CC BY
76
УДК 556.535:004.9(571)
СПОСОБЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА ЗОН ЗАТОПЛЕНИЯ ПОЙМЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ СРЕДСТВАМИ ГИС
Никита Анатольевич Балдаков
Институт водных и экологических проблем СО РАН, 656038, Россия, г. Барнаул, ул. Молодежная, 1, инженер лаборатории гидрологии и геоинформатики, тел. (3852)66-65-01, e-mail: nikita-baldakov@yandex.ru
Ольга Вольфовна Ловцкая
Институт водных и экологических проблем СО РАН, 656038, Россия, г. Барнаул, ул. Молодежная, 1, старший научный сотрудник лаборатории гидрологии и геоинформатики, тел. (3852)66-65-01, e-mail: lov_olga@inbox.ru
Визуальное отображение результатов моделирования изменения уровня воды в водных объектах позволяет эффективно представлять зоны затопления пойменных территорий. В статье описаны средства отображения результатов гидрологического моделирования в составе проблемно-ориентированной ГИС. Рассмотрены способы визуализации результатов гидрологических расчетов, а также одномерных и двухмерных гидродинамических моделей.
Ключевые слова: ГИС, гидрологические модели, цифровая модель рельефа, визуализация, зона затопления.
METHODS FOR VISUALIZATION OF HYDROLOGICAL STUDY OF FLOOD ZONES ON FLOODPLAINS USING GIS-TECHNIQUES
Nikita A. Baldakov
Institute for Water and Environmental Problems SB RAS, 1, Molodezhnaya St., Barnaul, 656038, Russia, Engineer of Laboratory of Hydrology and Geoinformatics, phone: (3852)66-65-01, e-mail: nikita-baldakov@yandex.ru
Olga V. Lovtskaya
Institute for Water and Environmental Problems SB RAS, 1, Molodezhnaya St., Barnaul, 656038, Russia, Senior Researcher of Laboratory of Hydrology and Geoinformatics, phone: (3852)66-65-01, e-mail: lov_olga@inbox.ru
Visual display of modeling of water fluctuation in water bodies provides the effective way to present flood zones on floodplains. The paper describes methods for presenting results of hydrolog-ical modeling in problem-oriented Web-GIS. Methods for visualization of results of hydrological study as well as one-dimensional and two-dimensional hydrodynamic models are considered.
Key words: GIS, hydrological models, digital elevation model, visualization, flood zone.
Введение
В настоящее время геоинформационные системы (ГИС) - неотъемлемая составляющая информационно-моделирующих систем, предназначенных для прогнозирования паводков и половодий на реках. Весьма важна роль ГИС на этапе интерпретации результатов мониторинга и прогнозирования развития гидрологи-
ческой обстановки для определения возможных социально-экономических последствий от прохождения опасных гидрологический явлений [1]. Визуальное отображение результатов моделирования изменения уровня воды в водных объектах позволяет эффективно представлять зоны затопления пойменных территорий.
В статье описаны средства отображения результатов гидрологического моделирования в составе проблемно-ориентированной ГИС.
В одномерном случае для отображения используются значения уровня водной поверхности, расположенные вдоль осевой линии русла. Для построения зоны затопления пойменных территорий по результатам одномерного моделирования с учетом ЦМР долины реки разработаны два алгоритма.
В двухмерном случае для отображения используется поле глубин затопления, представленное в виде набора географически привязанных точек со значением глубины в каждой точке.
Моделирование зон затопления
При расчете зон затопления в результате прохождения паводков и половодий редкой повторяемости необходимо проведение комплекса гидрологических расчетов для определения уровней и расходов воды различной обеспеченности в пределах населенных пунктов. Для каждого населенного пункта определяются значения расходов и уровней воды 1, 3, 5, 10%, обеспеченности [2, 3].
По цифровой модели рельефа, созданной на основе крупномасштабных топографических карт, проведены горизонтали, соответствующие рассчитанным уровням (рис. 1, 2).
Рис. 1. Карта-схема зон затопления реки Обь в районе г. Барнаула (фрагмент)
@Картографическая основа, РОСРЕЕСТР
Территории насаленного пункта > I жилая застройка
| п-рОм 1£«ж л^££дпрызгпсн { 1 Г^йЧИЙ
Ш отдельные здания --треящЗ нэойленнсго пуппа
Авттаюрэгя. - гр^говая
1«.---- .......... 5Я -
При синевы! а топпенннх
ченогть, Ч. Урсаан. асуь> (Ы. ЕС! Глубина ем ПлОщяпэ ниж^вниага эссе сСьектоа а Кол-во наавпвмнп &Э10ПЛВМ№
1*. 100.115 ?.У5 87.se
ЯУ. юя.ив Я ,415 Н2 13
5% 105,36 2.18 Т7.4з5
СлПЦШНЫЁ: ГйрСЧ^йНТ^ГМ
Си глеи а высот - балтийская
ммоосю
О 1СС 200 1М 400 ко всп
Рис. 2. Карта-схема зон затопления поймы реки Лена в районе с. Чкалов
Результаты проведенных гидрологических расчетов являются основой информационной базы для последующей калибровки и гидродинамического моделирования зон затопления в пределах населенных пунктов и определения границ негативного воздействия вод.
