CC BY
26Ученые записки Таврического национального университета имени В.И.Вернадского Серия «География». Том 24 (63). 2011 г. №3, С. 144-151.
УДК 528.94
КАРТОГРАФ1ЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ГЕОХ1М1ЧНИХ ПОЛ1В
Путренко В.В.
1нститут географп'НАН Украти, м. Kui'e, Украта
E-mail: putrenko@rambler.ru
Розглянуто методику геошформацшного картограф1чного моделювання геох1м1чних потв, яка дозволяе в автоматизованому режим! створювати електронш та nanepoBi карти, проводит анал1з географ1чних законом1рностей поширення х1м1чних елеменпв. Визначено основн1 етапи створення електронних карт геох1м1чних пол1в та розкрито тдходи до представления даних засобами векторних та растрових моделей. Проведено пор1вняльний анал1з переваг i HefloniKiB штерполяцп геох1м1чних даних р1зними методами.
Ключов1 слова: reoxiMiH, Г1С, штерполящя, токсичш елементи.
ВСТУП
Фундаментальними засадами розвитку географ1чного середовища е його континуальшсть та безперервнють, що дозволяе моделювати просторовий розподш явищ на основ! припущення ix поступово! змши. Метод побудови географ1чних пол1в, який з ycnixoM був методолопчно розроблений в роботах заруб1жних та впчизняних вчених, зараз широко застосовуеться для моделювання географ1чних законом1рностей розподшу показниюв та явищ. Особливо важливе значения метод мае для моделювання рельефу та його морфометричних показниюв. Завдяки застосуванню Г1С-технологш подготовка моделей, i'x иобудова та картографування стали частиною единого автоматизованого ироцесу обробки та збер1гання просторов о! шформацп.
Моделювання пол1в розподшу геох1м1чних показниюв е прикладом переваги географ1чних шдход1в перед шшими. Без анал1зу розподшу просторових тренд1в у поширенш х1м1чних елеменпв не можливо проведения заход1в рацюнального природокористування. Розподш геох1м1чних показниюв дозволяе виявляти поклади корисних копалин, знаходити аномальш значения вмюту елемешгв, яю можуть загрожувати життед1яльносп, проводити ландшафтш дослщження.
Вихщш передумови. Дослщженням картограф1чного моделювання геох1м1чних пол1в присвятили CBoi' роботи географи: В.Т. Жуков, Б.А. Новаковський, А.Н. Чумаченько, Н.В. Бажукова, В.Г. Лшник, B.C. Давидчук; картографи: В.А. Червяков, А.Б. Буянтуев, С.Н. Сербенюк, Л.Г. Руденко, В.А. Пересадько, та ш [1, 2,
3, 4, 5, 7, 8, 9, 10].
Формулювання цшей статт1, постановка задачь Метою дослщження е опрацювання методики створення геошформацшних карт геох1м1чних пол1в. Завданнями дослщження е визначення чинниюв, що впливають на виб1р засоб1в геошформацшного картографування, основних еташв моделювання геох1м1чних пол1в та cnoco6iB укладання остаточних електронних картограф1чних твор1в.
Виклад основного матер1алу. Апробащю методики було здшснено на основ! даних про х1м1чний склад шдземних вод на територп Украши за вмютом урану, миш'яку та фторид1в, як речовин, що можуть мати негативний вплив на споживчу яюсть води у раз1 перевищення !х концентрацп [6].
Першим етаиом шдготовки до створення карт геох1м1чних пол1в е зб1р иервинних даних. На цьому еташ визначаеться схема вщбору проб, яка залежить вщ мети дослщження, особливостей розподшу дослщжуваних елеменпв, статистично! модел^ яка приймаеться за основу, фшансування (рис.1).
Рис.1. Етапи картограф1чного моделювання геох1м1чних пол1в.
Дослщження проводились на всш територп крашн. За точки вщбору приймались мюця впадшня piK, тому структура мереж1 точок нерегулярна. На кожнш точщ було визначено вмют елеменпв у вод1 та встановлено географ1чш координата. Результатом робота на першому еташ стала реляцшна база даних з точками вщбору води та показниками вмюту елеменпв.
