Определение оптимальных параметров растровой модели при расчете гидрографических характеристик водных объектов
|
Скачать 120.05 Kb.
|
|
Определение оптимальных параметров растровой модели при расчете гидрографических характеристик водных объектов С.В. Пьянков, В.Г. Калинин Пермский государственный национальный исследовательский университет Пермь, Россия, ул. Букирева, 15, pyankovsv@gmail.com, vgkalinin@gmail.com S.V. Pyankov, V.G. Kalinin Perm State University Perm, Russia, Bukirev st., 15, pyankovsv@gmail.com, vgkalinin@gmail.com Abstract. The algorithm features for creating correct DEM for the decision of hydrological problems are considered. The necessity of selecting the optimal parameters of the linear dimensions of raster cells and threshold value sums of flow directions for modeling the river network are proved. Использование современных геоинформационных технологий для определения гидрографических и морфометрических характеристик водных объектов и их водосборов возможно при наличии корректных цифровых моделей рельефа (ЦМР). Создание и дальнейшее использование таких ЦМР в гидрологических расчетах связано с решением ряда самостоятельных задач, таких как:
Рассмотрим ряд возможных подходов к оптимальному построению ЦМР на примере одного из участков Камского водохранилища и прилегающей к нему территории. Определение гидрографических характеристик водных объектов выполняется с использованием топографических карт [Руководство…, 1986]. Поэтому в качестве исходных данных для создания ЦМР исследуемой территории использованы цифровые топографические карты масштаба 1:100000 и крупномасштабные (1:25000 – 1:50000) карты дна Камского водохранилища, построенные по результатам эхолотной съемки, выполненной Верхнекамским районом водных путей (1993–1995 гг.) (рис. 1). Выбор данных продиктован задачей построения ЦМР с учетом природных и антропогенных объектов, влияющих на формирование поверхностного стока. С этой целью использовались следующие послойные векторные данные: реки, озера, водохранилища, пруды, горизонтали, характерные точки рельефа и урезы воды, глубины, изобаты, обрывы (табл. 1). При решении других тематических задач набор слоев может быть изменен. В табл. 1 указан не только перечень пространственных данных, но и способ их представления, параметры и требования к топологии (направление течения реки, впадение одной реки в другую, правильность расположения объектов при совмещении карт разных масштабов и т.д.), соблюдение которых является необходимым и важным условием для создания корректной ЦМР и моделирования поверхностного стока. Проверка и редактирование топологических отношений выполняется средствами ГИС-технологий (Ease Trace, ArcGIS и др.). Одним из наиболее часто используемых представлений пространственных данных является растровое (GRID). Это связано с его особенностями, такими как непрерывность, дискретность и регулярность. Точность построения GRIDа определяется в первую очередь разрешением (линейными размерами растра). Среди большого количества методов получения растровых данных [ПО «ArcGIS Spatial Analyst»] наиболее эффективным является инструмент «Топо в растр (Topo to Raster)» в составе ArcGIS. Этот метод интерполяции специально разработан для создания гидрологически корректных ЦМР по точечным, линейным и полигональным данным с использованием разных видов топографических объектов. Метод предназначен для создания растра путем интерполяции значений высот с введением ограничений, обеспечивающих связанную дренажную структуру и корректное представление водоразделов и тальвегов (рис. 2). Процедура интерполяции разработана так, чтобы воспользоваться общедоступными типами входных данных и известными характеристиками высот поверхностей. Метод использует итеративный алгоритм интерполяции конечных разностей. Он оптимизирован, чтобы повысить вычислительную эффективность методов локальной интерполяции («ОВР») без потери непрерывности поверхности методов глобальной интерполяции («Кригинг» и «Сплайн») [Пьянков, Калинин, 2014]. По существу, это дискретизованный метод плоского сплайна, в котором изменен фактор шероховатости. Таким образом, скорректированная ЦМР может отвечать резким изменениям поверхности (таким, как ущелья, горные хребты, крутые обрывы) в отличие от других общепринятых интерполяционных методов.   Таблица 1 Характеристика пространственных данных, используемых для построения ЦМР, и требования к ним
