CC BY
44
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,
старший научный сотрудник, к.т.н.,
ФГБУН Институт проблем транспорта им. Н.С.Соломенко Российской академии наук, Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
Бахарев Тимофей Сергеевич,
младший научный сотрудник, географ-геоморфолог, ФГБУН Институт проблем транспорта Им. Н.С.Соломенко Российской академии наук, Санкт-Петербург, Россия, [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 г. 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 РФ, 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. - Том 9. - №5. - С. 69-73. For citation:
Shatalova N.V., Baharev T.S. Methods and geo-information technologies used for évaluation 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. Vol 9. No.5, рр. 69-73. (in Russian).
При разработке проекта строительства автомобильных дорог, железнодорожных магистралей важную роль приобретают исследования по повышению эффективности прогноза наводнений при различных условиях повышения уровня воды [I, 3]. В ходе исследований было выявлено противоречие между недостаточной изученностью линейно-эрозионных процессов на территории города Санкт-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, K-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 (табл. 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
MapWb Corporation (МарНо
INTERGRA РН
(GeoMecfa)
Autodesk (Au to С А D Map 3D)
ESRI {ArcGIS 9 Desktop)
ESRI
(ArcView GIS 3.2a)
Характеристики
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.
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.
Технология GeoMedia является архитектурой ГИС нового поколения, позволяющая работать напрямую без импор-та/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 Spatial 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.
AutoCAD Map 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,
АгсС15 — семейство программных продуктов американской компании Е5К1, одного из лидеров мирового рынка геоинформационных систем. АгсС15 позволяет визуализировать (представить в виде цифровой карты) большие объёмы статистической информации, имеющей географическую привязку. 6 среде создаются и редактируются карты всех масштабов: от планов земельных участков до карты мира. Также в АгсС15 встроен широкий инструментарий анализа пространственной информации. В состав АгсС15 9 входит три приложения: АгсМар, АгсСата1о^ и АгсТоо1Ьох.
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._
T-Comm Том 9. #5-2015
Карта состоит из линейных, полигональных и точечных слоев. Последний слой называется: «Uchastki» и содержит в себе информацию, зафиксированную на участках местности на объекте. Реки, проезды, изолинии состоят из линейных слоев. Полигональные слои на карте содержат информацию об административных районах, зданиях, акватории, участках оврагообразования.
Б результате визуального анализа топографической основы масштаба 1:5 ООО {программа Arc View GIS 3.2 и Arc Map) на территории Санкт-Петербурга были выделены участки, в пределах которых развиты различные виды склоновых эрозионных форм. Выделение участков осуществлялось путем оконтуривания характерных типов конфигурации изогипс рельефа дневной поверхности территорий {рис. I).
5 ÁÁÁ
NsC-
-s 40 -jáL
Рис. I. Виды изогипс гидроэрозионных форм
точке сочленения с сопряженным руслом реки - до направлений им параллельным (рис. 1-11).Всего на территории Санкт-Петербурга выделены более 700 участков, характеризующих различные виды эрозионных процессов и присущих им форм. Из таблицы 2 следует, что из 18 районов Санкт-Петербурга склоновыми эрозионными процессами поражены 12.
Таблица 2
Пораженность территории Санкт-Петербурга процессами линейной склоновой (овражно-балочной) эрозией
№ Районы Кол-во Площадь Площадь Пораже-
п/п Санкт-Петербурга участков участков {км1) районов (кнг) ние территорий (%)
1 _Адмиралтейский - - 13,8
2 Василеостровский - - 16,7 -
3 Выборгский 54 0.4 115,5 0,4
4 Калининский 22 0,2 40,2 0,4
5 Кировский 1 0,02 47,4 0,04
6 Кол пин с кий 147 2,3 102,5 2,2
7 Красногвардейский 62 0,7 56,4 1,3
8 Красносельский 39 1.2 91 1,3
9 Кронштадтский - - 194 -
10 Курортный 235 4.4 267,9 1,6
1 1 Московский 4 0,3 73,1 0,5
12 Невский 27 0,4 61,8 0,6
13 Петроградский - - 19,6 -
14 Петродворцовый 81 1,7 107,0 1,5
15 Приморский 12 0,4 Í 09,9 0,3
16 Пушкинский 1 15 2,8 240,0 U
17 Фрунзенский - - 37,5 -
18 Центральный - - 17,8 -
Всего: 799 14.6 1315 М
На рисунке можно проследить более или менее резко очерченные и более сглаженные формы. Склоновые водно-эрозионные формы имеют характерные рисунки изогипс (1-12), меняющиеся от района к району, от бассейнов одной реки к другой. Все они характеризуются вытянутой конфигурацией в плане и своим основанием обращены к точке местного базиса эрозии [2].