Другим етапом е перетворення таблично! бази даних на геопросторову. Для цього використовуеться процедура геокодування, яка вбудована у бшьшють сучасних Г1С-продукнв. В результат! геокодування створюеться таблиця, що мютить точков! об'екти у обранш систем! координат. H,i даш е первинними для створення модел1 геох1м1чних пол1в.
Третш етап передбачае побудову картограф1чно! модел1 розподшу даних. 1снуе дв1 основн1 модел1 пол1в: растрова та вектор на. Растрова модель подшяеться за видами штерполяцп даних та ix анашзу. Векторна модель подшяеться за видами векторних об'екпв: точков1, лшшш, пол1гональш та TIN-модель. В залежносл вщ внхщннх даних, мети укладання картограф1чних твор1в, точносн та можливостей анал1зу даних обираеться модель представления шформацй. У бшьшосн вппадюв спочатку створюються растров! модел^ а на i'x основ! - векторш.
Четвертий етап мютить роботи з укладання карт. До них вщноситься виб1р географ1чно! основи, яка вщповщае детал1зацп певного масштабу, форми представления карти у виглад растрового чи векторного зображення, розмщення у формат! Г1С, електронного атласу чи публшащя в 1нтернет, макетування. Результатом е отримання карти або cepii карт, яю описують розподш геох1м1чних показннюв.
За основу для створення карт геох1м1чних пол1в були обраш даш державного пщпрнемства «Клровгеолопя», яю мютять вщомосп про вмют урану, миш'яку, фторидов у грунтових водах. База даних була створена на основ1 збору результата геолопчно! зйомки у мюцях впадшня р1к. Проби вщбпралнсь у лигой перюд, коли основннм джерелом живлення р1чок е грунтов! води. Масштаб зйомки дор1внюе 1: 1 000 000. Точнють координат прив'язки точок вщбору проб вщповщае масштабу 1: 200 000. База мютить результата анатзу проб води у 6550 точках в Укра!ш, а також за И межами на територп Роен, Бшорус1, Молдови. Бона складаеться з двох таблнць. Перша таблиця мютить даш про умови вщбору проб: вщповщальна група, дата, краша, геолопчна область, коордпнатп вщбору проби у прямокутнш та географ1чнш систем! координат. Друга таблиця мютить вщомосп про кшькюний вмют х1м1чнпх елеменпв.
У багатьох вппадках пщ час проведения зйомок впкорнстовуеться регулярна мережа дослщжень, яка основана на епщ квадранв, яю р1вном1рно покрпвають усю територ1ю.
В даному внпадку при проведенш зйомки використовувалась нерегулярна мережа, що пов'язана з елементамп р1чково! мережг Бона мае р1зну щшьнють розмщення точок, що пов'язано з1 змшою щшьносп р1чково! мереж1 та збшьшенням кшькосп точок вщбору у мюцях прогнозування родовпщ корненнх копалнн. Картограф1чне моделювання засобамп Г1С дозволяе уникнути проблем, що впнпкають при проведенш дослщження на основ1 нерегулярно! мереж1 та в умовах динам1чно! змши щшьносп мережт
Геокодування е головною процедурою переходу вщ реляцшно! структури даних до геореляцшно!. В результат! цього ми отримуемо об'екти розмщеш в простор! та прпдатш для географ1чного анал1зу. Основнпмн етапамн процедури геокодування е визначення способу геокодування, проекцй перетворення просторовпх даних, отримання географ1чнпх даних. Впдшяють три основш вндп геокодування: на основ1 наявних координат, на основ1 сумщення атрибутивних даних, на основ1 сумщення геометричних даних. У першому вппадку виявляються стовпщ таблнщ, яю мютять координатну шформащю. Ц1 даш можуть вир1знятись за способом отримання (супутнпков1 системи познцюнування, шетрументальш зйомки, вим1рювання за картами), кшькютю координатннх впм1р1в (широта, довгота, висота), системою координат (прямокутна, полярна, географ1чна), картограф1чною проекщею.
Сумщення атрибутивних даних дозволяе геокодувати даш на основ1 однаковпх значень атрнбупв у таблиц! з данпмн ¿з таблпщ з геометрнчнимп об'ектамн. Цей спос1б геокодування у бшьшосп випадюв е менш точннм.