Создание компьютерных моделей течений в водотоках сложной конфигурации часто требует больших объемов разнородной пространственно-распределенной эмпирической информации. Это, прежде всего, цифровая модель рельефа (ЦМР) русла и речной долины, сведения о коэффициентах шероховатости подстилающей поверхности. Также привлекается изменяющаяся в пространстве и времени гидрологическая и метеорологическая информация [4].
Точность расчетов областей затоплений речных долин в большой степени зависит от используемого вида решения системы уравнений Сен-Венана, отражающей основные закономерности перемещения речных волн. В последние годы, с появлением доступных данных о рельефе высокого разрешения и увеличившимися вычислительными мощностями широкое распространение получило применение не только одномерных, но и двумерных и трехмерных гидравлических моделей [5].
Для описания течений на участках рек, в т. ч. и со сложной морфометрией русла и поймы, в Институте водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской Академии наук (ИВЭП СО РАН) разработаны вычислительные комплексы на основе одномерных и двумерных уравнений Сен-Венана, и построены компьютерные модели для расчета сценариев затопления
отдельных участков пойменных территорий и прогноза прохождения весенних половодий и дождевых паводков на Верхней Оби [6].
Расчет гидравлических характеристик р. Оби на участке от г/п Фоминское до створа плотины Новосибирской ГЭС опирается на численную одномерную горизонтальную (1DH) модель течения на основе уравнений Сен-Венана. Для построения компьютерной гидродинамической lDH-модели течения на этом участке используются цифровые модели речной долины р. Оби и ложа Новосибирского водохранилища, построенные на основе топографических карт М 1:25000, полученных во временное пользование из Государственного картографического фонда, и лоции Верхней Оби.
Для построения цифровой модели рельефа (ЦМР) для гидродинамической 2DH-модели использовались:
- данные промеров русла, проток и затонов, а также данные топосъемоч-ных и геодезических работ, полученные ИВЭП СО РАН (М1:2000);
- топографические карты М1:25000.
Визуализация результатов гидродинамического моделирования
Для определения затапливаемой площади необходимо знать абсолютную отметку водной поверхности в каждой точке водотока. Разность этой отметки и отметки рельефа, взятой по ЦМР, используется для определения зоны распространения разлива при прохождении паводка.
Результаты расчетов двумерных гидродинамических моделей дают области затопления непосредственно в виде набора географически привязанных точек со значением глубины в каждой точке. Данные такого вида для загрузки в ГИС требуют предобработки, состоящей из следующих действий:
- определение границ рассматриваемой области затопления. В качестве границ используется минимальный невыпуклый полигон (concave hull), содержащий точки с глубинами;
- создание растра глубин в формате GeoTiff билинейной интерполяцией глубины в рамках найденных границ.
Подготовленный растр может быть загружен на геосервер для просмотра через web- browser (рис. 3).
Однако, при использовании подобных моделей необходимы сравнительно высокие вычислительные мощности и ЦМР высокого разрешения, включающая в себя русло реки. Поэтому в случае недостаточно подробных входных данных или рассмотрения участка реки значительной протяженности, как правило, применяются одномерные гидродинамические модели.
В одномерном случае результаты моделирования составляют значения уровня водной поверхности, расположенные вдоль осевой линии русла. Для построения зон затопления пойменных территорий по результатам одномерного моделирования с учетом ЦМР долины реки используются подходы, основанные на геометрических принципах [7].
Рис. 3. Пример отображения глубин затопления на геосервере ИВЭП СО РАН
Основная идея, на основе которой, как правило, реализуется моделирование паводкоопасной ситуации, заключается в построении пересечения поверхности рельефа с зеркалом водной поверхности.
Для выявления затопленной территории используются исходная цифровая модель рельефа и модель секущей плоскости водной поверхности, построенная на основе результатов моделирования уровней воды.
Для определения зоны затопления при расчетах по одномерной модели разработано два алгоритма.
Первый алгоритм распространяет значения высоты водной поверхности вдоль нормалей, проведенных к осевой линии русла в точках с известными из результатов моделирования уровнями водной поверхности. На основе расчетных данных и нормалей с помощью средств QGIS и ОЯАББи или ArcGIS Desktop c подключенным модулем Spatial Analyst строится цифровая модель водной поверхности:
Зона затопления вычисляется с помощью Растрового калькулятора: («цифровая модель водной поверхности» - «цифровая модель поймы») > 0.
Полученный растр конвертируется в векторный полигональный слой, соответствующий зоне затопления.
Для улучшения качества визуализации выполняются преобразования полученных полигонов (удаление «осколочных» полигонов, преобразование «дырок», объединение смежных полигонов).
