CC BY
40
МЕТОДЫ И ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ПОРАЖЕННОСТИ ТЕРРИТОРИИ ЛИНЕЙНО-ЭРОЗИОННЫМИ ПРОЦЕССАМИ
В СОЦИАЛЬНО ЗНАЧИМЫХ ЗОНАХ В УСЛОВИЯХ НАСЫЩЕННОСТИ ТЕРРИТОРИИ ГОРОДА ТРАНСПОРТНЫМИ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИМИ СООРУЖЕНИЯМИ
Шаталова Наталья Викторовна,
к.т.н., старший научный сотрудник,
ФГБУН Институт проблем транспорта им. Н.С.Соломенко Российской академии наук, Россия, Санкт-Петербург, [email protected]
Бахарев Тимофей Сергеевич,
младший научный сотрудник, географ-геоморфолог, ФГБУН Институт проблем транспорта им. Н.С.Соломенко Российской академии наук, Россия, Санкт-Петербург, [email protected]
Ключевые слова: геоинформационные технологии, линейно-эрозионные процессы, транспортные инженерно-технические сооружения, техногенная нагрузка, обходы опасных участков.
Статья посвящена наиболее социально значимым и наиболее опасным районам распространения овражно-балочной эрозии на территории Санкт-Петербурга и ее влияние на распределение транспортной составляющей (автомобильные дороги). История вопроса свидетельствует о том, что при изучении оврагов на территории Санкт-Петербурга не в полной мере использовались современные ГИС технологии.
Целью исследования является повышение эффективности прогноза наводнений при различных условиях повышения уровня воды (на примере Санкт-Петербургского региона), направленное на правильное распределение техногенной нагрузки при строительстве и реконструкции автомобильных дорог. Противоречие, послужившее началом исследований заключается в недостаточной изученности линейно-эрозионных процессов на территории города Санкт-Петербурга и все возрастающей при этом техногенной нагрузки. Задачи исследования: анализ изученности распространения оврагов на территории Санкт-Петербурга, технология построения карты линейно-эрозионных форм территории (с применением ГИС-технологий), анализ содержания карты для определения рисков развивающихся процессов линейной эрозии в социально значимых зонах на территории города, формирование зависимости расположения овражно-балочного рельефа от глубинных разломов (линеаментов) и типов почв, прогнозирование последствий ЧС в связи с резким (лавинообразным) повышением уровня воды в условиях города.
Для реализации основной задачи был произведен анализ рынка разработчиков настольных ГИС. Описываются используемые технологии и методы, произведен анализ района, получена карта-схема проявления овражно-балочной эрозии с помощью соответствующего программного обеспечения.
Научные результаты: разработана карта распространения линейно-эрозионных форм на территории Санкт-Петербурга, проведено моделирование развития линейно-эрозионных форм в условиях резкого увеличения уровня воды, разработана методика прогнозирования возникновения и развития линейно-эрозионных форм. Авторами предложена модель строительства обходов (автомобильные дороги) опасных участков на основе суммарных дисконтированных затрат. На данном этапе авторами начата работа по применению данной методики при строительстве и реконструкции дорог в Арктическом регионе Российской Федерации, где многие территории остро нуждаются в дорогах хорошего качества.
Для цитирования:
Шаталова Н.В., Бахарев Т.С. Методы и геоинформационные технологии, применяемые для расчета пораженности территории линейно-эрозионными процессами в социально значимых зонах в условиях насыщенности территории города транспортными инженерно-техническими сооружениями // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - №2. - С. 85-89.
For citation:
Shatalova N.V., Baharev T.S. Methods and geoinformation technologies used for evaluation of territory infestation with linear erosion processes in socially important areas under conditions of transport engineering and technical constructions density of urban territory // T-Comm. 2015. No.2. Рр. 85-89.
T-Comm #2-2015
При разработке проекта строительства автомобильных дорог, железнодорожных магистралей важную роль приобретают исследования по повышению эффективности прогноза наводнений при различных условиях повышения уровня воды [1,3].