Сумщення за геометричними данпмн дозволяе отрнматп достатньо точннй результат. В основ1 процедури знаходяться прннципн геометрпчно! прив'язки та афшових перетворень даних, коли один геометричний шар прпв'язуеться до шшого на основ1 ключовпх точок.
У внпадку обробки геолопчно! базн використано коордннатн шпротн 1 довготп у географ1чнш систем! координат проекцп Пулково 1942 для топограф1чних карт. Результата геокодування перев1ряються пщ час сумщення з шарами географ1чно! основи. Ствпадшня вузл1в гщрограф1чно! мереж1 з точками забору проб пщтверджуе правпльнють проведения процедури геокодування.
Пщ час геокодування було выявлено точки, яю лежать далеко за межами загально! мереж! сиостережень. Координата цих точок вважаються иомилковими та були вилучеш ¿з загально! виб1рки.
Настуиним кроком у опрацюванш даних е !х штерпретащя. Для цього будуеться безиерервний розподш значень у простор! на основ! метод1в штерполювання. Сучасш геошформацшш системи ArcGis мають у своему склад! широкий арсенал засоб1в моделювання даних на основ! метод1в штерполяцп [11]. До цих метод1в вщноситься побудова TIN-мoдeлeй, метод середнього зважування обернено пропорцшно вщсташ, сплайн, кригшг, геостатистичний анал1з.
Статистичш поверхш можна моделювати на основ! штерполяцп точкових пол1в або побудови ТШ-моделей. Кожна модель мае сво! переваги та недолши. Растр -бшьш проста модель поверхш, ТПЧ-модел! можуть надавати бшьш точне уявлення поверхонь та просторових об'екпв, але потребують бшьших зусиль з1 збору шформацп.
При анал1з1 геох1м1чних пол1в з р1зною щшьшстю дослщно! мереж! бшьш доцшьно використання растрових поверхонь, яю на вщмшу вщ ТШ-моделей можуть надавати бшьш загальну картину розподшу вмюту елемешгв. Основним критер1ем при цьому виступае вщтворення загальних рис геох1м1чних пол1в на вщмшу вщ моделювання рельефу. Важливе значения мае роздшьна здатнють растрово! модел! даних. Бона визначае точшсть проведения штерполяцп, подальший масштаб вихщно! карти, Виб1р розм1ру ком1рок растру залежить вщ площ1 територп, юлькосп та щшьносп точок зшмання, базового масштабу проектних електронних карт.
ТПЧ - нерегулярна тр1ангуляцшна мережа, що складаеться з точок, кожна ¿з яких сшвставляеться з1 значениям. Моделювання геох1м1чних поверхонь вимагае використання у якосп значень точок характеристик вмюту х1м1чних елеменпв. За цими даними виконуеться побудова мереж! трикутниюв (тр!ангулящя), яка створюе безперервну поверхню у тривим1рному простора Тр!ангулящя створюе наб1р трикутниюв без перекриття (граней), яю повшстю заповнюють задану область.
Метод середнього зважування обернено пропорцшно вщсташ е видом растрово! штерполяцп даних. Метод обраховуе значения ком1рок за середшм вщ суми значениям точок зам1р1в, що знаходяться поблизу кожно! ком1рки. Чим ближче точка до центру оцшювано! ком1рки, тим бшьшу вагу мае и значения у процес! обчислення середнього. Цей метод передбачае, що вплив значень вим!ряно! перемшно! зменшуеться пропорцшно збшьшенню вщсташ вщ точки зам1ру. Отримаш значения ком1рок можуть контролюватись змшою ступеня впливу на ком1рку сусщшх точок, змшою рад1усу пошуку та встановленням бар'ер1в. 1нтерполящя цим способом геох1м1чних пол1в дозволяе отримати даш про загальний розподш геох1м1чних пол1в, але точшсть значень ком1рок растру буде вщр!знятись вщ вхщних значень.
