CC BY
84
УДК 553.97
Гнатюк Анна Борисовна
кандидат технических наук Ивановский филиал Владимирского юридического института ФИИН России
abg-07@mail.ru
Ершов Владимир Николаевич
кандидат технических наук Костромской государственный университет им. Н.А. Некрасова
yvn@ksu.edu.ru
МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ РЕЗУЛЬТИРУЮЩИХ МОДЕЛЕЙ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ВЛИЯНИЯ И ЕЕ ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ
В статье изложена методика оценки свойств территории на основе использования функций пространственного влияния. Представлена системная технология применения данной методики, алгоритмы построения результирующих моделей свойств территории и программный модуль, реализующий данные алгоритмы. Практическое приложение разработанных методов и средств перспективно, в частности, для решения задач определения мест размещения промышленных предприятий.
Ключевые слова: оценка свойств территории, функции пространственного влияния, программный модуль, определение размещения предприятий.
Территориальная система относится к классу сложных систем из-за большого количества пространственных объектов и факторов, имеющих различную физическую и социально-экономическую природу, и наличия между ними сложной структуры взаимодействий и взаимовлияния. Поэтому для оценки свойств территории разработана специальная методика.
Исходными элементами исследуемой системы свойств территории являются объекты, принадлежащие этой территории, и их модели пространственного влияния. Задача общей оценки свойств территории в наиболее простом случае заключается в том, чтобы просуммировать в каждой точке величины влияния каждого из объектов этой территории. Данная методика позволяет учесть «в индивидуальном порядке» все значимые для решаемой задачи объекты, используя единую технологию. Таким образом, снимаются методологические и технологические проблемы и ограничения по степени детализации учитываемых объектов и факторов. За счет этого в значительной мере повышается конкретность и точность пространственного анализа, а также его практическая ценность. Однако получение результирующего свойства территории простым суммированием влияния отдельных объектов применимо только в простейших случаях, когда все объекты однородны и их влияния на прилегающую территорию накладываются друг на друга. Примером такого суммарного влияния является загрязнение воздушного бассейна города от дымовых выбросов котельных и ТЭЦ.
В подавляющем большинстве для получения интегральных свойств территории необходимо учитывать влияние разнородных по количественным и качественным характеристикам факторов. В этих случаях объединение влияния отдельных объектов представляет самостоятельную задачу, решение которой требует применения системного подхода. При-
мером такой задачи является комплексная оценка экологической обстановки при воздействии на территорию различных видов источников загрязнения.
При решении задачи объединения разнородных данных для получения комплексной оценки экологического состояния окружающей среды предлагается применение нормированной оценочной шкалы, состоящей из равных отрезков [2]: 0-1 - значительно ниже нормы; 1-2 - ниже нормы; 2-3 -норма; 3-4 - выше нормы; 4-5 - значительно выше нормы. По существу такая нормированная шкала представляет собой функцию принадлежности. Принятие того или иного значения оцениваемой величины на нормированной шкале определяется как вероятность нахождения оцениваемой величины в определяемых экспертно интервалах концентрации. Кроме того, для каждой группы оценок, например, полученных для разных сред (воздух, вода, почва), производится сортировка в соответствии с максимальным значением каждого качества и выбираются наиболее критичные оценки. Для аварийных ситуаций эти критические величины соответствуют значениям в интервале 4-5 (значительно выше нормы); для обычных условий выбирается интервал 2-3 (норма). Дополнительно к этому учитывается степень достоверности определения величины рассматриваемых факторов.
Отсюда следует вывод, что получение комплексной или интегральной оценки свойства территории, даже когда влияния объектов представляют собой физические процессы, является самостоятельной и довольно сложной проблемой. Для случаев, когда наряду с физическими процессами влияния объектов на прилегающую территорию требуется учитывать объекты с виртуальным характером влияния, необходима разработка системной методики определения свойств территории, основывающейся на моделях пространственного влияния объектов. Это диктует необходимость приме-
нения системной технологии для оценки свойств территории с позиции определения места размещения предприятий. Она включает в себя следующие этапы:
- структурирования, то есть представления территориальной системы в виде множества взаимодействующих между собой элементов и осуществления функциональной, компонентной и структурной декомпозиции;
- анализа, включающего в себя функционально-структурный, морфологический, генетический и другие виды анализа, в результате которых реализуется формирование детального представления территориальной системы;
- синтеза, в результате которого, исходя из общесистемной закономерности эмерджентности или целостности, определяются интегральные свойства территории и оцениваются варианты альтернативных решений.
