CC BY
74
ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
2011 г. Выпуск 3 (22). С. 86-91
УДК 519.257; 519.688
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОДНОРОДНЫХ ТЕРРИТОРИАЛЬНЫХ ЗОН ПРИ МАЛОМ ОБЪЕМЕ ГЕОДАННЫХ НА ОСНОВЕ СОЧЕТАНИЯ МНОГОМЕРНОЙ КЛАСТЕРИЗАЦИИ И ГИС-АНАЛИЗА
В. Н. Копылов, Г. А. Кочергин, Ю. М. Полищук Введение
Существует широкий круг задач выявления пространственной структуры однородных по своим свойствам зон природных и природно-техногенных объектов или явлений, например, зон повышенного загрязнения, зон распространения различных популяций, зон заболеваемости опасными болезнями и др. Решение подобных задач осуществляется с использованием различных подходов к моделированию однородных территориальных зон на основе пространственного анализа данных с применением технологий геоинформационных систем (ГИС-технологий). Исходные данные для моделирования однородных территориальных зон, как правило, получаются в ходе натурного эксперимента, результатом которого является выборка многомерных пространственных данных малого объема. Высокая стоимость организации и проведения натурного эксперимента и, как правило, труднодоступность обследуемой территории являются основными причинами того, что измерения характеристик объектов исследования проводятся в малом числе пунктов отбора проб, к тому же нерегулярно распределенных по территории.
Экспериментальные данные представляют собой набор пространственной и атрибутивной информации об объектах исследования. Атрибутивная информация содержит числовые значения измеренных в ходе полевых исследований характеристик объектов, сформированные в многомерный массив. Пространственная информация содержит данные о географических координатах пунктов отбора проб, их линейных или площадных размерах и взаимном расположении их на территории исследования.
Известные подходы к моделированию однородных территориальных зон, традиционно использующие либо статистические методы анализа экспериментальных данных [3, 4] либо интегральные показатели, рассчитанные по имеющейся совокупности характеристик, не применимы к моделированию однородных территориальных зон в условиях малого объема многомерных данных. Современные геоинформационные системы также не могут быть использованы для построения моделей однородных зон ввиду того, что имеющиеся в их составе средства позволяют анализировать только одномерные массивы данных.
В связи с этим целью настоящей работы явилось разработка нового подхода к имитационному моделированию однородных территориальных зон в условиях малого объема многомерных экспериментальных данных.
Имитационная модель однородных территориальных зон
Под однородной территориальной зоной будем понимать ограниченный в пространстве участок территории (полигон), на котором расположены сходные по своим непространственным (атрибутивным) свойствам объекты исследования. Имитационная модель совокупности однородных территориальных зон представляется в виде набора полигонов различной формы и размеров на цифровой карте в геоинформационной системе и реализуется с использованием алгоритма (рис. 1), основанного на сочетании методов многомерной автоматической кластеризации и пространственного анализа (ГИС-анализа). Методы многомерной кластеризации позволяют анализировать непространственные свойства объектов исследования, измеренные в ходе натурного эксперимента и представленные многомерными массивами данных, и не предъявляют особых требований к объему и свойствам выборки исходных дан-
ных. Для анализа пространственных свойств объектов исследования, таких как географические координаты, площадь, протяженность, взаимное расположение и др., применяются методы ГИС-анализа, что позволяет учитывать всю имеющуюся разнородную информацию об объектах исследования. Предлагаемая имитационная модель однородных территориальных объектов является универсальной для решения задач, относящихся к различным областям наук о Земле.
Рис. 1. Блок-схема алгоритма, реализующего имитационную модель однородных территориальных зон
Программный комплекс имитационного моделирования однородных территориальных зон
Для реализации имитационной модели однородных территориальных зон был разработан программный комплекс имитационного моделирования, структурная схема которого представлена на рис. 2. Программный комплекс состоит из трех основных компонентов: модуль многомерной кластеризации, модуль геопреобразования данных и подсистема пространственного анализа.
Рис. 2. Структурная схема комплекса программ имитационного моделирования
Модуль многомерной кластеризации реализован в виде программы для персонального компьютера под управлением операционной системы Microsoft Windows и содержит функции разбиения совокупности исследуемых объектов в многомерном пространстве признаков на однородные по своим непространственным характеристикам классы. В модуле также реализованы функции импорта многомерных массивов данных, обработки табличных данных, отображения исходных данных и результатов кластеризации, экспорта результатов кластеризации в файлы различных форматов, такие как MS Excel, MS Word, JPEG.
Модуль геопреобразования данных представляет собой набор программ, реализующих алгоритмы преобразования непространственных данных в формат геоданных, пригодный для использования в геоинформационных системах. Модуль обеспечивает автоматическую конвертацию результатов кластеризации исходной выборки данных из модуля многомерной кластеризации в векторные тематические слои, пригодные для отображения, редактирования и последующей обработки в подсистеме пространственного анализа. В модуле геопреобразования данных реализованы алгоритмы конвертации для трех различных геоинформационных систем: ArcGIS 9.3, Golden Surfer 8 и ArcView 3.3.
