Объектно-ориентированная географическая цифровая модель для геосистемного анализа

УДК 551.4 ББК 26.823 В 18

Т.П. Варшанина

Объектно-ориентированная географическая цифровая модель для геосистемного анализа

Аннотация:

Разработана концепция и отрабатывается методология создания фундаментальной географической цифровой модели, обеспечивающая геосистемный анализ и прогноз состояния среды обитания человека.

Ключевые слова:

Геоинформационная интеллектуальная система, объектно-реляционная геосистемная территориальная модель, фундаментальная географическая цифровая модель.

Достижение цели сбалансированного пространственно-временного приспособления природно-экологической и социально-экономической составляющих территориальных систем выдвинуло на передний план задачу разработки эффективных подходов автоматизированного геосистемного анализа и прогноза состояния среды обитания человека. В связи с этим, наиболее приоритетным направлением является развитие автоматизированных средств поддержки географических исследований обеспечивающих накопление знаний в соответствие с логической структурой организации геосистем, а также извлечение новых знаний на основе анализа всего массива данных и исследования различных моделей предметной области. Вследствие высокой сложности территориальных систем в процессе перехода от накопления данных к их анализу, и на его основе к выявлению новых связей и закономерностей, неизбежно использование методов искусственного интеллекта, таких как нейронные сети и экспертные системы, которые позволяют обобщить существующие знания и генерировать новые.

Существо проблемы создания интеллектуальных информационных моделей территориальных систем заключается в отсутствии разработанной структуры базы фундаментальных знаний в области географии, являющейся интегрированной основой для интеллектуальных моделей и моделей знаний. Воссоздание логической структуры фундаментальных географических знаний территории возможно в виде объектно-реляционной геосистемной территориальной модели. Этот подход позволяет моделировать сложную иерархическую систему сущностей предметной области в виде объектно-ориентированной схемы базы данных, а точечные характеристики, являющиеся проявлением влияния различного рода полей (например, климатические параметры) - в виде реляционных таблиц поддерживающих непрерывный массив данных таких параметров в различные интервалы времени. Таким путем в территориальных моделях возможно воспроизведение двуединства дискретно-континуального свойства геопространства. Основными достоинствами метода объектно-ориентированного проектирования является: - воссоздание естественной иерархии объектов и процессов взаимодействия между ними, обеспечивающее функционирование системы как единого целого; - эволюционное, помодульное проектирование системы; -возможность модификации в соответствие с развитием представлений в каждой предметной области; - оптимальное структурирование большого объема атрибутивных данных.

Методологической основой процесса воссоздания объектно-ориентированной территориальной модели является учение о физико-географическом районировании. В данном случае физико-географическое районирование рассматривается как вид классификации, направленной на выявление генетической предопределенности иерархии структуроформирующих факторов. Проблема теоретического обоснования иерархии структуроформирующих факторов в отечественной географии в основном решена (А.Г Исаченко, 1998). Базовым положением при этом является подразделение этих факторов на категории зональных и азональных, отражающих по своей сути пространственное совмещение и взаимодействие процессов, обусловленных, с одной стороны солнечной энергией, с другой -внутренней энергии Земли. Поступление эндогенной энергии, определяющее формирование неровностей земной поверхности, сказывается в возмущениях поля широтной зональности, усилении напряженности в границах энергетических полей различного масштабного уровня, наложение и взаимодействие которых приводит к формированию многообразия геосистем рангов от регионального до локального. Это условие выводит в первоочередные задачи разработки фундаментальной географической цифровой модели выявление иерархической структуры рельефа и климатического поля территории, а также закономерностей перераспределения в рельефе климатических параметров. Выявленные закономерности позволяют вычислить по иерархии природных единств интегральные энергетические характеристики, обусловливающие в них интенсивность вещественно-энергетического обмена. К таким характеристикам могут быть отнесены параметры, описывающие вещественноэнергетические потоки. Например, емкость и напряженность приземного поля приходящей солнечной радиации, определяемые распределением ее в рельефе, мощность - реальное ее количество; насыщенность, а также величины радиационного и теплового баланса. Иерархия

пространственных единиц, отличающихся параметрами среднестатистического физического состояния атмосферы, сформированного в условиях гравитационного поля Земли, служит по своей сути экологическими нишами почв, биоты и ландшафтов. Алгоритмы расчета энергетических характеристик в рельефе позволяют автоматизировать процесс построения иерархии объектов ландшафтной сферы, открывают, в частности, перспективы параметрической оценки влияния антропогенной нарушенности на степень устойчивости ландшафтов через их энергетические характеристики.

Объектом исследования в территориальной модели служит иерархия единиц физико-географического районирования, отображающая типологические и топологические ряды геосистем, которые отличаются параметрами и трендами инвариантных свойств. Выделяемые единицы районирования, сформированные в итоге многообразных разноуровневых взаимодействий вертикальной и горизонтальной составляющих природных систем в процессе их исторического развития, по их положению в системе функционального рассмотрения объекта исследования - «каркас-процессор-узор» (Коломыц, 1998) соответствуют - «узору». Каркасом и процессором служат геолого-геоморфологические и гидро-климатические составляющие, несущие структуроформирующие функции. Логическая схема полной модели территориальной системы строится по функциональному принципу - «иерархия географических объектов порождается соответствующим масштабом географических процессов».

Базовым модулем разрабатываемой территориальной модели служит создаваемая на объектной основе интегрированная физико-математическая ЦМР, описывающая реальную земную поверхность, обеспечивающая: - дискретное и континуальное представление и анализ рельефа; - выделение иерархии его объектов; - детальный перерасчет параметров геокомпонентов; - динамическое моделирование в трехмерном геоинформационном пространстве (Варшанина и др., 2006). К классам объектов рельефа отнесены иерархии: морфоструктур (Ранцман, Гласко, 2003), морфоклиматических районов, поверхностей рельефа (Плисенко, 2005).

Банк территориальных данных состоит из следующих подсистем: литогенное основание с его рельефом, климат, гидроресурсы, почвы, биота, ландшафты, отображающих иерархию объектов геокомпонентов и геосистем в виде объектно-реляционной геосистемной территориальной модели. Логическая структура банка данных параметрических характеристик инвариантных свойств иерархии объектов от элементарной поверхности до тектонического блока и инвариантных параметров объектов остальных геокомпонентов и ландшафтов открывает широкие перспективы инженерии географических знаний.

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. Объекты предметной области отображаются в 3D/4D пространстве с учетом топологических, геометрических и моделируемых семантических особенностей поведения.

Описываемая концепция предоставляет возможность разработки логической структуры программного продукта, соответствующей логической структуре системы геопространства, в результате чего расширяется область применения продукта и круг организаций -пользователей. Пользователю обеспечиваются возможности модификации состава моделируемых объектов, разработки специализированных геоинформационных систем методом адаптации, наполнения их знаниями о конкретных типах объектов. Таким образом, система переходит в класс полноценных экспертных систем, основанных на знаниях.

Структура геоинформационной интеллектуальной системы региона обеспечивает интеграцию геоинформационной системы, экспертной системы и нейронных сетей. Ядром системы является пространственно-временная база тематических данных, построенная на основе объектно-ориентированной технологии, и база знаний региона, соединяющая как

формализуемые знания (логико-лингвистические модели, символьные вычисления), так и неформализуемые знания (в нейронных сетях).

ГИС отрабатывается на платформе СУОРБД Огас1е 9ь 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 -накопление/мониторинг тематической информации. Картографическая реализация результатов анализа координированных данных осуществляется средствами ArcGIS 9.1.