В ходе исследований было выявлено противоречие между недостаточной изученностью линейно-эрозионных процессов на территории города Санк-Петербурга и повышением техногенной нагрузки.
Для начала необходимо было решить вопрос с выбором географической информационной системы (ГИС), предназначенной для визуализации и работы с пространственными данными и привязанной к ним информацией,
На рынке существует уже большое количество геоинформационных систем, общего применения и узконаправленного. Основные функции ГИС: ввод данных, хранение, построение запросов, анализ, отображение, вывод.
Для реализации основной задачи был произведен выбор ГИС. Кроме основных функций ГИС, выбранная система должна удовлетворять следующим критериям: доступность, «дружелюбный» интерфейс, пониженная требовательность к системным требованиям, кроме того, она должна поддерживать уже существующие и используемые для анализа данные.
Специализированные ГИС, такие как ДубльГИС, К-MINE, Tekla Xpower, Горно-геологическая информационная система ГЕОМИКС были исключены сразу из-за другой направленности.
На рынке представлено несколько разработчиков настольных ГИС общего назначения: ESRI, Autodesk, INTERGRAPH, Maplnfo Corporation и несколько разработчиков свободно-распространяемых ГИС (чабл. I). Последние не подходили из-за ограниченного инструментария и нетривиального взаимодействия с уже существующими данными.
AutoCAD Мар 3D - интересный инструмент, но со специфическим интерфейсом, который требует дополнительного изучения.
Maplnfo Professional удобный мощный инструмент, решающий все поставленные задачи. Как минус: необходимость переводить все имеющиеся данные в формат Maplnfo.
GeoMedia - неожиданно приятный и многофункциональный продукт.
При создании карты распространения линейно эрозионных форм в Санкт-Петербурге на основе собранных материалов предпочтение было отдано двум системам компании ESRI: ArcView 3.2 и ArcGIS 9.2 (лицензия ArcView) [3,5].
Эти системы уже являются базовыми на многих предприятиях. При работе над данным проектом, их плюсом является то, что многие используемые данные уже существуют в форматах арг (проекты) и shp (сами данные), что является родными форматами выбранных систем.
Остальные преимущества: легкий в использовании интерфейс, доступ к множеству типов данных, объединение диаграмм, карт, таблиц и графики, мощные средства визуализации карт, усиленная функциональность создания отчетов Crystal Reports, обновление данных "на лету".
Таблица I
Характеристики геоинформационных систем
Разработчики ГИС Характеристики
Maplnfo Corporation (Maplnfo Professional) Эта система позволяет создавать и анализировать карты стран, территорий, районов, городов и всего, что может рассматриваться как карта или план. Созданная электронная карта может быть отображена различными способами, в том числе в виде высококачественной картографической продукции. Кроме того, Maplnfo позволяет решать сложные задачи географического анализа на основе реализации запросов и создания различных тематических карт, осуществлять связь с удаленными базами данных, экспортировать географические объекты в другие программные продукты и многое другое.
INTERGRAPH (GeoMedia) Технология GeoMedia является архитектурой ГИС нового поколения, позволяющая работать напрямую без импорта/экпорта одновременно с множеством пространственных данных в различных форматах. Это достигается применением специальных компонентов доступа к данным - Intergraph GeoMedia Data Server. На сегодняшний день пользователям GeoMedia доступны компоненты для всех основных индустриальных форматов хранилищ цифровых картографических данных: Arclnfo, ArcView, ASCII, AutoCAD, FRAMME, GeoMedia, GML, Maplnfo, MGE, Oracle Spatíal и др., включая растровые, табличные и мультимедийные данные. При этом пользователи могут разработать собственный GeoMedia Data Server. Компоненты Intergraph GeoMedia Data Server позволяют на одной карте увидеть и одновременно проанализировать данные из произвольного количества источников, хранящихся в разных форматах, системах координат, имеющие различную точность.
Autodesk (AutoCAD Map 3D) AutoCAD Мар 3D - решение для картографов, геодезистов и специалистов по ГИС, которое предоставляет возможности прямого доступа к разным форматам данных САПР и ГИС, их редактирования, визуализации и анализа в знакомой среде AutoCAD.