Системную технологию определения свойств территории с помощью моделей пространственного влияния объектов можно представить в виде последовательности трех шагов. На первом формируются модели пространственного влияния (МПВ) отдельных объектов, которые определяют свойства исследуемой территории. На втором - все объекты структурируются на однотипные объекты, то есть на те, которые имеют подобные (однотипные) МПВ, и затем для каждой группы однотипных объектов находятся результирующие модели пространственного влияния. На третьем шаге результирующие МПВ объединяются в интегрированную модель свойств территории.
Данные этапы определения свойств территории осуществляются путем использования ГИС-техно-логии. Соответственно, однотипные объекты представляются тематическим слоем цифровой карты, а результирующие модели этих слоев - в виде рельефов, изображаемых линиями равного уровня. Такие результирующие геомодели будем называть тематическими монорельефами. В свою очередь, геомодель, получаемую в результате объединения тематических монорельефов, будем называть полирельефом.
Системный подход предопределяет широкое применение ГИС, как инструмента пространственного анализа, и ставит задачу создания экспертных географических систем, дающих целенаправленную информацию об определенных свойствах, признаках, взаимосвязях и других содержательных аспектах характеристики различных территориальных явлений и объектов. Поэтому первой задачей в получении интегрированных свойств территории является декомпозиция объектов, принадлежащих этой территории, и их структурирование по однотипности, то есть по тематическим слоям.
Практическая реализация модуля пространственного моделирования заключается в создании
программного комплекса, способного обрабатывать как атрибутивную, так и пространственную информацию. Если обработка атрибутивной информации не представляет существенных трудностей, то пространственные данные поддаются анализу гораздо труднее. Поэтому необходимо в первую очередь создать программный продукт, расширяющий возможности стандартной геоинформационной системы. В этом случае обработка пространственных данных возлагается на ГИС, а построение моделей тематических слоев и комплексных свойств территории - на программный модуль. Кроме построения моделей, на этот модуль также ложится задача управления функциями пространственного анализа ГИС и обмена данными между ним и информационной системой.
Обмен данными между ГИС и программным модулем осуществляется средствами динамического обмена данными (DDE) между приложениями в среде Windows. За базовую ГИС выбрана GIS ArcView, разработанная фирмой ESRI. Выбор данной ГИС обусловлен не только приемлемым соотношением цена/качество, широким распространением данной ГИС в России, но и возможностью написания собственных функций обработки пространственных данных с использованием встроенного объектно-ориентированного языка Avenue. Дополнительный набор функций прописывается в виде скриптов, которые могут быть вызваны на выполнение из другой программы. Именно данный механизм и использован для обработки пространственных данных, необходимых для построения пространственных моделей. Таким образом, исходя из системной технологии, описанной выше, получим следующие алгоритмы, представленные на рисунках 1 и 2.
Алгоритм построения пространственной модели тематического слоя, состоит из следующих блоков (см. рис. 1):
Блок 1. На этом этапе происходит считывание параметров моделирования из базы данных. Считываются следующие параметры: перечень факторов, учитываемых при моделировании; вид влияния объектов; коэффициент веса объекта, радиус действия; наличие (отсутствие) розы ветров; тип объединения объектов внутри тематического слоя. Блок 2. Исходя из масштаба представления пространственных данных, определяется шаг сетки. Блок 3. Задается цикл перебора всех N-слоев, содержащихся на электронной карте. Блок 4. Определяется необходимость построения пространственной модели для данного тематического слоя. Блок 5. Осуществляется построение модели i-го тематического слоя. Блок 6. Функция данного блока заключается в определении методом частотного анализа оптимального шага квантования модели полученной поверхности. Блок 7. Задается новый шаг сетки. Блок 8. Функции данного блока анало-
1 2
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 2, 2012
Рис. 1. Алгоритм построения модели тематического слоя
гичны функциям блока 5, только модель строится с шагом сетки, введенным в предыдущем блоке. Блок 9. Определяется среднеквадратическое отклонение модели, полученной в блоке 8, от точной модели, полученной в блоке 5. Если точность приемлема (что определяется пользователем - Блок 10), то переходим к 11 блоку. Блок 11. Пользователем выделяются слои, которые необходимо отфильтровать.
В Блоке 12 осуществляется задание цикла перебора сформированного списка слоев, где М -количество слоев, модели которых необходимо отфильтровать. Блок 13. Фильтруется .-ый слой. Тип фильтра определяется пользователем. Блок 14. Сохраняются полученные модели тематических слоев в базе данных.