При решении гидрологических задач возникает необходимость вычисления гидрографических характеристик. Рассмотренные ниже инструменты гидрологического анализа могут применяться по отдельности или последовательно для построения речной сети, выделения линий водоразделов, моделирования движения воды по поверхности, расчета гидрографических характеристик на основе ЦМР [ПО «ArcGIS Spatial Analyst»]. На рис. 3а показана исходная ЦМР, созданная инструментом «Топо в растр (Topo to raster)» на основе комплексного учета всех исходных векторных данных. С использованием модуля «Гидрология» вычислена ЦМР без локальных понижений (рис. 3б) (после обработки инструментом «Заполнение (Fill)»), которая необходима для вычисления растровой модели направлений стока («Направление стока (Flow Direction)») (рис. 3в). Следующим этапом обработки данных явлвется получение растра суммарного стока («Суммарный сток (Flow Accumulation)») (рис. 3г). Такая последовательность действий необходима для моделирования речной сети рассматриваемой территории [Калинин, Пьянков, 2013]. Важнейшим условием создания гидрологически корректной ЦМР, используемой для вычисления гидрографических характеристик рек и их бассейнов, является выбор линейных размеров растра. В работе [Яковченко, 2007] рассмотрен алгоритм оценки влияния размеров ячейки на точность расчета структурного деления по ЦМР. Минимальным значением размера ячейки аmin, при котором полностью отражаются все характерные черты рельефа в данном масштабе карты, является величина 0,2 мм в масштабе карты аmin = 0,2·10-6 М (км) (толщина линии горизонтали). В работе [Gyasy-Agyei, Wilgoose, De Troch, 1995] предложена внемасштабная формула для оценки минимального размера ячейки растра:  где a – размер ячейки, i – средний уклон,  – стандартное отклонение ошибки высот для данной модели местности. Собственно величина  по порядку близка к среднему размеру неоднородностей рельефа (ложбина, бугор), выраженных в исходных горизонталях в плане. Обобщение формулы [Gyasy-Agyei, Wilgoose, De Troch, 1995], по мнению [Яковченко, 2007], может использоваться для оценки аmin = min (0,2·10-6 М,  ). При расчете площади водосбора можно использовать следующее выражение для относительной ошибки (в процентах): . В этом случае размер ячейки при допускаемой ошибке  должен быть меньше или равен:  При моделировании речной сети и границ водосборов необходимо знать не только оптимальные значения линейных размеров ячеек растра, но и пороговые значения сумм направлений стока, оказывающих существенное влияние на длину и количество восстанавливаемых водотоков. Эта задача может быть решена путем сравнительного анализа модельной и топографической карт заданного масштаба (как визуального послойного сравнения, так и рассчитанных значений суммарной длины рек в пределах какого-либо водосбора). Для моделирования речной сети и водосборов необходим подбор оптимальных параметров, которые представляют собой комбинацию линейных размеров растра и пороговых значений сумм направлений стока [Яковченко, 2007; Погорелов, Думит, 2009]. Последние ограничивают длину и количество восстанавливаемых водотоков: чем выше пороговое значение, тем меньше количество водотоков и их длина и наоборот. Таким образом, пороговое значение представляет собой параметр генерализации речной сети, при соответствующих линейных размерах растра (рис. 4). Рассмотрим эти особенности моделирования более подробно на примере бассейна р. Чолвы (А = 234,33 км2), представленной на фрагменте карты масштаба 1:100000. Для площади водосбора р. Чолвы, при = 1%, imax=0,925, i.= 0,046, = 2,5 м, линейные размеры ячеек растра будут находиться в пределах 2,7 м < a < 38,2 м.На рис. 4 показана восстановленная речная сеть с фиксированным пороговым значением сумм направлений стока 5000 и разными размерами ячеек растра (25×25 и 10×10 м). Даже при визуальном анализе на рис. 4а заметны существенные отклонения рисунка речной сети (истоки в большинстве случаев не совпадают, речная сеть генерализована, количество модельных водотоков значительно ниже по сравнению с фактическим), в то время, как на рис. 4б отмечается практически полная их сходимость. Для количественной оценки правильности подбора оптимальных параметров выполнен расчет суммарной длины рек в пределах водосбора р. Чолвы (табл. 2) для разных комбинаций линейных размеров ячеек растра и пороговых значений сумм направлений стока (k). Таблица 2 Модельные значения суммы длин рек в пределах водосбора р. Чолвы и их отклонения (%) от фактической суммы (212631 м) при разных размерах ячеек ЦМР и значений параметра k
