Геоинформационная система GeoMapBuilder для создания векторных карт с рельефом местности

© А.В. Хоперсков, А.А. Белослудцев, Н.В. Наводченко, 2007-2008

УДК 681.3

ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА GEOMAPBUILDER ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВЕКТОРНЫХ КАРТ С РЕЛЬЕФОМ МЕСТНОСТИ

А.В. Хоперсков, А.А. Белослудцев, Н.В. Наводченко

Приведено краткое описание созданного авторами программного комплекса для построения электронных карт, включающих рельеф заданной местности. Данная геоинформационная система предназначена в первую очередь для использования в задачах математического моделирования сложных пространственно распределенных объектов и/или процессов.

Геоинформационные системы как основа математического моделирования на местности

Геоинформационные системы предназначены для управления большим количеством разномасштабной картографической информации, анализа взаимосвязей объектов в пространстве, управления атрибутными характеристиками объектов, поскольку ГИС наиболее естественно отображают пространственные данные. ГИС можно применять для очень широкого спектра задач, в которых имеется пространственно распределенная информация, которая выстроена иерархически [1]. Привязка информации к различным объектам на карте существенно облегчает анализ данных, позволяет исследовать наличие и структуру связей. Незаменимыми оказываются электронные карты при решении задач экологического моделирования. Отметим основные направления таких исследований: 1) для анализа статистических данных (медицинских, уровня различных загрязнений, номенклатура промышленных предприятий), распределенных по заданной территории; 2) динамические задачи, в рамках которых изучается эволюция систем различной природы [2-5]; 3) для оценки и прогнозирования воздействий на окружающую среду и построения информационных экспертных систем, в частности для определения последствий техногенных и экологических катастроф [6-8]. Близкими по назначению являются ГИС, предназначенные для управления территориями и инженерными коммуникациями, для землепользования и природопользования и т. д.

В ряде случаев возникает необходимость учитывать рельеф местности. К таким задачам следует отнести следующие: 1) изучение распределения и динамики загрязняющих примесей в воздушно-водных бассейнах; 2) широкий круг метеорологических проблем; 3) построение гидрологических моделей различных водоемов [9; 10]; 4) гидродинамические модели затопления территорий (паводки, аварии на гидроузлах, подтопления, сезонные наводнения и разливы рек); 5) динамическое моделирование различных стихийных и антропогенных явлений (в частности, лесные, степные и техногенные пожары); 6) моделирование динамики биологических популяций.

В работе кратко описан новый программный комплекс для построения электронных карт, включающих рельеф заданной местности, в первую очередь для целей использования в задачах математического моделирования сложных пространственно распределенных объектов и/или процессов. В рамках разработанного пакета GeoMapBuilder [11] возможна как начальная оцифровка

карты, так и формирование начальных данных для построения рельефа местности, что уже нашло практическое применение для математического моделирования динамики поверхностных вод в Волгоградском регионе и воздушных примесей от антропогенных источников.

Общее описание информационной системы

В основе геоинформационных систем лежит концепция послойной организации пространственных данных, когда однотипные данные на земной поверхности группируются в слои (совокупность всех слоев образует карту). В GeoMapBuilder для каждого проекта пользователь самостоятельно определяет количество и названия слоев, а при задании объекта задается его принадлежность к конкретному слою. Деление данных на слои позволяет работать в ГИС только с теми данными, которые необходимы для решения конкретной задачи. В программе для просмотра отдельных слоев предусмотрена специальная процедура. Существует возможность редактирования и корректного удаления слоев.

Интерфейс программы GeoMapBuilder является стандартным интерфейсом Windows. В главном меню представлены все основные элементы управления (рис. 1). Функция изменения масштаба и основные инструменты вынесены на главную панель. Внизу окна отображается информация о координатах курсора мыши, масштабах заданных осей и исходного изображения в пикселях. В центре окна располагается изображение. Справа - окно с вкладками, где представлена информация о проекте, слоях, объектах, файлах проекта, системе координат, параметрах линий и полигонов.

Рис. 1. Главное окно веоМарВшШег Вестник ВолГУ. Серия 1. Вып. 11. 2007-2008

Пример оцифровки и построения векторного рельефа

На рисунке 2 приведена исходная карта, содержащая объекты, определяющие рельеф местности г = h(x, у). К ним относятся изолинии высот (горизонтали), отметки высот, отметки урезов воды, изобаты, отметки глубин. Остальные объекты (городские и промышленные застройки, различные дороги, линии коммуникаций, водоемы, леса и т. д.) рельеф не генерируют, и их вертикальные координаты определяются значениями х, у после построения функции h(x, у).

На рисунке 3 изображен рельеф участка местности, показанного на рисунке 2. В данном случае размеры территории составляют 19 х 14 км. Рельеф построен на сетке с числом узлов 900 х 600.