Алгоритм построения модели комплексных свойств территории состоит из следующих блоков (см. рис. 2): Блок 1. На этом этапе происходит считывание параметров моделирования из базы данных. Считываются следующие параметры: коэффициент веса данного тематического слоя; функции объединения тематических слоев в монорельефы и полирельеф; значения ограничивающих параметров, а также модели тематических слоев (МТС), участвующих в построении модели комплексных свойств (МКС). Блок 2. Для тех слоев, функции объединения которых относятся к группе реализующей модели, пользователем задается текст алгоритма. Блок 3. Определяется минимальный шаг задания сетки Н . для всех МТС. Найденное значение является базовым, и именно с этим шагом
Рис. 2. Алгоритм построения модели комплексных свойств
будет построена МКС. Блоки 4, 5, 6. Для тех моделей, шаг квантования которых не соответствует базовому, проводится интерполяция кубическими сплайнами. Теперь все МТС имеют одинаковый шаг задания сетки. Блок 7. Модель комплексных свойств приравнивается к модели первого по списку тематического слоя. Блоки 8, 9. Через последовательное прохождение всех оставшихся слои производится слияние их по соответствующей данному слою функции бинарного объединения. Блоки 10, 11. Пользователь проверяет адекватность полученной модели. Если модель не адекватна, то необходимо переопределить параметры моделирования, указанные в описании блока 1. Блоки 12-18. Аналогичны блокам 6-14 построения моделей тематических слоев. Блок 19. У пользователя запра-
шивается, будет ли проводиться имитационное моделирование: если «НЕТ», то заканчивается настройка модели на работу и заканчивается работа модуля; если «ДА», то осуществляется переход к процессу имитационного моделирования (исследования) - блок 20. Блок 20. Осуществляется вариация параметров моделирования в соответствии с условиями имитационного моделирования. Блок 21. Заново повторяется алгоритм построения МТС для тех слоев, параметры которых изменились. Далее проводится процедура построения модели комплексных свойств территории.
Программный модуль (ПМ) предназначен для построения моделей влияния объектов, расположенных на исследуемой территории, и выводе полученной модели в виде растрового изображения,
I Программный модуль
Блок считывания информации о карте слои;
объекты в слоях
- наименование
- координаты
Блок построения модели тематического слоя
Ч
Блок анализа и
интерпретатации
ч S
\—/
База
данных
(численые
характеристики
моделей
влияния)
Рис. 3. Структурная схема модуля пространственного моделирования
имеющего территориально-координатную привязку. Модуль представляет собой самостоятельную программную единицу и предназначен для работы с ГИС ArcView версии 3.0 фирмы ESRI. Программный модуль написан на языке C++ в среде Borland C++ Builder 4. Как отмечалось выше, обмен данными между ГИС и программным модулем осуществляется средствами динамического обмена данными (DDE - Dynamic Data Exchange ) между приложениями в среде Windows, а дополнительный набор функций прописывается в виде скриптов, которые могут быть вызваны на выполнение из другой программы. Именно данный механизм и использован для обработки пространственных данных, необходимой для построения пространственных моделей. При обмене данными одна из сторон выступает в качестве сервера (ArcView), другая -в качестве клиента (программный модуль). Этот протокол позволяет не только обмениваться данными, но и пересылать запросы на выполнение каких-либо операций.
Структурная схема модуля представлена на рисунке 3.
Данный модуль нашел практическое применение для решения задач пространственного анализа по рациональному размещению промышленных
предприятий. Он был использован для определения энергетической обеспеченности регионов Костромской области в рамках создания ГИС «Энергоресурсы Костромской области» по заказу Региональной энергетической комиссии для оценки перспективности развития торфяной промышленности, а также применяется в учебном процессе при преподавании дисциплины «Информационные технологии в управлении».
Библиографический список
1. Гнатюк А.Б. Парадигма информационного поля и моделирование системного взаимодействия территориальной инфраструктуры и производственно-технических комплексов // Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова: Системный анализ. Теория и практика. - 2008. - № 14. - С. 5-8.
2. Алексеев В.В., Куракина Н.И., Желтов Е.В. ГИС комплексной оценки состояния окружающей природой среды // ArcReview. - 2007. - № 1(40). -С. 21-27.
3. ГнатюкА.Б., Кутузова О.А. Моделирование взаимовлияния территориальной инфраструктуры и производственных комплексов для целей управления // Промышленные АСУ и контроллеры. -2011. - № 7. - С. 46-48.
