СИСТЕМА МОНИТОРИНГА БЕРЕГОВОЙ ЗОНЫ МОРЯ

Полезная модель относится к вычислительной технике и может быть использована для обработки информации для рационального природопользования, а также в области экологии и применяться при проведении геоморфологического мониторинга состояния береговых зон морей.
Известна классическая система стационарного наблюдения (Трансформация аккумулятивной формы и параметров ее литоморфодинамических процессов под влиянием естественных и техногенных факторов (На примере косы Вербяной) / Ю.В.Артюхин, С.И.Федорова, Ю.В.Конев, Б.Д.Елецкий // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2009. №9. С.32-39). Данная система состоит из блока входящих данных и блока обработки данных. Блок входящих данных включает блок данных съемки поверхности земли, и блок данных о морском дне. Блок обработки данных, включает блок данных обработанной наземной съемки и блок данных сравнительных характеристик.
Основу работы известной системы составляет проведение сезонных топобатиметрических измерений створов и анализ морфодинамических изменений береговой полосы. На основе полученных данных вычерчивают профили створов (фиг.1, фиг.2), составляют таблицы полученных данных и анализируют их. Система позволяет качественно оценить процессы абразии и аккумуляции, выявить их пространственную и временную изменчивость.
Недостатком известной классической системы является, недостаточная оперативность проведения мониторинга, обусловленная длительностью обработки исходных данных и условной точностью полученных данных, не достаточных для мониторинга береговой зоны.
Известна специфическая географическо-поисковая система (патент США №5852810, МПК G06F 17/60 от 22.12.1998 г.), включающая геоинформационную систему (ГИС), обеспеченную выходом в Интернет (блоки http, интерфейс). Система дополнена геоинформационной базой данных (ГИБД) и системой управления базой данных (СУБД). Географическо-поисковая система предназначена для оперативного поиска участка земли без построек или с ними в разных точках земного шара, поэтому ГИС снабжена указаниями о наличии таких участков, а ГИБД - подробными сведениями о характере участков и постройках на них. СУБД содержит дополнительные программы, которые позволяют пользователю ознакомиться с данными, которые содержатся в ГИБД на выбранный объект.
Система обладает недостаточной оперативностью, что обусловлено несовершенством методов обработки входящих данных.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели, выбранным в качестве прототипа, является информационно-поисковая система (патент РФ №12738, МПК (7) G06F 17/00), содержащая геоинформационную систему (ГИС), геоинформационную базу данных (ГИБД), систему управления базой данных (СУБД) и блоки выхода в Интернет (HTTP протокол), блок ввода информации, блок авторизации информации, блок формирования баз данных и блок отображения, один выход блока ввода информации соединен со входом блока авторизации информации, а второй его выход соединен со входом блока отображения информации, выходы последнего подключены ко входам ГИБД и блока ввода информации, выход блока авторизации информации связан со входом блока формирования баз данных, выход которого соединен со вторым входом ГИБД, выход ГИБД связан со входом СУБД, выход которого подключен ко входу ГИС, имеющей выход и Интернет через HTTP через протокол.
К недостаткам этой системы относятся ее ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что она способна только отображать и хранить полученные данные.
Технической задачей является создание системы мониторинга береговой зоны моря, позволяющей более точно и оперативно изучить пространственно-временные перестройки донного рельефа.
Для решения технической задачи предлагается система мониторинга береговой зоны моря, которая включает блок хранения геопространственных данных (БГД), состоящий из блока системы управления базой данных (СУБД) и блока геоинформационных данных (ГИБД); блок ввода данных о береговой зоне (БВД), состоящий из блока, содержащего данные о поверхности земли (БДЗ), блока, содержащего данные о морском дне (БДМ) и блока, содержащего данные аэрокосмических съемок (БДА); блок обработки входящих данных (БОД), состоящий из блока, содержащего данные обработанных наземных съемок (БОН), блока, содержащего данные сравнительных характеристик (БДС), и блока, содержащего данные обработанных аэрокосмических съемок (БОА); блок картографо-математического моделирования (БКМ), состоящий из блока формирования цифровой модели рельефа береговой зоны (БФМ), блока формирования динамики цифровой модели рельефа береговой зоны (БФД) и блока формирования объема цифровой модели рельефа береговой зоны (БФО); блок отображения данных (БОР); блок геоинформационной системы (ГИС).