ESRI (ArcGIS 9 Desktop) ArcGIS - семейство программных продуктов американской компании ESRI, одного из лидеров мирового рынка геоинформационных систем. ArcGIS позволяет визуализировать (представить в виде цифровой карты) большие объёмы статистической информации, имеющей географическую привязку. В среде создаются и редактируются карты всех масштабов: от планов земельных участков до карты мира. Также в ArcGIS встроен широкий инструментарий анализа пространственной информации. В состав ArcGIS 9 входит три приложения: ArcMap, ArcCatalog и ArcToolbox.
ESRI (ArcView GIS 3.2a) ArcView 3.2 имеет очень простой пользовательский интерфейс, с возможностью его изменения. Этот продукт хорош тем, что его функциональность можно наращивать за счет отдельных модулей. Также в его состав входит язык программирования Avenue, используя который можно писать программы под свои нужды. Но и в базовой комплектации ArcView GIS включает сотни функций создания электронных карт и пространственного анализа, которые легко понять и применить. Этот программный продукт до недавнего времени был лидером в своей области, так как решал львиную долю потребностей. Но сейчас вышла новая версия продукта, кардинально отличающаяся от этой версии.
Т-Сотт #2-2015
Рис. 2. Пример овражно-балочных форм рельефа в Курортном районе
Данная методика исследований также применима и в других регионах, где вопросы оврагообразования и развития овражно-балочного рельефа, из-за особенностей подстилающих пород, стоят более остро.
В дальнейшем планируется разработка методики прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций в связи с резким повышением уровня воды в условиях города.
Авторами предложена модель строительства обходов опасных участков на основе суммарных дисконтированных затрат [6,8,9].
В качестве критерия сравнения различных вариантов строительства обходов наиболее опасных мест использован показатель суммы дисконтированных затрат (транспортных и капиталовложений). Общий алгоритм расчетов вариантов имеет следующий вид;
V -1000000
где Р - общая сумма расходов за условный период, млн.руб,; £п — протяженность пути движения транспорта, км; Ц, - усредненная стоимость одного машино-часа работы автомобиля, руб.; N - средняя интенсивность движения, автомобилей в сутки; V - скорость движения, км в час; 1_ - протяженность участка строительства нового направления, км; Ки - нормативная стоимость строительства одного километра участка дороги, тип и протяженность дороги определяются условиями варианта млн. руб.; К„ - расходы на обустройство территории, включая перенос коммуникаций и пр., млн. руб.; М - коэффициент, определяющий соотношения суммы затрат за расчетный срок и затрат одного года эксплуатации, обычно предшествующему вводу объекта в эксплуатацию.
Расчеты проводились для суммарной интенсивности движения на автомобильной дороги в размере 10 тысяч автомобилей в сутки. Скорости потоков транспорта и стоимость строительства принимались на основе экспертных соображений работников проектных организаций, специалистов по эксплуатации автомобильных дорог.
Суммарные приведенные затраты вариантов рассчитывались для ситуаций последовательного нарастания уда-
ленности точки начала дальнего обхода от границ участка, подверженного линейно-эрозийонным процессам с шагом обхода в зависимости от размываемости подстилающих пород. Для сопоставимости результатов необходимо, чтобы варианты минимального не изменяющегося обхода и прямого параллельного хода рассматривались в одних и тех же пределах удаленности для каждого шага. Затраты дорог на каждом шаге удаленности определяются расчетами стационарной модели на основе предложенного алгоритма.
Расчетами модели была определена динамика изменения затрат вариантов транспортных капиталовложений и общих при возрастании отдаленности от участка, подверженного линейно-эрозийонным процессам.
На данном этапе авторами начата работа по применению данной методики при строитепьстве и реконструкции дорог в Арктическом регионе РФ [5,7,10]. Где многие территории остро нуждаются в дорогах хорошего качества. Было проведено пространственное изучение проблемных в этом контексте зон, выявлены задачи которые необходимо решить для каждого конкретного субъекта России, находящегося на территории Арктической зоны.
