальной энергии. Элементы же, содержащие информацию о свойствах рельефа определяют значение коэффициента переноса. Разработанная физическая модель адекватно описывает процесс формирования рельефа земной поверхности в гравитационном поле Земли, что позволяет вывести модель рельефа на качественно новый уровень устойчивой динамической системы. Модель гравитационного переноса вещества в поверхностном слое земной коры позволяет учесть не только геометрическую составляющую данных о рельефе, но и степень текучести геологического субстрата в каждой точке пространства. Предлагаемая модель может использоваться как для получения статической модели земной поверхности (рис. 2), так и для моделирования различных экзогенных процессов. Модель корректно отображает линии разрывов - знаки обрывов, осыпей, знаки насыпей и выемок искусственного происхождения, которые передаются изменениями в текучести геологического субстрата. Для численного моделирования процесса гравитационного переноса используется GRID модель с регулярной структурой, в которой размер ячейки настолько мал, что все параметры рельефа внутри неё можно считать постоянными. На практике размер ячейки выбирается порядка величины погрешности исходных материалов, так как большая точность не имеет смысла, а увеличение размера ячеек приводит к потере информации. Модуль гравитационно-динамического представления рельефа предназначен для моделирования переноса вещества и энергии не только в геодинамическом слое земной коры, но и в гидросфере и атмосфере. На его основе корректно строятся речные долины и ареалы затопления в период паводков, обеспечиваются возможности моделирования оползневых, селевых процессов и т.д. Разрабатываемый оригинальный интегрированный модуль построения и обработки ЦМР обеспечивает: - Выделение комплекса объектов поверхностей и структурных линий рельефа с принадлежащим им параметрическим описанием, например, формирующих выпуклые, вогнутые и замкнутые контуры, перегибы контура и пр., определяющих особенности массо-энергопереноса. - Построение детальных параметрических моделей природно-антропогенных процессов в трехмерном геопространстве. Например, почвообразования, деградации почв, ландшафтно-геохимических особенностей, распространения и накопления поллютантов, сточных вод и т.д., параметрического определения взаимосвязи и взаимообусловленности размещения в пространстве географических объектов и процессов, построения реальных геополей. 11 - Построение детальных параметрических моделей природно-экологического фона: перераспределения в рельефе осадков, солнечной радиации, поля ветра, заморозкоопасности, а также плоскостного и линейного стока, процесса эрозии и т.д. - Геоинформационное моделирование опасных процессов: оползней, лавин, селей, паводков. - Адекватное решение инженерных расчетных задач на местности средствами геоинформатики. - Создание геоинформационных моделей реальных береговых, гидро-, морфодинамических процессов и т.д. для лабораторных исследований. - Локальную актуализацию цифровых моделей рельефа и гидросети по данным ДДЗ. В перспективе на объектной основе обеспечивается: - новый уровень бассейнового ландшафтно-гидрологического анализа; - автоматизированный ландшафтный анализ местности в результате объективного совмещения иерархии пространственных единиц геокомпонентов и геокомплексов; - автоматизированный параметрический анализ взаимосвязи и взаимодействия иерархии пространственных единиц геокомпонентов и геокомплексов. Рис 2. Пример визуализации участка гравитационно-динамической ЦМР. Масштаб 1:25000 12 Для построения интегрированной физико-математической модели рельефа в качестве исходных данных используются электронные топографические карты. Выбор именно этих источников данных определяется тем, что: 1) топографические карты являются наиболее доступными с точки зрения цены; 2) в составлении топографических карт принимает участие эксперт, который проводит первичную генерализацию – выделяет основные черты рельефа в масштабе карты, делая их более характерными для данного типа рельефа; 3) накоплен достаточно большой фонд топографический карт созданных на длительном временном периоде, что позволяет создавать исторический рельеф, а также отслеживать динамику развития форм и типов рельефа. Разрабатываемая ЦМР является базовой основой для построения цифровой модели местности обладающей свойствами накопления информации и возможности использования накопленной информации для изменения своих возможностей и адаптации к изменениям, т.