Выход ГИБД соединен с входом СУБД. Выход БВД, выход БОД и выход БКМ соединен с входами ГИБД соответственно. Выходы СУБД соединены с входом БВД, входом БОД, входом БКМ и входом БОР соответственно. Выход БДЗ соединен с входом БОН. Выход БДМ соединен с входом БОН. Выходы БДА соединены с входом БОН и входом БОА соответственно. Выходы БОН соединены с входом БДС и входом БФМ соответственно. Выходы БОА соединены с входом БДС и входом БФМ соответственно. Выходы БФМ соединены с входом БДФ и входом БФО соответственно. Выход БФО соединен с входом БДС. Выход БОР соединен с входом ГИС.
Для более точного и оперативного проведения изучения пространственно-временных перестроек донного рельефа использованы геоинформационные средства моделирования. Пользуясь оптимальным методом построения поверхностей по точечным измерениям, создается 3D-модель участка береговой зоны на основе данных геодезических измерений.
Все расчеты выполнены в пакете ArcGIS (ESRI Inc., США). Среди геостатических методов интерполяции наиболее распространен кригинг (kriging), базирующийся на методе вариограммы/ковариации и позволяющий оценить ошибку интерполяции. Учитывая особенности исходных данных съемки, в программе выбирается соответствующая реализация метода моделирования - кригинг, RBF (радиальные базисные функции), IDW (метод обратно взвешенных расстояний).
В отличии от прототипа блок формирования данных выполнен в виде блока картографо-математического моделирования (БКМ), состоящего из блока формирования цифровой модели рельефа береговой зоны (БФМ), который сформирован после обработки данных из блока БОН или блока БОА. На основе данных блока БФМ формируются цифровые модели рельефа береговой зоны с учетом известных методов: кригинг, RBF, IDW.
Расчет межгодовых объемных изменений осуществляется с помощью блока формирования динамики цифровой модели рельефа береговой зоны (БФД) на основе данных из блока БФД. В блоке БФД с помощью программного обеспечения формируются модели динамики цифровой модели рельефа береговой зоны, отражающие морфологию цифровой модели рельефа на определенные даты, что при анализе модели позволяет установить направленность и знак процессов (размыв, аккумуляция) в период между съемками.
Блок формирования объема цифровой модели рельефа береговой зоны (БФО) на основе данных из блока БФД обеспечивает установления тенденций в динамике происходящих процессов и их количественных оценок, с помощью которых необходимо рассчитать объемы аккумуляции и абразии за соответствующие периоды между съемками. Блок БФО, формирует на основе программного обеспечения модель в виде трех типов областей: вертикальный прирост цифровой модели рельефа береговой зоны, понижение цифровой модели рельефа береговой зоны и области, оставшиеся без изменений. На основе анализа модели изучаются процессы произошедших морфологических изменений, которые наглядно идентифицируют участки размыва (расходная составляющая) и аккумуляции (приходная составляющая).
Данные о межгодовой динамике в объемных показателях прироста/понижения поверхности представленные в виде таблиц и графиков поступают из БФО в БДС, что обеспечивает возможность выполнения количественных сравнительных оценок изменений знаков за те или иные периоды.
На фиг.1 изображен пример профиля участка береговой зоны по суше (классическая методика); на фиг.2 - пример профиля участка береговой зоны по морю (классическая методика); на фиг.3 изображена схема системы мониторинга береговой зоны моря; на фиг.4 - цифровые модели рельефа береговой зоны, построенные методами интерполяции: а) кригинга, б) RBF (радиальных базисных функций), в) IDW (метода обратно взвешенных расстояний); на фиг.5 - модель динамики цифровой модели рельефа береговой зоны; на фиг.6 - изображена модель объема цифровой модели рельефа береговой зоны.