Метод сплайшв розраховуе значения ком1рок на основ! математично! функцп, що мш1м1зуе кривизну поверхш, вираховуе найбшьш р1вну поверхню, яка точно проходить через ус! точки вим1р1в. Сплайни розраховуються на основ! метод1в регуляр1зацп, коли створюеться бшьш плавна поверхня, що може виходити за меж! д1апазону зам1р1в, та методу натяжшня, коли поверхня найбшьше наближена до юнуючих значень. Для налаштування штерполяцп методом сплайну застосовують параметри ваги та юлькост! точок, що приймають участь у розрахунках. Побудова
сплайшв на основ1 регуляр1зацй дозволяе отримати бшьш загальну картину розподшу х1м1чних елеменпв, на основ1 натяжшня - чпта територ1альш абриси з бшьш точними значениями ком1рок.
Метод кригшгу вщноситься до групи геостатистичних мещщв, заснованих на геомоделях, що мютять самокорелящю (статистичний зв'язок м1ж вим1ряними точками). Тому цей спос1б дозволяе не тшькп отримати розрахункову поверхню, але визначити значения точносп чи достов1рносп розрахунку.
Для розрахунку за методом кригшгу необхщно виявити правила залежносп 1 розрахувати прогнозш значения. При ршенш цих завдань створюються варюграмн та ковар1ационш функцп для оцшкн значения статистичних залежностей (просторово! автокореляцй) 1 визначаються прогнозш значения пустнх ком1рок. Метод кригшгу подшяеться на ординарний крпгшг, який застосовують у бшьшосп вппадюв та ушверсальний, який передбачае, що в даних е тенденщя к домшуванню окремнх значень. Ушверсальний кригшг викорнстовують у випадках, коли вщомо, що даш мютять науково пщтверджеш тенденцй.
За мехашзмом дп штерполящя на основ1 кригшгу схожа на метод середнього зважування обернено пропорцшно вщсташ. Але крпгшг може надаватн бшьш точш результатн разом ¿з засобами !х вернфшацп. У бшьшосп випадюв при середньомасштабному моделюванш геох1м1чних пол1в доцшьно внкористовуватн ушверсальний кригшг, який дозволяе видшяти та контролювати вплив просторових тренд ¿в на поширення показнпюв. Слабкою стороною використання кригшгу е складнють обробки даних та обмеження на роботу з аномальннми значениями.
Важлпвють геостатистичних метод1в у географ1чному моделюванш прнзвела до створення окремого модулю «Геостатистика» у склад1 ArcGIS. Модуль мютить засоби для побудовн та анал1зу варюграмн, проведения штерполяцп методами кригшгу 1 кокригшгу.
Анал1з геох1м1чнпх пол1в складаеться з впявлення загальнпх 1 регюнальних трецщв у розподш х1м1чних елеменпв, середшх значень вмюту елементу, яю притаманш ф1зико-географ1чнпм районам, виявленш аномальннх значень. Саме геох1м1чним полям прптаманна можлпвють утворення локальних аномалш, яю можуть юнуватн на обмеженш територп. Врахування цих аномалш е особливо важливим при пошуку родовпщ та досл1дженш вплпву токсичних х1м1чннх елеменпв на людпну.
Пщ час моделювання на основ1 геолопчно! бази даних було обрано метод середнього зважування обернено пропорцшно вщсташ. Метод дозволяе плавно штерполюватп значения геох1м1чно! поверхш ¿, разом з тнм, вщобразити аномально висою1 низью значения у растровш модель
Растрова модель розподшу х1м1чних елеменпв е впхщнпм джерелом для отримання ново! шформацп. Нов1 даш можна розподшити на дв1 основш групп: нов1 растров! поверхш, нов1 векторш шарн просторово! шформацп. Нов1 растров! поверхш можуть бути отрпмаш за рахунок перетворення отрпманих растрових моделей методами перекласифкацп, операцш растрово! алгебри. Векторш шарн шформацп можуть бути отрпмаш як похщш вщ растрово! поверхш. Основними видами векторннх даних е ¿золшй та полпональш обласп, що об'еднують точки з однаковими значениями або д1апазонамн значень. В залежносп вщ завдань моделювання геох1м1чних пол1в обнраеться растрова чи векторна форма подання шформацп.
При шдготовщ електронних карт бшьш доцшьно використовувати векторне подання шформацп, яке дозволяе зменшити потребу у комп'ютерних ресурсах та забезпечити доступ до атрибутивних значень. За цих умов пол1гональш векторш даш дозволяють вщтворювати геох1м1чш поля на карт1 за допомогою способ1в кшьюсного фону (рис. 2).