е. ресурсностью и интеллектуальностью. Данная ЦММ с точки зрения ее физической структуры является рациональной, т.к. один раз рассчитанная она хранится в виде объектов базы данных и без выполнения больших вычислительных запросов может предоставлять большой объем аналитической информации. Реализация модели производится на платформе Oracle, включающей специальный модуль для работы с геометрическими объектами Spatial. Совмещенный анализ тематических карт и комплекса описанных математических моделей местности открывает новые возможности пространственно-временного анализа закономерностей организации географического пространства, мониторинга природноэкологических и антропогенных процессов. Банк электронных тематических карт республики в масштабе 1:200000, включающий все общепринятые картографические блоки для регионального анализа, содержит около 200 карт. Из них 110 карт представлены в изданном в 2005г. при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 0205-78041) Атласе Республики Адыгея (Атлас…, 2005). Тематический блок в ГИС «Адыгея» содержит кроме общегеографических картографических материалов и данных результаты эколого-географического районирования: рельефа, климата, почв, ландшафтов, антропогенной нагрузки, состояния населения и расселения, качества жизни населения (Варшанина, 2005, Мартыненко, Варшанина, Плисенко, 2003). Разрабатываются подсистемы эколого-географического районирования гидрографической сети, лесной растительности. 13 Объекты региональных исследований - природно-хозяйственные комплексы относятся к классу сложных систем с компонентной структурой, содержащей множество взаимосвязанных иерархий. Функциональная структура Территориального банка данных должна соответствовать структуре геообъектов, наиболее адекватно отображать сложившиеся знания о природно-территориальных системах, как упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, обладающих структурой и организацией. Такой уровень структурирования информации дает объектно-ориентированная модель данных, которая относится к классу интеллектуально-содержательных. В основе объектно-ориентированного подхода находится объектно- ориентированный анализ предметной области, заключающийся в выявлении механизмов взаимодействия и межкомпонентных связей геообъектов с применением методов генерализации и абстракции, позволяющих свести множество данных к конечному объему, легко поддающемуся анализу и управлению. Достигается это применением моделей, сохраняющих основные свойства и не содержащих второстепенных свойств. Основанием для реализации объектно-ориентированной территориальной модели является наукоемкий процесс декомпозиции (районирования) предметной области по иерархии взаимосвязанных реальных геообъектов в результате исследования общего поведения природно-хозяйственной системы. Этот ответственный процесс обусловливает интеллектуальные возможности создаваемой территориальной модели. Модели данных геокомпонентов выступают в качестве подсистем интегрированной модели данных геопространства. Конструирование моделей данных компонентных подсистем производится в результате: 1) пространственно-временного согласования (упорядочения данных в виртуальном территориальном пространстве во временных интервалах); 2) оптимизации структуры информации (создания подмножества параметров средоформирующего значения); 3) решения трендов созданного подмножества параметров; 4) районирования (выделения однородных в заданных интервалах параметров пространственных объектов требуемого масштабного ряда по каждому конкретному и комплексу средоформирующих показателей). Геообъекты представлены совокупностью геометрических примитивов, атрибутами которых является геометрическое описание формы в координатном пространстве. На основании набора классов геометрических примитивов разработана схема классов, соответствующая иерархии выделенных геообъектов, относительно которых происходит накопление информации. На следующем уровне построения объектной модели определяются отношения между классами и объектами. Для геообъектов особенно важны два типа иерархических 14 соотношений - связь и агрегация. Связь представляет «физическое или концептуальное соединение между объектами» (Буч, 1999). Как правило, связи обозначают равноправные или «клиент-сервисные» отношения между объектами. Примером такой связи может служить отношение между объектами «естественный водоток» и «элементарный бассейн». Агрегация описывает отношения целого и его составных частей в последовательной