На данном этапе еще не стояла задача типизации этих форм, однако со временем эта задача должна быть решена. Наиболее важным классификационным признаком может служить тангенс углов наклона бортов этих форм и другие признаки, например - длина, ширина и/или их отношения [4]. Отчетливые различия между формами по этим признакам можно наблюдать на рис. 1-1, где отражены широкая уплощенная малоконтрастная форма {очевидно, уже балка) и весьма контрастная, по-видимому, энергично развивающаяся овражная форма на рис. 1-8, скорее всего на 2-3 стадии. Для многих форм весьма характерно развитие «отвершков» (рис. 1-3 и др.), причем в ряде районов они формируют их своеобразный волнистый рисунок (рис. 1-12). Иногда эрозионные формы образуют гирлянды до 3-4 сопряженных форм {рис. 1-6). Весьма часто формы изгибаются от перпендикулярного направления в
Следует отметить, что подавляющее большинство участков составляют малоконтрастные формы, многие из которых уже завершили свои активные стадии развития или просто потенциально опасные в отношении развития при региональных изменениях базиса эрозии. Однако эти формы распространены в активно развивающихся и курортных районах города (рис, 2), Эти земли часто представляют собой неудобья и иногда оказываются выведенными из хозяйственного оборота.
Новообразования верховьев оврагов негативно сказываются на уже построенных автомобильных дорогах и железнодорожных магистралях. Данные исследования позволяют повысить эффективность прогноза разрушения рельефа при строительстве, реконструкции и эксплуатации транспортных инженерно-технических сооружений при различных условиях повышения уровня воды.
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.
Ъл шмт Ьчм км *ч»|| ■■ Г—» i1» и ■
а«н'а ■ * ■ jitr: «
•ш-.- ■ •• - &&-* i фл ; ц ■ *0
----- - О- А- ... ■ ■ I ■ Л- l-J-Л'
Рис. 2. Пример овражно-балочных форм рельефа в Курортном районе
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:
Я= Г„.//,Л 365-Л/ +
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; I - протяженность участка строительства нового направления, км; Кн - нормативная стоимость строительства одного километра участка дороги, тип и протяженность дороги определяются условиями варианта млн. руб.; Кп - 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 удаленности точки начала дальнего обхода от границ участка, подверженного линейно-эрозийонным процессам с шагом обхода в зависимости от размываемости подстилающих
пород. Для сопоставимости резупьтатов 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 строительстве и реконструкции дорог в Арктическом регионе Российской Федерации [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. Ьахарев Т.С, Гадышев ВА, Плотников ЮЛ. Применение геоинформационных систем для решения прикладных задач предупреждения чрезвычайных ситуаций II Проблемы управления рисками в техносфере, №1 (I 3), 20! 0. - С. 12-17.
2. Ьахарев 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 в транспортном комплексе». - Пермь, 2014. - С. 339-342.
4. Зорина Е.Ф. Овражная эрозия: закономерности и потенциал развития. - М,: ГЕОС, 2003. - 169 с.
5. 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 II Транспорт Российской Федерации. - Т. 21. - №2. - 2009. - С. 20-22.
8. Шаталова НВ„ Куватов В.И., Оное ВА Пути совершенствования перевозок и повышения безопасности автотранспорта // Проблемы управления рисками в техносфере, - 2013. - №2. -С. 96-109.
9. Шаталова Н.В. Обоснование стратегии развития магистральных автомобильных дорог в составе транспортных коридоров И Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. 2013. - Т.З. - С. 478-489,
10. Шаталова Н.В. Иерархический метод выбора рационального варианта реконструкции автомобильных дорог вблизи населенных пунктов II Интернет-журнал «Науковедение», 2014, -№2(21) [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://naukovedenie.ru/ PDF/ 96TVN214.pdf, свободный. - Загл. с экрана.
T-Comm Том 9. #5-2015
TRANSPORT
METHODS AND GEO-INFORMATION 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 N.V., St Petersburg, Russia, [email protected] Baharev T.S., 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: geoinformation technologies, linearly erosion processes, transport engineering structures, technogenic load, avoid hazardous areas.
1. Zorina E.F. Ovrazhnaja jerozija: zakonomernosti i potencial razvitija. Moscow.: GEOS. 2003. 169 p. (in Russian).
2. Baharev T.S, Gadyshev V.A., PlotnikovJuA. Primenenie geoinformacionnyh sistem dlja reshenija prikladnyh zadach preduprezhdenija chrezvy-chajnyh situacij. Problemy upravlenija riskami v tehnosfere. No. 1(13),2010, pp. 12-17. (in Russian).
3. Baharev T.S, Zhamojda V.A, Zubarev S.Je, J. Kljajn etr. 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. No. 4 (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. No. 4, 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. No. 2. 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. No. 2. pp. 96-109. (in Russian).
9. Shatalova N.V. Obosnovanie strategii razvitija magistral'nyh avtomobil'nyh dorog v sostave transportnyh koridorov, Modernizacija i nauchnye issledovanija v transportnom komplekse. 2013. Vol. 3. pp. 478-489. (in Russian).
10. Shatalova N.V. Ierarhicheskij metod vybora racional'nogo varianta rekonstrukcii avtomobil'nyh dorog vblizi naselennyh punktov // Internet-zhurnal "Naukovedenie", 2014. No.2 (21) [Jelektronnyj resurs]. Moscow. Naukovedenie, 2014. http://naukovedenie.ru/PDF/96TVN214.pdf, svobodnyj. Zagl. s jekrana. Jaz. rus., angl. (in Russian).
Information about authors:
Shatalova N.V., Solomenko Institute of Transport Problems of the Russian Academy of Sciences, St Petersburg, Russia; Baharev T.S., Solomenko Institute of Transport Problems of the Russian Academy of Sciences, St Petersburg, Russia.
For citation:
Shatalova N.V., Baharev T.S. Methods and geo-information 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. Vol 9. No.5, pр. 69-73. (in Russian).