Рис. 2. Фрагмент карти «Небезпека перевищення ГДК природного урану у шдземних водах».
Побудова пол1гональних векторних об'екпв вщбуваеться у три стад и. На перший стадп проводиться автоматизована побудова пол1гональних зон через заданий штервал значень. На другш стадп вщбуваеться узагальнення отриманих пол1гошв на основ1 розроблено! класифшацшно! шкали методом !х автоматизованого об'еднання. На третьому еташ вщбуваеться генерал1защя отриманих пол1гошв з метою запоб1гання утворенню «паразитарних» пол1гошв, уникнення випадкових вщхилень вщ регюнальних тренд1в та л1кв1дацп найдр1бшших пол1гошв. Ця робота е вимушеним кроком при робот1 з автоматизованими та нашвавтоматизованими методами картографування 1 И результат залежить вщ досвщу та знань укладача карти. На вс1х стад1ях юнуе необхщшсть у контрол1 топологи полпюшв.
Готов1 тематичш шари оформлюються згщно загальних правил картографп. Обираеться базовий масштаб електронно! карти або масштаб паперових карт. Виб1р масштабу залежить вщ вхщних даних та роздшьно! здатносп вихщно! растрово! шформацп. Зпдно формули Салщева [8]
М = Я. V д
де М - ¿менований масштаб, який визначаеться числом кшометр1в в 1 см; п -об'ективне навантаження карти локал1зованими об'ектами (кшьюсть об'екпв на 100 см2); g - кшьюсть об'екпв на 100 км2 мюцевосп.
За допомогою ще! формули та результату векторпзацп растру обираеться д1апазон масштаб1в, у якому будуть укладеш карти. Вщповщно до масштабного д1апазону обираеться генерал1зована географ1чна основа, яка може мютити р1зну кшькють mapiß. Вид та кшькють mapiß визначаеться метою та об'ектом моделювання геох1м1чного поля. Визначальними при цьому можуть бути елементи пдролопчно! мереж^ одпнпщ ландшафтного районування, типи грунпв, населен! пунктн, адмшютратпвш корд они.
Укладання легенди карти у бшьшосп вппадюв е нашвавтоматпзованпм процесом, коли автоматично готуються елементи легенди, а поим вони доробляються картографом до остаточного Bapianry.
В залежносп вщ формп подання карти (електронна чи паперова) наступннмп стад1ямн е експорт карти у граф1чш векторш редактори або обмшннй формат електроннпх карт. У першому вппадку основнпм критер1ем е шдготовка яюсного пол1граф1чного макету. У другому випадку шдготовка електронно! карти для кшцевпх користувач1в. При цьому треба тдготувати атрпбутнвш даш, яю будуть передан! для користування. Розробка формату GeoPDF дозволила публшувати електронш карти у звичному для пол1граф1чних карт масштаб! i3 збереженням координатного простору, атрпбутивннх даннх та пошарового вщображення.
висновки
3 провадженням геошформацшннх технологш автоматпзоване картографування геох1м1чних пол1в стало важлнвпм дослщннцькпм шструментом, якнй дозволяе з мшмальннмп витратами часу отримати результати географ1чного розподшу х1м1чних елеменпв та оцшити i'x за допомогою математнчннх метод1в.
Процес створення картограф1чннх моделей складаеться з чотпрьох еташв, яю поеднують шдготовку данпх, геокодування, побудову геошформацшно! модел^ створення кшцево! картограф1чно! продукци i ü публшащю у паперовому та електронному внглядг
Основнпмн технолопчнпмн процесами шд час картографування розподшу xiMi4HHx елеменпв е штерполящя днскретннх точкових данпх та i'x перетворення у континуальш noeepxHi, створення векторнпх ¿золшшннх mapiß разом з пошаровнм фарбуванням. Проведения штерполяцп даннх внмагае шдбору метод ¿в та i'x параметр1в, яю найбшьш точно вщповщають поставленнм завданням. Перспектнвннм напрямом е моделювання reoxiMi4HHx noniß на 0CH0Bi геостатнстпчнпх метод1в, у тому nncni KpnriHry.