иерархии геообъектов, таким образом, что, идя от целого (агрегата), можно прийти к его частям (атрибутам). Связь агрегата с составляющими его объектами определяется общими для них координатными и содержательными параметрическими характеристиками. Отношения между классами подразделяются на типы, обусловленные отношениями между объектами. К ним относятся отношения ассоциации, наследования и агрегации. Наиболее распространенным типом отношений между геообъектами и их классами являются отношения агрегации, например, отношения между классами «элементарный ландшафт» (фация) и «урочище». Каждая отдельная пара классов обладает своими особенностями отношения, в общем виде представляя модель взаимосвязей пространственных и содержательных характеристик геообъектов. Для этих целей используется ряд известных математических моделей (Тикунов, 1997). Вследствие того, что модель Территориального банка данных представляет собою обобщенную системную модель геопространства, для ее реализации потребовалось бы описать большой набор существующих математических моделей. Во избежание этого, для построения моделей взаимосвязей при проектировании предлагается использовать нейронные сети. Идея использования нейронных географического сетей пространства для моделирования привлекательна взаимодействия вследствие того, что, объектов во-первых, разрабатываемая компьютерная модель региона не в полной мере идентична его реальному геопространству, а является моделью сложившихся на настоящее время знаний о реальном мире; во-вторых, нейронная сеть обладает возможностью обучения. Это свойство особенно важно при условии не полноты изначальных данных о территории. В этом случае при моделировании закладывается оценка взаимозависимости целиком, без ее разложения на части, моделируемые традиционным путем. Такой подход используется при отсутствии возможности в деталях описать сложные геопространственные явления. Территориальный Банк данных создается на платформе Oracle 9i. Банк данных, поддерживающий общую концепцию системы, предназначен для хранения информации и организации ее геоинформационных обработки моделей и основывается данных на компонентных системе взаимосвязанных подсистем, представленных унифицированной иерархией системы пространственных объектов, относительно которых происходит - накопление/мониторинг тематической информации. Функциональная 15 структура Баз данных компонентных подсистем обеспечивает оптимальное структурирование и аналитическую обработку большого объема пространственных отраслевых данных, механизмы получения новой информации. В процессе функционирования ГИС все многообразие входных данных – информация об объектах, их характеристиках, о формах и связях между объектами, различные описательные сведения – преобразуется в единую общую модель, хранимую в Банке данных, представляющую собой информационное хранилище, отображающее структуру объектов реального мира и их взаимосвязи. Территориальный банк данных состоит из подсистем, описывающих геокомпоненты и геосистемы. Объектная модель данных подсистемы «Рельеф» разрабатывается на основе следующих теоретических положений. Рельеф – совокупность обладающих определенным строением элементарных форм, создающих структуру земной поверхности, как закономерное пространственное расположение иерархии ее элементов. Возникновение форм рельефа происходит в ходе перемещения литогенного вещества, обусловленного тектоническим поведением территории, ее геологическим строением и в целом физикогеографическими условиями. Деформация поверхности литосферы в ходе движения вещества, называемая морфогенезом (Марков, 1948; Мысливец, 2004), связана с перемещением вещества как по земной поверхности и в тропосфере, так и в результате процессов, протекающих в глубинах Земли. Теоретическим основанием для выделения объектов модели рельефа в Территориальном банке данных является положение о морфосистеме (Мысливец, 2004), как сфере, ограниченной верхней границей тропосферы и нижней границей тектоносферы, в которой пространственно дифференцирован комплекс эндогенных и экзогенных рельефообразующих процессов. В соответствие с этим определена система сквозной иерархии объектов рельефа территории исследования соответствующая с следующему принадлежащими им ряду пространственных атрибутивными единиц: данными, морфоструктура (иерархия морфоструктурных блоков, узлов и линеаментов) – морфоклиматический район (тип морфоскульптурного рельефа) - иерархия объектов поверхности рельефа. Выделение иерархии тектонических структур, контролирующих формирование современного рельеф на уровне морфоструктур, производится совместно с авторами методики морфоструктурного районирования Е.