В качестве подсистемы пространственного анализа в составе программного комплекса используется ГИС ArcGIS 9.3, реализующая функции ГИС-анализа, которая позволяет выявлять закономерности пространственного размещения объектов исследования и моделировать границы территориальных зон однородных объектов. Картографические данные представляют собой набор цифровых карт территории исследования и космических снимков, используемых в геоинформационной системе в качестве картографической основы.
Практическое использование программного комплекса имитационного моделирования однородных территориальных зон
В качестве примера использования программного комплекса рассматривается задача моделирования однородных геоботанических зон на основе совокупности экспериментальных данных, относящихся к пяти климатическим и геоботаническим показателям, которые рассчитаны для 25 ландшафтных провинций на территории Ханты-Мансийского автономного округа и Томской области [2]. К климатическим показателям относятся среднегодовые значения температуры, сумма осадков и запас воды в снежном покрове. Геоботанические показатели включают данные об относительных площадях сосновых и темнохвойных лесов в пределах каждой провинции. В результате анализа экспериментальных данных с использо-
ванием описанного выше программного комплекса была получена имитационная модель в виде трех однородных геоботанических зон (полигонов), которые показаны на рис. 3.
Рис. 3. Имитационная модель однородных геоботанических зон
Для проверки адекватности полученной имитационной модели однородных геоботани-ческих зон было проведено сравнение результатов имитационного моделирования с картой геоботанического районирования растительности Западной Сибири (рис. 4), разработанной в Институте географии СО РАН (г. Иркутск). Согласно карте геоботанического районирования на исследуемой территории расположены три геоботанические зоны: северная, средняя и южная тайга. В результате сравнения было установлено, что совпадение площадей соответствующих зон на имитационной модели и на карте геоботанического районирования составляет более 81 %. Это позволяет сделать вывод о достаточно хорошем соответствии имитационной модели, созданной с использованием разработанного программного комплекса моделирования, реальной карте геоботанических зон.
Рис. 4. Фрагмент карты геоботанического районирования
В качестве второго примера использования программного комплекса рассмотрим моделирование зон распространения многолетней мерзлоты на территории Западной Сибири на основе совокупности экспериментальных данных, содержащей климатические и геокриологические показатели. Эти показатели были измерены на 30-ти тестовых участках, расположенных в трех разных зонах (сплошная, прерывистая и островная) распространения многолетней мерзлоты [1]. Исследуемая совокупность данных содержит три показателя: среднелетняя температура воздуха (данные о температуре в теплые месяцы года, в которых среднемесячная температура была положительной величиной), годовая сумма осадков и суммарная площадь термокарстовых озер. Площади термокарстовых озер определялись [1] с использованием космических снимков, полученных с помощью космического аппарата Landsat.
Полученная с использованием программного комплекса моделирования имитационная модель трех однородных зон мерзлоты представлена на рис. 5. Выделенные в процессе моделирования зоны мерзлоты отображены на рис. 5 в виде полигонов синего, бирюзового и розового цвета. Линии красного и зеленого цвета показывают границы зон сплошной, прерывистой и островной мерзлоты, взятые с карты зон мерзлоты [1] на территории Западной Сибири, которая была использована для проверки адекватности полученной имитационной модели.
I 11 зона I 12 зона ■■ 3 зона
— граница зон сплошной и прерывистой мерзлоты ----граница зон прерывистой и островной мерзлоты
Рис. 5. Имитационная модель однородных зон мерзлоты
В результате сравнения модельных данных с реальной картой было установлено, что совпадение площадей соответствующих зон на имитационной модели и на карте зон мерзлоты Западной Сибири составляет более 72 %. На основании полученных результатов можно сделать вывод о приемлемом соответствии имитационной модели, созданной с использованием разработанного программного комплекса моделирования, реальной карте зон мерзлоты.
ЛИТЕРАТУРА
1. Брыксина, Н. А. Изучение взаимосвязи измерений климатических и термокарстовых процессов в зонах сплошной и прерывистой мерзлоты Западной Сибири [Текст] / Н. А. Брыксина, В. Ю. Полищук, Ю. М. Полищук // Вестник Югорского государственного университета. - 2009. - № 3 (14). - С. 3-12.
2. Днепровская, В. П. Исследование взаимосвязи климатического состояния и пространственной структуры растительного покрова в Западной Сибири [Текст] / В. П. Днепровская, Ю. М. Полищук // Вестник Югорского государственного университета. - 2007. -№ 6 - С. 31-38.
3. Сердюцкая, Л. Ф. Техногенная экология. Математико-картографическое моделирование [Текст] / Л. Ф. Сердюцкая, А. В. Яцишин. - М. : Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. - 232 с.
4. Тикунов, В. С. Моделирование в картографии : учебник [Текст] / В. С. Тикунов. - М. : Изд-во МГУ, 1997. - 405 с.