Система мониторинга береговой зоны моря включает блок хранения геопространственных данных (БГД) 1, состоящий из блока системы управления базой данных (СУБД) 2 и блока геоинформационных данных (ГИБД) 3; блок ввода данных о береговой зоне (БВД) 4, состоящий из блока, содержащего данные о поверхности земли (БДЗ) 5, блока, содержащего данные о морском дне (БДМ) 6, и блока, содержащего данные аэрокосмических съемок (БДА) 7; блок обработки входящих данных (БОД) 8, состоящий из блока, содержащего данные обработанных наземных съемок (БОН) 9, блока, содержащего данные сравнительных характеристик (БДС) 10, и блока, содержащего данные обработанных аэрокосмических съемок (БОА) 11; блок картографо-математического моделирования (БКМ) 12, состоящий из блока формирования цифровой модели рельефа береговой зоны (БФМ) 13, блока формирования динамики цифровой модели рельефа береговой зоны (БФД) 14 и блока формирования объема цифровой модели рельефа береговой зоны (БФО) 15; блок отображения данных (БОР) 16 и блок геоинформационной системы (ГИС) 17.
Выход ГИБД 3 соединен с входом СУБД 2. Выход БВД 4, выход БОД 8 и выход БКМ 12 соединены с входами ГИБД 3 соответственно. Выходы СУБД 2 соединены с входом БВД 4, входом БОД 8, входом БКМ 12 и входом БОР 16 соответственно. Выход БДЗ 5 соединен с входом БОН 9. Выход БДМ 6 соединен с входом БОН 9. Выходы БДА 7 соединены с входом БОН 9 и входом БОА 11 соответственно. Выходы БОН 9 соединены с входом БДС 10 и входом БФМ 13 соответственно. Выходы БОА 11 соединены с входом БДС 10 и входом БФМ 13 соответственно. Выходы БФМ 13 соединены с входом БДФ 14 и входом БФО 15 соответственно. Выход БФО 15 соединен с входом БДС 10. Выход БОР 16 соединен с входом ГИС 17.
Рассмотрим работу предлагаемой системы мониторинга береговой зоны моря. В ГИБД 3 заносим исходные данные сезонных топобатиметрических измерений створов и данные аэрокосмических съемок. С выхода ГИБД 3 данные поступают на вход СУБД 2, а затем на соответствующий вход БВД 4, где программное обеспечение распределяет их по соответствующим блокам БДЗ 5, БДМ 6 и БДА 7. Данные с выхода БВД 4 поступают на соответствующий вход в ГИБД 3, затем на вход СУБД 2, где они хранятся, и откуда при необходимости могут быть взяты для обработки, для картографо-математического моделирования и для отображения.
С выходов блоков БДЗ 5, БДМ 6 и БДА 7 данные поступают на соответствующие входы БОН 9, кроме того, с соответствующего выхода БДА 7 поступают данные на вход БОА 11.
С соответствующих выходов БОН 9 или БОА 11 данные поступают на соответствующие входы в БФМ 13 и с выхода БКМ 12 обработанные данные поступают на соответствующий вход в ГИБД 3, а затем на вход СУБД 2, где они хранятся, и откуда при необходимости могут быть извлечены через блок отображения данных (БОР) 16 и выводятся в виде изображений на геоинформационную систему ГИС (фиг.4).
С выходов БОН 9 и БОА 11 данные, в различной интерпретации (графиков и таблиц) поступают в БДС 10. С выхода БОД 8 данные поступают на соответствующий вход в ГИБД 3, а затем на вход СУБД 2, где они хранятся, и откуда при необходимости могут быть взяты для картографо-математического моделирования в блоке БКМ 12 и/или для отображения через блок отображения данных (БОР) 16 и выводятся в виде изображений на геоинформационную систему ГИС (фиг.5, 6).
Заявляемая система мониторинга береговой зоны моря позволяет оперативно провести мониторинг пространственно-временных перестроек донного рельефа, сократить время обработки информации, получить не только качественные, но и количественные данные о состоянии береговой зоны.
Проблема мониторинга береговых зон всегда актуальна, поэтому внедрение заявляемой оперативной системы мониторинга береговой зоны моря весьма эффективно, по сравнению с известными системами.
Получаемый технический результат обеспечивают отличительные признаки заявляемой полезной модели, т.е. предлагаемые система обладает новизной и промышленной применимостью.