Я. Ранцман и М.П. Гласко (2003), иерархии объектов морфоклиматической системы, контролирующей формирование морфоскульптурного рельефа, произведена по классификации, приведенной В.И. 16 Кружалиным (2003). Выделение иерархии объектов поверхности рельефа производится методом сферической квадроангуляции. Типизация элементарных поверхностей и структурных линий рельефа производится по классификации А.Н. Ласточкина (2002). По иерархии выделенных объектов эколого-геоморфологического районирования определена система индицирующих и формирующих их структуру показателей. Реализуемый комплекс методических подходов выявления иерархии объектов и формирования структуры базы данных по рельефу обеспечивает средствами ГИС: - определение пространственной локализации и комплексный анализ рельефообразующих процессов; - изучение взаимообусловленности и взаимовлияния рельефообразующих процессов; - прогноз развития рельефа; - определение перераспределение системы элементарных локальных, поверхностей, внутрифоновых и отвечающих фоновых за вариаций ландшафтоформирующих факторов; - построение формализованных моделей формирования и развития рельефа, перемещения вещества и энергии в области земной поверхности; - оценку сейсмической безопасности инфраструктуры; - экологическую оценку и районирование рельефа. Объектная модель данных подсистемы «Климатические ресурсы» разработана в итоге исследований, направленных на выявление иерархии климатических пространственных ниш ландшафтов, параметров и тенденций формирующих эти объекты климатообразующих климатической факторов. системы Выделение произведено с системы учетом пространственных особенностей объектов ландшафтов, модифицирующих параметры климата. Определена иерархия объектов климатической системы. Выделены пространственные макроединицы с типично морским климатом; морским климатом, трансформированным высотной поясностью; типично континентальным климатом; переходным с преобладанием черт морского и с преобладанием черт континентального климата; с муссонным режимом. Определены объекты внутрирегиональной дифференциации, возникшие в результате деформации поля широтной и секторной зональности барьерным и высотно-поясным эффектами системы Большого Кавказа. Локальный, топологический уровень представления реализуется на авторском модуле перерасчета годового хода параметров микроклимата относительно трехмерной модели рельефа республики. 17 Проанализированы закономерности сезонных и многолетних пульсаций выявленных климатических полей. Относительно этих пространственных единиц в базе данных подсистемы климата накоплены сведения по значениям, типам годового хода, трендам и градиентам средоформирующих климатических, биоклиматических и агроклиматических показателей. Определена система показателей обусловливающих формирование пространственных единиц (объектов) климатической системы (табл. 1). Разработана функциональная схема Базы данных Модуля «Климат». Структура Базы данных климата подразделяется на две части. Первая часть является реляционной, предназначенной для Гидрометцентра республики. Сведения, содержащиеся в ней, являются собственностью соответствующего ведомства. В ней накапливаются ежедневные срочные данные по параметрам, измеряемым на метеорологических станциях. Эта часть Базы данных, в соответствие с задачами, решаемыми держателем информации, дополняется пакетом процедур необходимых для требуемой обработки сведений. Вторая часть Базы данных модуля «Климат» ГИС «Адыгея» является объектно-реляционной и находится на информационном сервере. Элем. трехмерные поверхности Местополож поверхн. имеет / описывает вычленяется из / определяет Эл. климат. поверхность (зона преобладания) СистемаКоординат Цифровая матрицарельефа привязана к / описывает является частью / состоит из Сектор определяет / вычленяется из МестоположТочки является частью / состоит из Высотный пояс имеет / описывает Точечный объект является частью / состоит из Район Метеостанция Эл. климат. поверхность (зона преобладания) расположена в пределах / содержит Рис.3. Фрагмент схемы классов, представляющих модель «Климатические ресурсы». 