Разрешение рельефа определяется только качеством исходных карт. Пример построения рельефа при наличии застройки приведен на рисунке 4, где размер сетки составляет 920 х 920 ячеек, что дает разрешение около 1 м, достаточное для широкого круга задач экологического моделирования с учетом всех городских строений на территории городского района.

Рис. 2. Исходное изображение пространственных данных

GeoMapBuilder представляется достаточно универсальным инструментом ГИС-техно-логий. Можно строить векторные карты для ГИС различных видов, например, национальные (государственные), региональные, субрегиональные (районы), локальные (местные, муниципальные, городские, различные природные объекты типа водоемов, пойм рек, лесных массивов и т. п.) и ультралокальные (ГИС отдельных промышленных объектов и любых ограниченных территорий).

210 А.В. Хоперское, А.А. Белослудцев, Н.В. Наводченко. Геоинформационная система веоМарВшЫег

По сравнению со специальным оборудованием для оцифровки бумажных носителей (дигитайзеры, или планшеты) разработанная система GeoMapBuilder имеет преимущества, особенно при построении карт с рельефом.

Рис. 3. Рельеф местности

Она не требует дополнительных устройств (электростатический или электромагнитный планшет, стило или курсор), специальных драйверов и графических программ (редакторов). В случае GeoMapBuilder все функционально реализовано в одной программе с использованием стандартной компьютерной мыши. GeoMapBuilder позволяет проводить оцифровку как малых, так и больших изображений без привлечения дополнительных ресурсов. При работе с картами крупных масштабов предусмотрена возможность разбиения исходного материала на отдельные части (проведение так называемой разграфки), что позволяет обрабатывать их независимо. Допущение ошибок при оцифровке изображений минимально, поскольку при работе пользователь визуально наблюдает результат каждого своего действия.

В GeoMapBuilder можно задавать значения точек объектов по высоте. Графические планшеты не имеют таких возможностей. Эта отличительная особенность в данной системе позволяет генерировать исходные данные для построения двумерной поверхности в трехмерном пространстве (рельефа). В качестве источников пространственных данных для GeoMapBuilder могут применяться аналоговые или цифровые данные, в частности, картографические источники (в том числе карты, планы, схемы и другие) и данные дистанционного зондирования Земли, представленные в качестве графических файлов в формате BMP (Bitmap Picture). Таким образом, на входе имеем растровое изображение, на выходе - векторное.

Рис. 4. Участок городской застройки

На основе GeoMapBuilder уже создан ряд рельефов местности, которые используются при решении различных задач математического моделирования экологических и геофизических объектов.

Summary THE GEOINFORMATION SYSTEM GEOMAPBUILDER FOR MAKING VECTOR MAPS WITH THE LIE OF THE GROUND

A. V. Khoperskov, A.A. Belosludcev, N. V Navodchenko

The brief specification of program package for build-up of electronic maps including the lie of the ground, is given. The basic purpose of the given geoinformation system is the tool for mathematical simulations of complex spatial data.

Список литературы

1. Скворцов А.В. Геоинформатика. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2006. 336 с.

2. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 272 с.

3. Даценко Ю.С., Иваненко С.А. Моделирование водообмена Учинского водохранилища для оценки его влияния на цветность воды // Водные ресурсы. 1992. N° 1. С. 76-83.

4. Маpчук Г.И. Математическое модел^ование в ^облеме о^ужающей сpеды. М.: Наука, 1982. 564 с.

5. Будинова Е.В., Носов В.Н., Терехин А.Т. Моделирование течений Северного Каспия. Теоретическая экология. М.: Изд-во МГУ, 1987. С. 17-31.

6. Ворович И.И., Горелов А.С. и др. Рациональное использование водных ресурсов бассейна Азовского моря: Математические модели. М., 1981. 674 с.

7. Джеймс А. Математические модели контроля загрязнения воды. М.: Мир, 1981.

8. Алексеев В.В., Гридина Е.Г., Куракина Н.И., Минина А.А. Система оценки качества водных объектов по комплексу гидробиологических показателей на геоинформационной основе // Надежность и качество. Труды международного симпозиума. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006.

9. Закономерности океанографических и биологических процессов в Азовском море. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2000.

10. Смирнов Е.Д., Хоперсков А.В. Информационно-математическая модель Волгоградского водохранилища с учетом статистического ансамбля реализаций погодных условий // Известия высших учебных заведений. Радиофизика: Спец. вып. 1997. Т. 4. Вып. 1. 155 с.

11. Белослудцев А.А., Наводченко Н.В., Хоперсков А.В. Информационная система для создания электронных карт с рельефом ^еоМарВшЫег): Свидетельство об офиц. регистрации программ для ЭВМ № 2007612682 от 21.06 2007 г.