Литература
1. Вахарев Г.С, Гадышее В.А., Плотников Ю.А. Применение геоинформационных систем для решения прикладных задач предупреждения чрезвычайных ситуаций. Проблемы управления рисками в техносфере, № I ( 13), 2010. - С, 12-17.
2. Бахарее Т.С, Жамойда БД Зубарев С.Э, И. Кляйн и др. Геологический атлас Санкт-Петербурга. - СПБ.: Комильфо, 2009. -57 с.
3. Ьахарев Т.С. Описание методов и технологий, применяемых для расчета пораженное™ территории линейно-эрозионными процессами в социально значимых зонах в условиях насыщенности территории города транспортными инженерно-техническими сооружениями (на примере Санкт-Петербурга), Материалы международной научно-практической конференции «Модернизация и научные исследования з транспортном комплексе», г. Пермь, 20Н г. - С. 339-342.
4. Зорина ЕФ. Овражная эрозия: закономерности и потенциал развития. - М.: ГЕОС. 2003. - !69 с.
5. Лазарев Ю.Г., Синицына Е.Б. Современное состояние проблемы совершенствования транспортной инфраструктуры II Технико-технологические проблемы сервиса, - 2013. - №4(26). - С. 71-74.
6. Тимченко B.C. Потенциальные возможности расширения круга задач, решаемых с помощью мониторинга в транспортном комплексе II Молодой ученый. - 2014. - №4. - С. 273-276.
7. Федоров В.П., Шаталова Н.В. Стратегия долгосрочного развития магистральных автомобильных дорог И Транспорт Российской Федерации. - Т. 21. №2. - 2009. - С. 20-22.
8. Шаталова Н.Й, Kysomoe Б.И., Оное ВА Пути совершенствования перевозок и повышения безопасности автотранспорта II Проблемы управления рисками втехносфере. - 2013. - Na2. - С. 96-109.
9. Шаталова Н.В. Обоснование стратегии развития магистральных автомобильных дорог в составе транспортных коридоров II Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. - 201 3. - Т.З. - С. 478-489.
10. Шаталова Н.В. Иерархический метод выбора рационального варианта реконструкции автомобильных дорог вблизи населенных пунктов Н Интернет-журнал «Науковедение», 2014 №2 (21) [Электронный ресурс]. Режим доступа: Kttp^/nauliovedenieLru/PDF/96TVN2l4^df+ свободный, - Загл. с экрана. - Яз. рус., англ.
METHODS AND GEOINFORMATION TECHNOLOGIES USED FOR EVALUATION OF TERRITORY INFESTATION WITH LINEAR EROSION PROCESSES IN SOCIALLY IMPORTANT AREAS UNDER CONDITIONS OF TRANSPORT ENGINEERING AND TECHNICAL CONSTRUCTIONS DENSITY OF URBAN TERRITORY
Shatalova Natalya
Solomenko Institute of Transport Problems of the Russian Academy of Sciences, Senior researcher, PhD in Technical Sciences, St Petersburg, Russia, [email protected]
Baharev Timofey
Solomenko Institute of Transport Problems of the Russian Academy of Sciences, researcher, geographer and geomorphologist, St Petersburg, Russia, [email protected]
Abstract
This article is devoted to socially important and dangerous regions of gully-balk erosion advancing on the territory of St. Petersburg and its impact on accommodation of transport components (roads). The history of this issue confirms that while researching ravines in St. Petersburg, modern GIS technologies were not used to the full extend. The research purpose is efficiency upgrading of flood forecast in different conditions of water level raising (through an example of the St. Petersburg region), aimed at correct accommodation of development pressure while construction and reconstruction of roads. The discrepancy is in insufficient study of linear erosion processes in St. Petersburg and the increasing development pressure. Research tasks: analysis of study of ravines spreading in St. Petersburg, technology of construction of the map of linear and erosion shapes on the territory (using GIS technologies), analysis of the map content for determination of risks of developing processes of linear erosion in socially important areas of the city, shaping of dependence of location of gully bulk relief on deep faults (linearments) and soil types, forecasting of emergency consequences due to the fact connected with sharp rise (avalanche type) of the water level in the city. To implement primary target, analysis of the market of developers of table GIS was carried out. Applied technologies and methods are being described, analysis of the region has been carried out, base map of gully-bulk erosion developing has been done with the help of the respective software. Scientific results: map of spreading of gully-bulk erosion in St. Petersburg is worked out, modeling of development of gully-bulk erosion forms has been carried out in conditions of rapid raise of water level, method of forecasting of origin and development of gully-bulk erosion forms. Authors proposed a model of turnouts' construction (roads) of dangerous zones on the basis of summarized discounted expenses. At this stage authors have started a work of application of this method while construction and reconstruction of roads in the Arctic Region of the Russian Federation, where most territories are badly in need of roads of good quality.