18 Таблица 1. Пространственный объект Структуроформирующие показатели подсистемы «Климат» Уровень Используемые показатели детализации климатические других компонентов А) циркуляционного фактора Макроклимат, зоны Tсг <5,5°/100км; Rсг <800мм/100км секторный климат 2) переходный от морского к континентальному 3) преобладающего влияния черноморского воздуха ГАТ - >26°С; ΣRг - < 550мм ТГХТ – континентальный; ТГХО – континеный 1 ГХПНВ ГАТ – 23-26°С; ΣRг – 550-920мм; ТГХТ – континентальный; ТГХО – континентальный 2, 3, 4; ГХПНВ ГАТ – 19-23°С; ΣRг - 720-1300мм; ТГХТ – морской 1 ТГХО – морской 1; ГХПНВ 4) влияния умеренно-континентального воздуха ГАТ – 17-19°С; ΣRг - 750-1300, ТГХТ – континентальный; ТГХО – континентальный 2; ГХПНВ 5) преобладающего влияния черноморского воздуха ГАТ <17°С; ΣRг - 1300-1800мм, на склонах до 3000мм ТГХТ – морской 3; ТГХО – морской 2; ГХПНВ Б) динамической трансформации Зона А Зона Б Зона А 1) влияния умеренно-континентального воздуха мезоклимат Район климат Местный климат Микроклимат. перерасчет параметров в рельефе, экстраполяция и интерполяция данных Tсг >5,5°/100км; Rсг >800мм/100км Направление по сезонам: T, R, P Годовой ход: r, скорости и повторяемости ветра по направлениям; Тренды: T, R Направление по сезонам: T, R, P. Tсм ;Tсг ; ΣRг Вертикальные градиенты температуры и осадков. Среднемесячные и годовая продолжительность солнечного сияния. Обеспеченность осадков различной интенсивности, коэффициент увлажнения. Почва: Tсм ;Tсг. Запас воды в снежном покрове Суточные, декадные, месячные и годовые данные пунктов метеонаблюдений Морфоструктуры: положение относительно тепло/влагонесущих потоков, высота над у.м.. Морфоструктуры: высота над у.м., экспозиция склонов, преобладающий уклон, энергия рельефа Мезоформы рельефа: экспозиция относительно основных тепло/влагонесущих потоков, уклоны, энергия рельефа. Почвенный покров: альбедо, объемная теплоемкость, годовой ход влажности. Гидрологические объекты (озера, водохранилища) – площадь Мезорельеф: экспозиция; уклоны, энергия рельефа. Почвенный покров: альбедо, объемная теплоемкость, годовой ход влажности. Гидрологические объекты – площадь; Древесная растительность: площадь, альбедо. Антропогенные ландшафты: вид землепользования, площадь, альбедо 19 Она содержит иерархию выделенных объектов климатической системы территории (рис.3). Объекты, входящие в данную часть содержат структуроформирующие характеристики климатических пространственных единиц, согласно иерархическому принципу. Аналитические данные, используемые в объектах, могут быть получены как перерасчетом данных с использованием пакета статистических процедур, так и редактированием соответствующих объектов экспертом. Кроме аналитических сведений объектно-реляционная часть Базы данных включает различные методы перерасчета метеорологических характеристик для любой точки местности, на основе разработанной инновационной ЦММ. Объектная модель данных подсистемы «Почвенные ресурсы». В соответствие с применяемой идеологией объектно-реляционной структуры создаваемого Территориального банка данных в основе модуля «Почвенные ресурсы» находится иерархия природных единиц почвенно-экологического районирования территории, выделяемых по необходимому комплексу почвоформирующих показателей (табл. 2), характеризующих условия: - термического и радиационного режима; - характера увлажнения; - высотного положения; - геологического строения и литологии пород; - характера рельефа. В итоге эколого-природного почвенного районирования республики определены структурные уровни и структуроформирующие показатели подсистемы «Почвенные ресурсы», выделено 45 эколого-почвенных районов. Структура Базы данных подсистемы «Почвенные ресурсы РА» (рис. 4) обеспечивает средствами разрабатываемой ГИС многовариантный сопряженный анализ почвенно-ресурсной информации с информацией подсистем «Рельеф», «Климат», «Гидрография», «Растительный покров», «Социальноэкологические условия», «Землепользование». Создание интегрированного банка данных территории, реализуемые технологии структуры данных и возможностей их анализа позволяют производить: инвентаризацию/мониторинг всей полноты координированных данных по итогам почвенных обследований; экстраполяцию и интерполяцию полученных данных с учетом почвоформирующих показателей и детальные почвенные карты; модели процессов эрозии; пространственную оценку по комплексу факторов, определяющих хозяйственную и экологическую ценность земель. В целом реализуемые технологии обеспечивают информационную поддержку стратегии экономичного и экологически приемлемого управления земельными ресурсами. 