Как видно из табл. 2, наибольшая сходимость суммы длин рек модельных и фактических достигается при линейных размерах ячейки растра в 10×10 м и пороговом значении сумм направлений стока – 5000. Именно при таких параметрах генерализации восстановленная речная сеть практически полностью совпадает с фактической (рис. 4б). Таким образом, определение гидрографических и морфометрических характеристик водных объектов и их водосборов должно базироваться на корректной ЦМР, построенной с учетом максимально возможного набора исходных топографических данных, способов их представления, соблюдения топологии, параметров интерполяции, оптимальных размеров растра и пороговых значений дренажной сети. Такой методический подход дает возможность проводить морфологический анализ, уточнять характеристики речной сети, выделять границы водосборов, определять порядки рек по разным схемам деления и, в конечном счете, более качественного учитывать условия формирования поверхностного стока. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 14-05-00317/14  Библиографический список
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Похожие:
 |
Статья 11. Предоставление водных объектов в пользование на основании... На каком основании водные объекты могут предоставляться в пользование для строительства гидротехнических сооружений, если такое строительство... |
 |
Образец аудита Для различных объектов разработаны различные по объему, содержанию и отчетности модели энергоаудита, т н. Motiva-модели. В инструкциях... |
|
Профессиональный стандарт Определение стратегических целей бизнеса, формирование бизнес-модели организации, определение ключевых стейкхолдеров бизнеса и концепцию... |
|
Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное... «Определение оптимальных стратегий перехода образовательных учреждений к использованию свободного программного обеспечения» |
|
Методические указания к практическим занятиям по дисциплине в дв «Прикладная физика» В методических указаниях рассматривается последовательность расчета параметров потенциальных тяговых характеристик современных тракторов... |
|
Техническое задание на поставку эхолотов-навигаторов для нужд ООО... Выполнение инженерно-гидрологических изысканий, связанных с измерением глубин и изучением рельефа дна гидрографических объектов |
|
К вопросу влияния загрязнения водных объектов Азово-Черноморского... Аннотация: в работе проанализировано влияние загрязнения водных объектов Азово-Черноморского водного бассейна полихлорированными... |
|
Отчет «Разработка концепции и модели организации проектного офиса»... Отчет «Разработка концепции и модели организации проектного офиса» и «Апробация модели организации проектного офиса по развитию объектов... |
|
Определение требований 1 Постановка задачи 2 Требования к интерфейсу... Целью третьего раздела является принятие решений по структуре найденных абстракций и их взаимоотношения, а также создание механизмов... |
|
3 (41) 2011 применение математических моделей электроэнергетических объектов Рассмотрена возможность применения матричных моделей установившихся режимов работы электроэнергетических объектов на основе эквивалентных... |
|
О расчёте О расчёте (совершенствование расчета, уточнение расчета?) Производительности карьерного экскаватора |
|
Умк «Перспектива» технология II полугод Определение вида геометрического тела по количеству граней, освоение способа сборки модели автомобиля из геометрических тел выполнение... |
|
Лабораторная работа №11. «Ускоренное испытание на долговечность.... |
|
Профессиональный стандарт Определение количественных и (или) качественных характеристик инновационной продукции наноиндустрии |
|
Техническое задание на поставку оборудования для обеспечения безопасности объектов ОАО "ппгхо" Подраздел Требования к стабильности параметров при воздействии факторов внешней среды |
|
Перечень технических характеристик и параметров излучения беспроводного Рабочие частоты передачи/приема радиоэлектронного средства (полоса рабочих радиочастот высокочастотного устройства), мгц |