Результат работы алгоритма представлен на рис. 4.
Второй алгоритм имитирует подъем воды по склону из каждой ячейки растра водной поверхности и сравнивает текущее значение высоты по ЦМР с абсолютной отметкой водной поверхности, взятой в ячейке растра, из которой начат подъем. Высота водной поверхности для каждого пикселя вычисляется как среднее арифметическое высот водной поверхности соседних с ним затопленных пикселей. На первом шаге, затопленными принимаются пиксели, полученные от растеризации осевой линии русла. Алгоритм рекурсивно пополняет множество затопленных пикселей соседними с ними незатопленными, пока множество добавленных на текущем шаге пикселей не станет пустым.
Алгоритма построения реализован в виде следующей последовательности шагов:
1. Создать пустой растр, совпадающий с ЦМР размером, типом пикселя (float, integer) и географической привязкой;
2. Линейно интерполировать значения уровня в узлах осевой линии, используя точки с известным значением уровня из входных данных;
3. Растеризовать осевую линию на созданном растре (шаг 1), сохраняя значения уровня на пикселях растра, и, при необходимости, интерполируя их для пикселей, расположенных между вершинами осевой линии (используется функция библиотеки GDAL2.*);
4. Определить три множества пикселей созданного растра: Внутренние, Граничные, Кандидаты. На этом шаге Внутренние и Кандидаты - пустые множества, Граничные — множество пикселей растеризованной осевой линии;
5. Применить рекурсивную процедуру затопления.
Алгоритм реализован в виде утилиты командной строки на языке С++, для работы с растровыми и векторными данными с географической привязкой используется библиотека с открытым исходным кодом GDAL2.*. Результат алгоритма представлен на рисунке областью синего цвета с указанием глубин затопления.
Рис. 5 иллюстрирует результаты работы описанных в статье алгоритмов.
Гпуоина азтопгоиип по рмультзтзм '/игр Т'Ю ицце лпрсвапия
Рис. 5. Сопоставления результатов расчетов зон затопления по рассмотренным алгоритмам
Выводы
Визуализацию на основе гидрологических расчетов предлагается использовать при исследовании большого количестве участков рек для определения границ зон возможного затопления при прохождении паводков и половодий редкой повторяемости.
При анализе нескольких участков рек, для которых важна динамика формирования зоны затопления даже при небольшом изменении уровня воды, необходимо проведение гидродинамических расчетов и визуализация их результатов.
Предложенный в статье алгоритм расчета "затопленных пикселей" по результатам одномерного моделирования позволяет улучшить качество визуализации зон затопления пойменных территорий по сравнению с определением их встроенными средствами ArcGIS Desktop и QGIS.
Разработанные ГИС-технологии используются ИВЭП СО РАН для визуализации фактической и прогностической гидрологической обстановки
на р. Обь в районе г. Барнаула (http://geoinfo.iwep.ru/geoserver/www/floodzones-test/index.html), а также для определения границ зон возможного затопления при прохождении паводков и половодий редкой повторяемости в бассейне Верхней Оби и реки Лена.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Борщ С. В., Самсонов Т. Е., Симонов Ю.А., Львовская Е. А. Визуализация гидрологической обстановки в бассейнах крупных рек средствами ГИС-технологий // Труды Гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации. 2013. № 349. С. 47-62.
2. Современное состояние водных ресурсов и функционирование водохозяйственного комплекса бассейна Оби и Иртыша / отв. ред. Ю.И. Винокуров, А.В. Пузанов, Д.М. Безматерных. - Новосибирск: Издательство СО РАН, 2012. - 242 с.
3. Исследование водного режима и русловых процессов реки Лена, разработка научно обоснованных рекомендаций и мероприятий по предотвращению вредного воздействия вод и противопаводковой защите: отчет о НИР / Институт водных и экологических проблем СО РАН; рук. Зиновьев А.Т. - Барнаул, 2014. - Книги 2, 3. - 363 с. - Регистрационный номер НИОКТР 010201278534 от 09.03.2016.
4. Зиновьев А.Т., Ловцкая О.В., Балдаков Н.А., Дьяченко А.В. Геоинформационное обеспечение для решения гидрологических задач // Вычислительные технологии. 2014. № 3. С. 60-72.
5. Maidment D.R., Djokic D. Hydrologie and Hydraulic Modeling Support with Geographic Information Systems. N.Y.: ESRI Press, 2000. 232 p.
6. Зиновьев А.Т., Кошелев К.Б., Марусин К.В., Кошелева Е.Д. Математическое моделирование руслового потока для прогнозов влияния строительства в поймах на гидрологический режим крупных рек (на примере реки Обь) // Водное хозяйство России. Проблемы, технологии, управление. 2017. № 2. С. 54-72.
7. Chen J., Hill A.A., Urbano L.D. A GIS-based model for urban flood inundation // J. Hydrology. - 2009. Vol. 373. No 1-2. P. 184-192.
© Н. А. Балдаков, О. В. Ловцкая, 2018