20 Рис.4. Фрагмент схемы классов, представляющих модель «Почвенные ресурсы» Аналогичная структура Баз данных формируется по всем модулям ГИС «Адыгея». Интегрирование информации по природным компонентам с учетом масштаба пространственно дифференцирующей роли средоформирующих факторов (фоновых/ внутрифоновых вариаций) производится относительно иерархии единиц (объектов) ландшафтной организации территории (от фации, урочища, местности - до ландшафта в целом). В соответствие с общей концепцией создаваемой интегрированной географической информационной системы разрабатываемые инновационные решения оптимального структурирования и аналитической обработки всей полноты накопленных и продуцируемых пространственных данных обеспечивают: - формирование единого информационного поля региона; - создание на основе разрабатываемой ГИС оптимально организованного информационного хранилища природно-ресурсных и других данных и картографических материалов; 21 - формирование Базы географических знаний региона; - мощный инструментарий пространственно-временного анализа для научнопрактических разработок; - необходимую информацию для решения в области различных аспектов природопользования и сбалансированного развития региона. Таблица 2 Структурные уровни и структуроформирующие показатели Базы данных «Почвенные ресурсы» Таксономические единицы почвенно-географического районирования Таксономические признаки Показатели Почвенно-биоклиматический пояс, почвенно-биоклиматическая область Радиационный и термический режим, характер увлажнения, индекс континентальности Радиационный режим: радиационный баланс, продолжительность солнечного сияния (ч/год). Термический режим Σt°ср.сут.> 10°С. Число дней с t°ср.сут. >10°С. Увлажнение: индекс увлажнения Д.И. Шашко, ГТК Селянинова Г.Т. Индекс континентальности Л. Горчинского Почвенные зоны, горные почвенные провинции Морфоструктуры Высота над у.м.. Преобладающие уклоны. Энергия рельефа Климат Радиационный режим: Р. баланс (год). Число дней с Р. балансом <0. Продолжительность солнечного сияния: ч/год; ч/вегет. период. Термический режим атмосферы: t°ср..г. Число дней с t°ср.сут. >0°С. Число дней вегетац. Периода. Число дней с t°ср.сут. >+20°С. t°макс.ср.. Безморозный период (дни). Σt° ср.сут. <0°С. t°мин.ср.. Амплитуда температуры воздуха Термический режим почвы: t°ср..г.. t°ср. сут.. за вегетационный период. Число дней с t°ср.сут. >0°С. t°макс.ср. t°мин.ср. Амплитуда температуры. Число дней с t°ср.сут. <0°С. Глубина промерзания. Влажность воздуха: Годовой ход относительной влажности. Годовой ход дефицита насыщения Суховеи: Повторяемость (%). Продолжительность (дни). Интенсивность (относ. влажн. воздуха). Годовой ход. Осадки: Σ мм. год. Годовой ход. Число дней с жидкими осадками интенсивностью более 1 мм/сут.; 10 мм/сут. Снежный покров: Число дней с устойч. снеж. Покровом. Повторяемость зим с неустойч. снеж. покровом (%). Запас воды на начало снеготаяния (мм). Увлажнение: Индекс атмосферного увлажнения Д.И. Шашко. ГТК 22 Селянинова Г.Т. Повторяемость засух. Характеристики ветра:Дефляционный индекс ветра; Годовой ход дефляционного индекса ветра. Почвенные округа, почвенные районы Почвенные округа: единый мезорельеф и литология. Почвенные районы: характеристики мезорельефа, особенности микроклимата, гидрологического режима, биоты.1 1 При мозаичности геологического строения ведущий фактор характеристика мезорельефа. Форма мезорельефа: хребет, котловина, плоский водораздел, долина средней реки и т.д.. Тип и генезис материнской породы Свойства материнских пород: химический состав, гранулометрический состав, мощность, плотность Литература 1. Варшанина, Т.П. Геоинформационная модель региона. / Т.П. Варшанина // ИнтерКарто/ИнтерГИС 11: Устойчивое развитие территорий: Теория ГИС и практический опыт. Ставрополь; Изд-во СГУ, 2005. - С. 54-59. 2. Мартыненко, А.И. Геоинформационная модель Республики Адыгея / А.И. Мартыненко, Т.П. Варшанина, О.А. Плисенко // Материалы I Всероссийского семинара: «Электронная Земля. Электронная Россия. Электронная Москва». М., 2002.- С. 72 – 80. 3. Пикин, С.Ф. Гравитационно-кинетическая модель рельефа. / С.Ф. Пикин // ИнтерКарто/ИнтерГИС 11: Устойчивое развитие территорий: Теория ГИС и практический опыт. Ставрополь; Изд-во СГУ, 2005. - С. 228-230. 4. Плисенко, О.А. Цифровая модель местности как основа для вычислительных экспериментов в ГИС. / О.А. Плисенко // ИнтерКарто/ИнтерГИС 11: Устойчивое развитие территорий: Теория ГИС и практический опыт. – Ставрополь: Изд-во СГУ, 2005. – С. 4853. Проект «Территориальный банк данных Республики Адыгея» выполнялся при финансовой поддержке РФФИ (№ 03-05-64287). 23