XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Введение

В настоящее время уделяется все большее внимание совершенствованию гидрометеорологического обеспечения различных сфер хозяйственной деятельности. Оно затрагивает все уровни такого обеспечения: от космических систем до наземных информационно-измерительных комплексов (аэрологических, радиолокационных, наземных и дрейфующих автоматических метеорологических и океанологических станций и др.). Одним из направлений такого совершенствования является увеличение плотности сети наземных метеорологических станций и, прежде всего, за счет установки новых автоматических станций. Последнее требует выявления потенциальных мест, где такие станции могут быть размещены.

Критерии для определения потенциально возможных мест размещения автоматических метеорологических станций (АМС) весьма четко определены в руководящем документе «Наставления гидрометеорологическим станциям и постам, вып.3.ч.1»:

1. Метеорологическая площадка выбирается на участке, характерном (типичном) для окружающей местности и не отличающимся от окружающей территории какими-либо особенностями теплообмена и влагообмена подстилающей поверхности с атмосферой.

2. Характерность метеорологической площадки обеспечивается тем, что она располагается на преобладающих формах рельефа, наблюдающихся в районе.

3. Метеорологическая площадка должна быть удалена от источников влаги (море, озеро, река, водохранилище) на расстояние не менее 100 м от уреза воды при максимальном уровне воды в водоеме.

4. Метеорологическая площадка должна быть удалена от значительных по протяженности препятствий (лесов, больших групп построек, городских улиц и т. п.) на расстояние не менее 20-кратной высоты этих препятствий.

5. Нельзя размещать метеорологическую площадку вблизи глубоких оврагов, обрывов и других резких изломов рельефа (уклон должен быть менее 2 %).

Из приведенного перечня требований становится понятным, что без автоматизации процесса выбора мест размещения АМС задача их определения является весьма сложной. По этой причине в данной работе рассматриваются возможности для обеспечения такой автоматизации средствами геоинформационной системы (ГИС).

1. Исходные данные

В качестве исходных данных формируются карты, содержащие тематическую информацию для выбранного района. В нашем случае такими картами являются:

1. Растровая карта землепользования (см. рис. 1).

Рисунок 1. Исходная цифровая карта землепользования

2. Растровая карта рельефа (см. рис. 2).

Рисунок 2.Исходная цифровая карта рельефа

3. Растровая карта рек (см. рис. 3).

Рисунок 3.Исходная цифровая карта рек

2. Методика использования средств ГИС для выбора мест размещения АМС

Прежде всего, необходимо составить кадастр всех имеющихся на данной территории типов земельных участков для того, чтобы исключить из рассмотрения те, которые не соответствуют указанным выше критериям. Для этой цели с помощью имеющихся у ГИС IDRISI средств обработки цифровых карт, используя карту землепользования, построим гистограмму распределения различных типов ландшафтных участков. Построенная таким образом гистограмма представлена на рис. 4.

Рисунок 4. Гистограмма распределения количества разных видов местности на карте землепользования

Анализ представленных на данной гистограмме данных показывает, что самый распространённый вид местности на анализируемом участке местности – лес (код 7 на горизонтальной оси), далее идут пашни (код 6) и луга (код 9).

При этом гистограмма выявила такие объекты как водные (код 5), индустриальные районы (код 3) и районы с низкой плотностью населения (код 2). С учетом указанных выше критериев, которым должна удовлетворять площадка под установку АМС, эти территории для размещения АМС не подходят и должны быть исключены из рассмотрения. Для такого исключения воспользуемся имеющейся у ГИС IDRISI для обработки цифровых карт опцией «reclass».

Используя опцию «reclass», исключим из цифровой карты землепользования все виды местности, кроме лесов, пашен и лугов. Полученная в этом случае цифровая карта местности представлена на рис. 5.