Keywords: GIS technologies, traffic engineering facilities, linear erosion processes.
References
1. Zorina E.F. Ovrazhnaja jerozija: zakonomernosti i potencial razvitija. Moscow: GEOS. 2003. 169 p. [in Russian]
2. Baharev T.S, Gadyshev V.A., PlotnikovJu.A. Primenenie geoinformacionnyh sistem dlja reshenija prikladnyh zadach preduprezhdenija chrezvy-chajnyh situacij. Problemy upravlenija riskami v tehnosfere, Nol(l3), 2010. Pp. 12-17. [in Russian]
3. Baharev T.S, Zhamojda V.A, Zubarev S.Je, J. Kljajn. Geologicheskij atlas Sankt-Peterburga. SPB, Komil'fo, 2009. 57 p. [in Russian]
4. Baharev T.S. Opisanie metodov i tehnologij, primenjaemyh dlja rascheta porazhennosti territorii linejno-jerozionnymi processami v social'no znachimyh zonah v uslovijah nasyshhennosti territorii goroda transportnymi inzhenerno-tehnicheskimi sooruzhenijami (na primere Sankt-Peterburga), Materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii "Modernizacija i nauchnye issledovanija v transportnom komplekse", Perm', 2014. Pp. 339-342. [in Russian]
5. Lazarev Ju.G., Sinicyna E.B. Sovremennoe sostojanie problemy sovershenstvovanija transportnoj infrastruktury. Tehniko-tehnologicheskie problemy servisa. 2013. No4 (26). Pp. 71-74. [in Russian]
6. Timchenko V.S. Potencial'nye vozmozhnosti rasshirenija kruga zadach, reshaemyh s pomoshh'ju monitoringa v transportnom komplekse, Molodoj uchenyj. 2014. No4. Pp. 273-276. [in Russian]
7. Fedorov V.P., Shatalova N.V. Strategija dolgosrochnogo razvitija magistral'nyh avtomobil'nyh dorog. Transport Rossijskoj Federacii. Vol. 21. No2. 2009. Pp. 20-22. [in Russian]
8. Shatalova N.V., Kuvatov V.I., Onov V.A. Puti sovershenstvovanija perevozok i povyshenija bezopasnosti avtotransporta. Problemy upravlenija riskami v tehnosfere. 2013. No2. Pp. 96-109. [in Russian]
9. Shatalova N.V. Obosnovanie strategii razvitija magistral'nyh avtomobil'nyh dorog v sostave transportnyh koridorov, Modernizacija i nauch-nye issledovanija v transportnom komplekse. 2013. Vol.3. Pp. 478-489. [in Russian]
10. Shatalova N.V. lerarhicheskij metod vybora racional'nogo varianta rekonstrukcii avtomobil'nyh dorog vblizi naselennyh punktov // Internet-zhurnal "Naukovedenie", 2014 No2 (21) [Jelektronnyj resurs]. Moscow: Naukovedenie, 2014: http://naukovedenie.ru/PDF/96TVN2l4.pdf. [in Russian]
T-Comm #2-2015