Подальш1 дослщження пов'язаш з удосконаленням метод1в розробкн геошформацшннх моделей reoxiMi4Hnx noniß, створенням систем автоматизованого картографування та спещал1зованих Г1С для мошторпнгу просторового розподшу xiMi4HHx елеменпв та антропогенного забруднення.
Список лггератури
1. Бажукова Н.В. Ландшафтно-картографический метод как способ выделения экологически опасных территорий (на примере Кировского района г. Перми)./ Н.В. Бажукова // Картография на рубеже тысячелетий. М., 1997. - С. 160-162.
2. Буянтуев А.Б. Картографирование геосистем и экологических ситуаций / А.Б. Буянтуев, А.Р. Батуев // Картография на рубеже тысячелетий. М., 1997. - С. 102-104.
3. Жуков В.Т., Новаковский Б.А., Чумаченко А.Н. Компьютерное геоэкологическое картографирование / В.Т. Жуков, Б.А. Новаковский, А.Н. Чумаченко. - М.: Научный мир, 1999. -128с.
4. Линник В.Г. Ландшафтная дифференциация техногенных радионуклидов: геоинформационные системы и модели/ Линник В.Г. // Автореф. дис... на д. геогр.н.:25.00.23 / РАН, Институт геохимии и Аналитической химии им. В.И. Вернадского. - М., 2008. - 40 с.
5. Мусин О.Р. Цифровые модели «рельефа» континуальных и дискретных географических полей / О.Р. Мусин, С.Н. Сербенюк // Банки географических данных для тематического картографирования - М.: изд-воМоск. ун-та- 1987 - С.156-170.
6. Перельман А.И. Геохимия / А.И. Перельман. - М.: Высшая школа, 1975. - 528 с.
7. Пересадько В.А. Картограф1чне забезпечення еколопчних дослвджень i охорони природи: монограф1я / В.А. Пересадько - Харк. нац. ун-т iM. В.Н.Каразша. - X., 2009. - 242 с.
8. Руденко Л.Г. Методика картографування еколопчного стану поверхневих вод Укра1ни за яюстю води / Л.Г. Руденко, В.П. Разов, В.М. Жукинський, О.П. Окаюк, И.В. Гриб; Ред.: В.Я. Шевчук. — К.: Символ-Т, 1998. — 48 с.
9. Свпличний О.О., Плотницький С.В. Основи геошформатики: Навчальний поабник / Свпличний О.О., Плотницький С.В.; За аг. ред. О.О. Свпличного. - Суми: ВТД «Ушверситетська книга», 2006. - 295 с.
10. Червяков В.А. О развитии научно-технического направления "картографо-экологическое моделирование". / В.А. Червяков, О.Н. Землюкова, В.В. Рудский, J1.B. Савков // Тезисы докладов на Межгосударств, научной конф., Пермь, 1993. - С. 211-214.
11. ArcGIS Spatial Analyst: руководство пользователя. - М., 2001. - 219 с.
Путренко В.В. Картографическое моделирование геохимических полей / В.В. Путренко // Ученые записки Таврического национального университета имени В.И. Вернадского. Серия: География. -2011. - Т. 24 (63). - № 3 - С.144-151.
Рассмотрена методика геоинформационного картографического моделирования геохимических полей, которая позволяет в автоматизированном режиме создавать электронные и бумажные карты, проводить анализ географических закономерностей распространения химических элементов. Определены основные этапы создания электронных карт геохимических полей и подходы к представлению данных средствами векторных и растровых моделей. Проведен сравнительный анализ преимуществ и недостатков интерполяции геохимических данных различными методами. Ключевые слова: геохимия, ГИС, интерполяция, токсические элементы.
Putrenko V.V. Cartographic modeling of geochemical fields / V.V. Putrenko // Scientific Notes of Taurida National V. I. Vernadsky University. - Series: Geography. - 2011. - Vol. 24 (63). - № 3 - P. 144-151. The method of GIS cartographic modeling of geochemical fields is considered, which allows the automatic mode to create electronic and paper maps, analyze geographic regularities of spread of chemical elements. The basic steps for creating electronic maps of geochemical fields and approaches to reporting data of means vector and raster models are detected. A comparative analysis of advantages and disadvantages of the interpolation of geochemical data by various methods is held. Keywords: geochemistry, GIS, interpolation, toxic elements.
Поступила вредакцию 05.04.2011 г.