Рисунок 5. Бинарная карта местности после исключения индустриальных и районов с низкой и высокой плотностью населения, водоемов и болот

Теперь переходим к учету второго условия, необходимого для выбора площадки для установки АМС: она должна располагаться на преобладающих в районе формах рельефа. Для учета выполнения данного требования построим гистограмму, представленную на рис. 6. Ее анализ показывает, что преобладающие формы рельефа (по высоте над уровнем моря) лежат в диапазоне от 268 до 312 м. Средства ГИС позволяют представить их положения на растровой бинарной карте - см. рис. 7.

а) б)

Рисунок 6 Гистограммы распределения высот в рассматриваемом регионе: а) общая (в диапазоне высот от 259 м до 424 м); б) доминирующие высоты (в диапазоне высот от 268 м до 312 м)

Рисунок 7 Положения преобладающих форм рельефа (выделены красным цветом – код 1)

Переходим к учету следующих требований к расположению метеоплощадки: исключаем зоны, располагающиеся в 100 и менее метрах от водных объектов, каковыми в данной местности являются реки и озера. Для этого построим отдельно цифровые карты для этих объектов (см. рис. 8а)

а) б)

в)

Рисунок 8 Цифровые бинарные карты зон, занятых озерами (а), реками (б) и совмещенная карта водных объектов (с)

Для исключения из рассмотрения участков, расположенных ближе 100 м к водным объектам, выделим эти участки с помощью команды «distance» (см рис. 9а) и создадим бинарный слой, где подходящие для расположения АМС участки имеют код 1 (красный цвет) (см. рис. 9б).

а) б)

Рисунок 9 Результата выделения зон, удовлетворяющих 3-му критерию: зоны равных расстояний на рис. 9а и участки, подходящие под расположение АМС по третьему критерию, выделенные кодом 1 (красный цвет) на рис. 9б

Теперь для удовлетворения 4-го критерия выделим для дальнейшего рассмотрения территории, удаленные на расстояние в 400 м от высоких протяженных объектов (застройки с высокой плотностью населения, индустриальные территории и леса). В результате использования команды «reclass» получим бинарную карту, представленную на рис. 10.

Рисунок 10 Бинарная карта территорий с высокой плотностью населения, индустриальных зон и лесов (выделена красным цветом)

Для исключения из рассмотрения участков, расположенных ближе 400 м от высоких протяженных препятствий, выделим эти участки с помощью команды «distance» (см рис. 11) и создадим бинарный слой, где подходящие для расположения АМС участки имеют код 1 (красный цвет) (см. рис. 12).

Рисунок 11 Карта изолиний равных расстояний от высоких протяженных препятствий

Рисунок 12 Карта зон, удаленных на 400 м и более от высоких протяженных препятствий, выделенные кодом 1 (красный цвет)

Следующим этапом является выделение зон, удовлетворяющих пятому критерию: нельзя размещать метеорологическую площадку вблизи глубоких оврагов, обрывов и других резких изломов рельефа (уклон должен быть менее 2 %). Для решения этой задачи воспользуемся опцией «surface», предназначенной для оценки свойств поверхности на основе цифровой модели рельефа. Результат этого этапа иллюстрируют рисунки 13 и 14. На рис. 13 представлена карта уклонов поверхности, где псевдоцветами выделены области с различными значениями уклона в процентах.

Рисунок 13 Карта уклонов поверхности в процентах

На рис. 14 выделены области с уклоном менее 2 % (код 1 - красный цвет)

Рисунок 14 Участки с уклоном менее 2%

На заключительном этапе для учета всех пяти критериев необходимо на итоговой карте исключить все участки, не удовлетворяющие этим критериям. Путем перемножения пяти бинарных слоев, на которых выполняется отдельный критерий, получаем карту с участками, потенциально пригодными для размещения АМС. Итоговая карта представлена на рис. 15

Рисунок 15 Бинарная карта участков, удовлетворяющих всем пяти критериям

С учетом требований к площади каждой метеоплощадки, составляющей 676 м², разобьем выделенные зоны на отдельные цельные участки и оценим их общее количество. Результат такого разбиения иллюстрирует рис. 16, на котором в выделенной зоне найдено три участка (коды 1, 2 и 3) разной площади.

Рисунок 16 Карта отдельных цельных участков

В таблице 1 приведены площади найденных участков, потенциально пригодных для размещения АМС, и их количество.

Таблица 1

Характеристики участков, потенциально пригодных для размещения АМС

Номер участка	Площадь, пиксель	Площадь, м2	Количество потенциальных мест расположения
1	4	16900	25
2	1	4225	6
3	12	50700	75

Для визуализации полученного результата рассмотрим рисунки 17 и 18. На рис. 17 участки, потенциально пригодные для размещения АМС, представлены на фоне карты землепользования. На рис. 18 эта же информация представлена в трехмерном виде.

Рисунок 17 Участки, потенциально пригодные для размещения АМС (код 12 –желтый цвет)

Рисунок 18 Трехмерная карта с участками, потенциально пригодными для размещения АМС (код 12 –желтый цвет)

Заключение

С учетом требований руководящего документа «Наставления гидрометеорологическим станциям и постам, вып.3.ч.1» сформулированы пять критериев, которым должна удовлетворять площадка для размещения АМС.

Разработана и реализована методика учета этих требований с использованием возможностей ГИС Idrisi.

Последовательно реализованы все этапы применения технических возможностей ГИС, позволивших в конечном итоге автоматизировать выбор потенциально пригодных для размещения АМС участков.

Данная методика может быть применена для любых районов при наличии соответствующих цифровых карт.

Список использованных источников:

1. Введение в геоинформационные системы: Учебное пособие / Блиновская Я.Ю., Задоя Д.С., 2-е изд. - М.: Форум, НИЦ ИНФРА-М, 2014. - 112 с.: http://znanium.com/catalog.php?bookinfo=509427

2. Сероухова О.С. Лабораторный практикум по дисциплине «Геоинформационные системы». – СПб.: Изд. РГГМУ, 2007.– 112 с.

3. Третьяков В.Ю., Селезнев Д.Е. Применение геоинформационных систем в геоэкологических исследованиях. - СПб.: Изд-во РГГМУ, 2008.- 207 с. http://elib.rshu.ru/files_books/pdf/img-515133536.pdf

4. Чандра А.М., Гош С.К. Дистанционное зондирование и географические информационные системы. - М.: Техносфера, 2008.- 307 с.

5. Кузнецов А.Д., Сероухова О.С., Симакина Т.Е., Солонин А.С. Оценка возможностей использования средств ГИС для определения местоположения метеорологических станций по спутниковым снимкам // Сборник тезисов Всероссийской научно-практической конференция «Современные проблемы гидрометеорологии и устойчивого развития Российской Федерации». – СПб.: РГГМУ, 2019. – С. 466 – 468.

6. Восканян К.Л., Кузнецов А.Д., Сероухова О.С., Симакина Т.Е. Оценка возможностей ГИС-технологий для позиционирования пунктов метеорологических наблюдений // Труды ГГО им. А.И. Воейкова, 2018, Вып. 591, С. 124—140

Сведения об авторах:

1. Корнилова Елена Андреевна, студентка третьего курса метеорологического факультета ФГБОУ ВО «Российский государственный гидрометеорологический университет» (192007, Санкт-Петербург, ул. Воронежская, д. 79), тел: 89172422797, email: ekornilova868@gmail.com

2. Кузнецов Анатолий Дмитриевич, профессор кафедры экспериментальной физики атмосферы ФГБОУ ВО «Российский государственный гидрометеорологический университет» (192007, Санкт-Петербург, ул. Воронежская, д. 79), доктор физико-математических наук, профессор, тел.:8(812)633-01-74, e-mail: kuznetsov1946@inbox.ru.

3. Сероухова Ольга Станиславовна, доцент кафедры экспериментальной физики атмосферы ФГБОУ ВО «Российский государственный гидрометеорологический университет» (192007, Санкт-Петербург, ул. Воронежская, д. 79), кандидат физико-математических наук, доцент; тел.: 8 (812) 633-01-74, e-mail: serouhova@inbox.ru.

Код для цитирования: Скопировать